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Tissue Engineering in Kammern aus dem 3D-Drucker

Personalisierte Medizin/Tissue Engineering
Gewebe in 3D-gedruckten Formen passt genau in die Wunde

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In 3D-gedruckten Kammern mit personalisierten Formen soll künftig transplantationsfähiges, körpereigenes Gewebe gezüchtet werden. So kann es zum Beispiel die Form einer zu schließenden Wunde annehmen (Bild: Till Budde, Fraunhofer IAP)
Wo nach einer Verletzung Gewebe fehlt, setzen Mediziner derzeit Spendergewebe ein. Was fehlt, könnte jedoch in Kammern aus dem 3D-Drucker nachwachsen, die der Form der Wunde entsprechen. Selbst die erforderlichen Gefäße sollen mitgeliefert werden.

Bei schwerwiegenden Weichteilverletzungen – wenn Strukturen wie Knochen, Gefäße oder Sehnen freiliegen – ist eine Gewebetransplantation mitunter unumgänglich. Für den Patienten bedeutet dies jedoch einen schwerwiegenden Eingriff, mit einer stundenlagen Operation und mit der Verletzung von gesundem körpereigenem Gewebe verbunden. Künftig könnte das fehlende Gewebe direkt im Patientenkörper nachwachsen – in Isolationskammern, die unter die Haut implantiert werden . Diese lassen sich  der Wunden-Geometrie individuell angepassen. Auf der Medizintechnik-Messe Medica in Düsseldorf waren die 3D-gedruckten Kammern zu sehen. Ausgestellt waren sie am Stand des Forscherteams der Fraunhofer-Institute für Angewandte Polymerforschung IAP und für Lasertechnik ILT sowie der BG Klinik Ludwigshafen.

Tissue Engineering in Kombination mit dem 3D-Druck

Gewebeschonender ist ein Eingriff, wenn durchblutete Gewebetransplantate zur Verfügung stehen, um Haut und anderes Gewebe gezielt zu ersetzen. So könnte man etwa mit Kollagen ausgekleidete Isolationskammern aus Teflon unter die Haut vernähen und eine Arterie oder eine Vene schlaufenförmig hineinlegen. Dann wandern Zell in das Kollagen. Auch Gefäßen wachsen hinein, und innerhalb von zwei bis vier Wochen ist das Ganze schließlich in ein transplantationsfähiges Gewebe umgebaut. Dieses lässt sich bei einem kleinen Eingriff, für den eine örtliche Betäubung ausreicht, einsetzen.

Im Gegensatz zu gezüchtetem Gewebe aus der Petrischale ist das in der Kammer entstehende Gewebe vollständig vaskularisiert – also mit Kapillaren durchsetzt – und damit durchblutet. Es entsteht also ein lebhaftes Bindegewebe, das die Form der Isolationskammer annimmt und für eine Transplantation geeignet ist, ohne dass die Mediziner gesundes Spendergewebe opfern müssen. Ein weiterer Vorteil: Da der Körper des Patienten das Gewebe selbst hergestellt, entfallen Abstoßungsreaktionen.

Isolationskammern für die Gewebezüchtung bekommen die passende Form im 3D-Druck

Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer IAP evaluieren und optimieren diese Technik derzeit im BMBF geförderten Projekt Flexloop – gemeinsam mit dem Fraunhofer ILT und der BG Klinik Ludwigshafen – Klinik für Plastische- und Rekonstruktive Chirurgie der Universität Heidelberg. Bisher waren nur runde Isolationskammern für die Gewebezüchtung im Einsatz. „Wir können die Form der Isolationskammern erstmalig an die Form des Weichteildefekts des Patienten anpassen und damit die Personalisierung und Individualisierung der Medizin weiter vorantreiben“, sagt Dr. Wolfdietrich Meyer, Projektleiter am Fraunhofer IAP. Möglich macht es der 3D-Druck, der das bisherige Fräsen der Kammern ersetzen soll.

Da sich das herkömmliche Kammermaterial Teflon nicht drucken lässt, setzen die Experten vom Fraunhofer ILT dazu auf Photoharze. „Der 3D-Druck bietet nicht nur den Vorteil, die Form des Gewebes vorgeben zu können“, erklärt Andreas Hoffmann, Projektleiter am Fraunhofer ILT. „Wir haben auch Kammerdesigns entwickelt, durch die eine Gewebezüchtung möglichst komfortabel für Patientinnen und Patienten abläuft und die eine einfache Handhabung bei der Operation erlauben.“

Biokompatibel muss das Material sein

Die Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer IAP testen sowohl das Material an sich als auch die verschieden geformten Isolationskammern. Schließlich darf die Isolationskammer keine Abbauprodukte in den Körper des Patienten abgeben oder zu Abstoßungsreaktionen führen. Sie muss biokompatibel sein.

Ebenfalls wichtig: Wie haltbar ist das Material im menschlichen Organismus? Verändert es sich beispielsweise, wenn es auf Körpertemperatur gebracht wird? Die ersten Ergebnisse sehen vielversprechend aus. Was die gesamten Isolationskammern angeht, so stehen die mechanischen Eigenschaften im Vordergrund. Denn die Kammern werden mit dem umliegenden Gewebe vernäht oder an einer defektnahen Stelle unter die Haut implantiert. Hierbei dürfen sich für eine sichere Anwendung in der Kammer zum Beispiel keinerlei Risse ausbilden.

Gewebezüchtung braucht noch weitere Entwicklung, bevor es zur klinischen Anwendung kommt

Die Medizinerinnen und Mediziner an der BG Klinik Ludwigshafen wiederum untersuchen, ob das nachwachsende Gewebe auch komplex geformte Isolationskammern vollständig ausfüllen kann. „Wir möchten damit vor allem zeigen, dass wir in den 3D-gedruckten Kammern formbares Gewebe züchten können, das wiederum – wie ein Art Puzzleteil – einen komplexen Weichteildefekt vollständig verschließen kann“,erklärt Dr. med. Florian Falkner, Assistenzarzt für Plastische und Rekonstruktive Chirurgie an der BG Klinik Ludwigshafen. Zusätzlich werde die biomechanische Qualität des gezüchteten Gewebes genau untersucht.

Bis diese Form der Gewebezüchtung als routinemäßiges Verfahren reif für die klinische Anwendung ist, wird es allerdings noch ein paar Jahre an Entwicklung brauchen.


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