Winziges 3D-Design-Gerüst

3D-Druck ist ein weltweiter Trend, der in immer mehr Anwendungsgebieten zum Einsatz kommt, etwa in der Spielzeug- oder Automobilindustrie. Im Mikro- und Nanobereich könnte er vor allem bei der künstlichen Herstellung von biologischem Gewebe, dem „Tissue Engineering“, neue Erkenntnisse bringen, etwa bei der Fertigung von 3D-Designer-Petrischalen.

„Jedes Lebewesen besteht aus Zellen, deren Verhalten und Entwicklung auch von den mechanischen und chemischen Eigenschaften ihrer dreidimensionalen Umgebung abhängt“, sagt Prof. Martin Bastmeyer vom Zoologischen Institut und vom Institut für Funktionelle Grenzflächen des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). „Um Zellen adäquat zu erforschen, ist es daher wichtig, die Prozesse, die in dieser Umgebung ablaufen, möglichst real abzubilden.“ Aktuelle experimentelle Modelle seien jedoch häufig nur für die Zellkultivierung in zweidimensionalen Petrischalen ausgerichtet und könnten die Zellumgebung nicht hinreichend abbilden.

Prof. Martin Wegener vom Institut für Angewandte Physik und Abteilungsleiter am Institut für Nanotechnologie schaffte Abhilfe mit der laserbasierten Lithographie. „Bei dieser Technik schreiben wir sozusagen die Gerüste mit einem Laser in einen speziellen Fotolack, der nur an den Stellen im Raum aushärtet, die mit dem Laserfokus belichtet wurden“, erklärt der Physiker. Nachdem das Schreiben abgeschlossen ist, entwickeln die Forscher die Strukturen, indem sie die unterbelichteten Bereiche auswaschen. Die gehärteten Teile bleiben und bilden das Gerüst. „Die Strukturen, die wir so erstellen, sind insgesamt kleiner als ein Haar dick ist, also etwa 50 Mikrometer“, sagt Wegener.

Als dritter im Bunde entwickelte Prof. Christopher Barner-Kowollik vom Institut für Technische Chemie und Polymerchemie Fotolacke, die zu funktionalen Gerüststrukturen führen. „Diese Lacke sind bioorthogonal, das heißt, sie erlauben die Zellanhaftung, ohne die eigenen biologischen Prozesse der Zelle zu beeinflussen“, erklärt Barner-Kowollik. Die Forscher können verschiedene Signalmoleküle flexibel am Gerüst anbringen, um das Verhalten der dort angezüchteten Zellen präzise und ortsaufgelöst zu untersuchen. Da die Fotolacke von Barner-Kowollik zu Gerüststrukturen mit reaktiver Oberfläche führen, an der die Forscher komplexe biologische Marker anbringen können, kann Bastmeyer die Zellen direkt an den von Wegener erzeugten Gerüsten anzüchten.

Mit diesen 3-D-Gerüsten hat das Team bereits erfolgreich Herzmuskelzellen, Bindegewebsbildungszellen und Stammzellen gezüchtet und untersucht. Die leichte Herstellung von flexiblen Designer-Petrischalen kann eine breite Palette von Möglichkeiten für die Züchtung biologischen Gewebes bieten, das in der Medizin eingesetzt werden könnte, etwa um krankes Gewebe bei Patienten zu ersetzen oder zu regenerieren.

Der Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft und die Helmholtz-Gemeinschaft zeichnen das Trio für ihre interdisziplinäre Zusammenarbeit am „3-D-Laserdruck funktionalisierter Mikrostrukturen“ mit dem mit 50 000 Euro dotierten Erwin-Schrödinger-Preis aus.

Weitere Informationen: Ein Video zur Forschung www.kit.edu