Unterschiedliche Gewebe einfach ausdrucken

Labor statt Büro: Forscher drucken mit Hilfe von Tintenstrahldruckern Zellsuspensionen auf rosa schi Quelle: © Fraunhofer IGB (idw)

Was sich wie Zukunftsmusik anhört, wird bereits seit einigen Jahren erforscht: Gewebe und Organe einfach auszudrucken. Jetzt haben Wissenschaftler die Technologie weiter verfeinert und sind in der Lage unterschiedliche Gewebe zu produzieren.

Die jüngsten Skandale haben das Problem noch verschlimmert: Laut der Deutschen Stiftung für Organtransplantation (DSO) ging die Zahl der Organspender im ersten Halbjahr 2013 um über 18 Prozent im Vergleich zum Vorjahreszeitraum zurück. Gleichzeitig darf man davon ausgehen, dass die Nachfrage in den nächsten Jahren kontinuierlich steigt: Denn wir werden immer älter und die Transplantationsmedizin macht immer mehr Fortschritte. Indem man Zellen, Gewebe oder Organe ersetzt, können schon heute viele schwerwiegende Krankheiten geheilt werden. Politik, Industrie und Forschung arbeiten deshalb schon seit geraumer Zeit intensiv daran, Methoden und Verfahren zu verbessern, mit deren Hilfe sich Gewebe künstlich herstellen lassen. So soll die Versorgungslücke geschlossen werden.

Biotinte aus lebenden Zellen

Dabei könnte eine Technologie eine entscheidende Rolle übernehmen, die wir alle aus dem Büro kennen und die meisten von uns zunächst wohl 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. Wir bleiben damit sehr nah am Original. Auch wenn das Potenzial von künstlich hergestellten Biotinten groß ist, müssen wir erst noch einiges über die Wechselwirkungen zwischen den Kunststoffen und dem natürlichen Gewebematerial lernen. Unsere Variante dagegen gibt den Zellen ihre natürliche Umgebung und kann so direkt die Selbstorganisation der gedruckten Zellen zu einem funktionalen Gewebemodell fördern«, schildert Dr. Kirsten Borchers den Ansatz am IGB.

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 die 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. Sie zeigt die IGB-Technologie auf der »Biotechnica« von 8. bis 10. Oktober 2013 in Hannover (Halle 9, Stand E09).

Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft (idw)