Wissenschaftler haben die Technologie für das Drucken von Geweben und Organen verfeinert und können auch unterschiedliche Gewebe produzieren. In Zusammenarbeit mit der Industrie soll das Verfahren weiterentwickelt werden.
Die jüngsten Skandale haben das Problem verschlimmert: Laut der Deutschen Stiftung für Organtransplantation (DSO) ging die Zahl der Organspender im ersten Halbjahr 2013 um über 18 % im Vergleich zum Vorjahreszeitraum zurück. Gleichzeitig darf man davon ausgehen, dass die Nachfrage nach Ersatz für erkrankte oder geschädigte Organe und Gewebe in den nächsten Jahren kontinuierlich steigt. Denn die Menschen werden immer älter, und die Transplantationsmedizin macht Fortschritte.
Indem man Zellen, Gewebe oder Organe ersetzt, können schon heute viele schwerwiegende Krankheiten geheilt werden. Politik, Industrie und Forschung arbeiten deshalb seit geraumer Zeit intensiv daran, Methoden und Verfahren zu verbessern, mit deren Hilfe sich Gewebe künstlich herstellen lassen. So soll die Versorgungslücke geschlossen werden.
Dabei könnte eine Technologie eine entscheidende Rolle spielen, die aus dem Büroalltag bekannt ist, die die meisten jedoch nicht mit der Produktion künstlicher Organe in Verbindung bringen: der Tintenstrahldruck. Wissenschaftlern des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB aus Stuttgart ist es gelungen, für diese Drucktechnik geeignete Biotinten zu entwickeln.
Die durchsichtigen Flüssigkeiten bestehen aus tierischem Material und lebenden Zellen. Die Basis bildet eine Substanz, die aus natürlichen Geweben gewonnen wird: Gelatine. Sie ist ein Abbauprodukt der Kollagene, die den Hauptbestandteil der Matrix natürlicher Gewebe bilden. Um die Biomoleküle fit für den Druck zu machen, haben die Forscher deren Gelierverhalten chemisch angepasst. Während des Drucks bleiben die Biotinten flüssig und somit druckbar. Werden sie danach mit UV-Licht bestrahlt, vernetzen sie zu Hydrogelen. Das sind Polymere, die Wasser enthalten, sich aber weder unter Wärmeeinfluss noch in Wasser auflösen.
Die chemische Modifizierung der Biomoleküle können die Forscher so steuern, dass die resultierenden Gele unterschiedliche Festigkeiten und Quellbarkeiten besitzen. Damit lassen sich die Eigenschaften von natürlichen Geweben nachbilden – von festem Knorpel- bis hin zu weichem Fettgewebe.
Auch aus künstlichen Ausgangsmaterialien lassen sich mit den Druckern der Stuttgarter Forscher Gele produzieren, die als Ersatz für die extrazelluläre Matrix dienen können. Zum Beispiel haben sie ein System entwickelt, das ohne die Ausbildung von Nebenprodukten zu einem Hydrogel vernetzt und direkt mit echten Zellen besiedelt werden kann. „Aktuell konzentrieren wir uns aber auf die ’natürliche‘ Variante’“, sagt IGB-Mitarbeiterin Dr. Kirsten Borchers. „Wir bleiben damit sehr nah am Original.“ Auch wenn das Potenzial künstlich hergestellter Biotinten groß sei, gebe es erst noch einiges über die Wechselwirkungen zwischen den Kunststoffen und dem natürlichen Gewebematerial zu lernen. „Unsere Variante dagegen gibt den Zellen ihre natürliche Umgebung und kann so direkt die Selbstorganisation der gedruckten Zellen zu einem funktionalen Gewebemodell fördern.“
Die Drucker in den Stuttgarter Laboren haben viel gemeinsam mit herkömmlichen Bürodruckern: Tintenreservoir, Düsen – alles wie gehabt. Erst beim genaueren Hinsehen entdeckt man die Unterschiede. Zum Beispiel eine kleine Heizung am Tintenbehälter, mit der die passende Temperatur der Biotinte eingestellt wird. Auch die Anzahl der Düsen und der Tanks ist noch geringer als beim Büro-Pendant. „Zusammen mit anderen Fraunhofer-Instituten und der Industrie wollen wir deren Zahl erhöhen, um gleichzeitig verschiedene Tinten mit unterschiedlichen Zellen und Matrices auszudrucken. So nähern wir uns der Herstellung komplexerer Strukturen und unterschiedlicher Gewebe“, erklärt Borchers.
Die größte Herausforderung ist es derzeit, vaskularisiertes Gewebe zu produzieren. Dabei handelt es sich um Gewebe, das über ein eigenes Blutgefäßsystem verfügt und darüber mit Nährstoffen versorgt werden kann. Daran arbeitet das IGB zusammen mit anderen Partnern in dem von der Europäischen Union geförderten Projekt „ArtiVasc 3D“.
Im Mittelpunkt steht hier eine Technologie, mit der es möglich ist, feine Blutgefäßmodelle aus synthetischen Materialien zu produzieren und damit erstmals künstliche Haut mit dem darunterliegenden Fettgewebe zu erzeugen. „Um zukünftig ganze Organe drucken zu können, ist dieser Schritt sehr wichtig. Erst wenn es uns gelingt, Gewebe zu produzieren, die durch ein Blutgefäßsystem versorgt werden können, ist der Druck von größeren Gewebestrukturen möglich“, schließt Borchers.
Britta Widmann Fraunhofer-Gesellschaft, München
Ihr Stichwort
- Tintenstrahl-Drucker-Prinzip für Zellsuspension
- Gelatine als Basis
- Variation der Viskosität
- Zusammenarbeit mit der Industrie
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