Bioprinter

Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher am 13. November 2016
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Bioprinter sind eine besondere Art von 3D-Druckern. Auf der Grundlage von computergesteuertem Tissue Engineering können sie Gewebe oder Bioarrays herstellen. In der Zukunft soll es mit ihrer Hilfe möglich sein, Organe und künstliche Lebewesen zu produzieren.

Inhaltsverzeichnis

Was ist ein Bioprinter?

Bioprinter sind technische Geräte zum dreidimensionalen Drucken von biologischen Geweben und Organen durch die Übertragung in lebende Zellen. Dieser Bereich des 3D-Druckens befindet sich noch in einem experimentellen Stadium und wird vor allem in wissenschaftlichen Studien in Hochschulen untersucht. Ziel ist es, die Möglichkeit zu schaffen, funktionales Ersatzgewebe und Organe herzustellen, die in der medizinischen Behandlung eingesetzt werden können.

Das Tätigkeitswort zum Bioprinter wird als Bioprinting bezeichnet. Das Bioprinting beginnt mit der grundlegenden Zusammensetzung des Zielgewebes oder Zielorgans. Der Bioprinter wird ausschließlich in einer Laborumgebung verwendet. Der spezielle 3D-Drucker lagert und formt über einen Druckkopf dünne Schichten von Zellen als Ergebnis. Dazu bewegt sich der Kopf des Bioprinters nach links, rechts, oben oder unten.

Bioprinter verwenden Bio-Tinte oder Bioprozess-Protokolle, um organische Materialien zu bauen. Es handelt sich dabei um Biopolymere mit Zellen von Lebewesen und um Hydrogel mit einem Anteil von bis zu 90 % Wasser. Die Fließeigenschaft muss exakt berechnet sein. Zum einen muss die Masse flüssig genug sein, damit die Kanülen der Spritzen nicht verstopfen zum anderen muss sie ausreichend fest sein, damit die Struuktur des Zieles haltbar ist.

Andere Verwendungen für das Bioprinting umfassen Transplantationen, die chirurgische Therapie, Tissue Engineering und die rekonstruktive Chirurgie.

Formen, Arten & Typen

Momentan werden Bioprinter im kommerziellen Bereich nur sehr vereinzelt eingesetzt. Da sich das Bioprinting in der Entwicklungsphase befindet, sind ausgereifte Arten bzw. Typen von Bioprintern derzeit nicht verifiziert. Grundsätzlich kann aber jeder 3D-Drucker für das Bioprinting eingesetzt werden. Dazu muss das üblicherweise verwendete PVC-Pulver durch entsprechende Zellen ersetzt werden. Es werden zudem Verfahren getestet, mit denen es möglich ist, Bioprinter aus normalen Tintenstrahldruckern zu entwickeln.

Hohe Anforderungen sind an die Biotinte zu stellen. Zum Beispiel muss jeder Stoff, der für klinische Zwecke eingesetzt werden soll, strengen internationalen Vorgaben entsprechen. Vor der Anwendung im Bioprinting müssen solche Stoffe jahrelangen Tests unterzogen werden.

Aufbau & Funktionsweise

Bioprinter sind eine besondere Art von 3D-Druckern.

Die Funktionsweise eines Bioprinters ähnelt stark dem Funktionsprinzip eines gewöhnlichen 3D-Druckers. Mittels eines Extruders werden Formen aufgebaut. Dabei wird allerdings kein PVC-Pulver verwendet, wie es bei herkömmlichen 3D-Printern der Fall ist, sondern ein polymeres Gel, in der Regel auf der Basis von Alginat.

Derzeitige Bioprinter, die vereinzelt in der Praxis eingesetzt werden, produzieren Tröpfchen, in denen jeweils zwischen 10.000 und 30.000 einzelne Zellen enthalten sind. Die Organisation dieser Einzelzellen soll, auf der Basis entsprechender Wachstumsfaktoren, zu funktionsfähigen Gewebestrukturen zusammenfinden.

Bioprinter benötigen für einen exakten Druck eine Temperaturregelung. Derzeitige Biodrucker sind räumlich sehr groß und können mehrere Meter in Breite, Länge und Höhe betragen. Über einen Computer, der sich in der Regel außerhalb des Druckers befindet, werden die Kolben der Spritzen angesteuert. Die Basis dafür sind die digital vorliegenden Daten eines 3D-Modells. Die Biotinte wird aus den bis zu acht Spritzdüsen gedrückt und auf einer Plattform die beabsichtigte Struktur aufgebaut.

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Medizinischer & gesundheitlicher Nutzen

Grundsätzlich sollen Bioprinter in der Zukunft insbesondere in drei Bereichen zum Einsatz kommen: in der Medizin, der Lebensmittelindustrie und in der synthetischen Biologie. In der Medizin ist ein Einsatz der Bioprinter in den Teilgebieten chirurgische Therapie, rekonstruierende Chirurgie, Organspende und Transplantationen denkbar und vorgesehen. Insbesondere bei Organen durch Bioprinter ist ein großer Vorteil offensichtlich: die exakte Abstimmung auf den für die Transplantation vorgesehenen Körper. Auf diese Weise kann die derzeit noch erforderliche Suche nach einem geeigneten und auf den aufnehmenden Körper passenden Spenderorgan eingestellt werden.

Bei der rekonstruktiven Chirurgie erwartet man eine Vereinfachung und Verbesserung. Hier sind Vorgehensweisen denkbar, in denen dem Patienten aus verschiedenen Teilen des Körpers - wie zum Beispiel Ohren, Finger und Knie - Zellen entnommen werden. Diese Zellen werden in einem Labor vermehrt. Anschließend wird Biopolymer zugesetzt. Aus einer solchen Suspension kann der Bioprinter, theoretisch, ein Transplantat aufbauen. Dieses wird dem Patienten eingesetzt. Körpereigene Zellen bauen dann mit der Zeit das Biopolymer ab. Der Vorteil könnte insbesondere darin liegen, dass das Transplantat vom Körper nicht abgestoßen wird. Weiterhin könnte ein solches Transplantat mit dem Körper mitwachsen. Ursache für diese positive Eigenschaft ist, dass das Implantat mit der Wachstumssteuerung des Patienten verbunden ist.

Das Forschungsfeld zum Einsatz von Biodruckern in der Medizin wächst stetig weiter. Momentan ist die Herstellung von Transplantaten aus Knorpel, wie eine Nase, sehr gut vorstellbar. Kritischer gesehen wird die Produktion von Körperorganen. Insbesondere die zur Versorgung der Organe erforderliche Anzahl von Kapillaren ist momentan nicht in der erforderlichen Genauigkeit vorstellbar. Ein weiteres Problem kann dadurch entstehen, dass bei solch komplexen Gebilden wie Körperorganen unterschiedliche Zellen aufeinander abgestimmt sein und miteinander kommunizieren müssen, um verschiedene Funktionen erfüllen zu können.

Bioprinter können auch zur Herstellung von Fleisch in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden. Erste Unternehmen haben - nach eigenen Angaben - bereits erfolgreich solche Produkte gedruckt. Diese sollen sowohl schmackhaft als auch weniger aufwändig als Schlachtungen sein. Allerdings wird derzeit kein durch Bioprinting gedrucktes Fleisch im Handel angeboten.

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