Bio3DPrinting erreicht große Fortschritte bei der Entwicklung menschlicher Gewebe

Bio3DPrinting wurde 2021 als Kooperation zwischen Industrie und Wissenschaft gegründet, um die Vermarktung der Electrospider-Technologie zu beschleunigen. Dieses Konzept ist erstmals 2010 aus Forschungsarbeiten hervorgegangen. Electrospider ist ein Bio-3D-Druckgerät, das lebende, dreidimensionale Gewebestrukturen generiert. Diese werden Schicht für Schicht aus einem digitalen Modell erstellt, ähnlich dem herkömmlichen 3D-Druck.

„Anstatt herkömmliche Materialien für den 3D-Druck zu verwenden, verwenden wir biologische Materialien wie Zellen und Biopolymere, die zum Teil als Biotinte oder Biomaterialtinte bezeichnet werden“, erklärt Aurora De Acutis, Geschäftsführerin von Bio3DPrinting und Forscherin an der Universität Pisa (Italien). „Derzeit werden diese Strukturen für die Arzneimittelentwicklung, für Tests neuer Medikamente und für personalisierte medizinische Behandlungen verwendet.“

Die Electrospider-Technologie für Bio-3D-Drucker von Bio3DPrinting stellt mithilfe eines einzigen Systems komplexe menschliche Gewebemodelle her. Dieser Durchbruch vereint mehrere Technologien des Biodruckverfahrens in einem kohärenten Arbeitsablauf, was einen großen Fortschritt in der Biofertigung darstellt, insbesondere in den Bereichen regenerative Medizin, Arzneimitteltests und Gewebetechnik.

Die Herausforderungen von Bio3DPrinting-Systemen

Die Reproduktion von menschlichem Gewebe außerhalb des Körpers (In-vitro-Verfahren) erfordert zunächst ein Gerüst, das die Umgebung der extrazellulären Matrix nachahmt, die im Körper vorliegt. Dieses Gerüst bietet physische und chemische Unterstützung für Zellen, einschließlich einer dreidimensionalen Struktur, die von Zellen besiedelt werden kann, wobei die Zellen sich anheften, vermehren und reifen können.

Menschliche Gewebe sind komplexe und aus mehreren Materialien zusammengesetzte Systeme, die in einer hierarchischen Struktur im Nano- und Mikrometerbereich organisiert sind. Diese präzise Organisation ist für die mechanische und biologische Funktion jedes Gewebes von entscheidender Bedeutung. „Die Nachbildung all dieser Aspekte ist bei der Entwicklung eines Gerüsts von grundlegender Bedeutung, damit es so gut wie möglich funktioniert“, erklärt De Acutis. „So können die Zellen, nachdem sie zusammen mit allen erforderlichen Biomaterialien gedruckt wurden, eine besiedelbare Umgebung vorfinden, die sich positiv auf ihre Adhäsion und Proliferation auswirkt.“

Ein Gerüst ist nicht nur ein physischer Rahmen, der dafür sorgt, dass Zellen an Ort und Stelle bleiben. Es handelt sich um eine sorgfältig entwickelte Umgebung, die aktiv Einfluss darauf nimmt, wie Zellen wachsen, sich bewegen, sich vermehren und reifen. So wie eine Brücke oder Maschine darauf ausgelegt sein muss, dass sie mit real wirkenden Kräften wie Gewicht, meteorologische Einflüsse und Verschleiß zurechtkommt, muss ein biologisch gedrucktes Gerüst so konstruiert sein, dass es die passenden mechanischen, chemischen und biologischen Bedingungen bereitstellt, um das Überleben, die Organisation und die Entwicklung von Zellen im Zeitverlauf zu unterstützen.

Einer der wichtigsten Beweggründe für die Entwicklung des Biodruckers Electrospider 3D war das Erfordernis eines zuverlässigen und wiederholbaren Bio-Druckvorgangs. De Acutis erinnert sich an den fragmentierten Prozess, der vor der Existenz des Electrospider an der Tagesordnung war: „Wir begannen mit der Fertigung des Gerüsts mithilfe eines Biodruckers, der ein Biomaterial mit einer bestimmten Auflösung verarbeiten kann. Anschließend wechselten wir zu einer anderen [Technologie], um Elemente aus einem anderen Biomaterial hinzuzufügen oder dasselbe Material mit einer anderen Auflösung zu verwenden.“ 

Dieser fragmentierte Workflow erforderte mehrere Übergänge zwischen Technologien und häufiges Eingreifen seitens des Menschen, was die Qualität des fertigen Konstrukts oftmals beeinträchtigt hat, insbesondere wenn das ausgegebene Erzeugnis für den Einsatz im menschlichen Körper vorgesehen war.

Die Einschränkungen, die dieser Ansatz mit sich bringt, führten zu der gewagten Idee, einen einzigen Biodrucker zu entwickeln, der in der Lage ist, mehrere Biomaterialien mit unterschiedlichen Auflösungen gleichzeitig zu verarbeiten, mit dem Ziel, eine echte multidimensionale und multilaterale Biofertigung zu erreichen. Durch die Optimierung des Prozesses werden Fehler minimiert sowie Konsistenz und Qualität deutlich verbessert.

„Für uns spielte das erweiterte SOLIDWORKS Portfolio in jedem Bereich eine entscheidende Rolle“, erklärt De Acutis. Bio3DPrinting arbeitet auch an der Integration künstlicher Intelligenz, um den Biodruckprozess in Echtzeit zu überwachen und zu steuern. Ziel ist es, sicherzustellen, dass jeder Schritt präzise durchgeführt wird, damit die endgültigen mittels Biodruck erzeugten Strukturen jene strengen Standards erfüllen, die für klinische Anwendungen erforderlich sind.

De Acutis schlussfolgert: „Es war erstaunlich darüber nachzudenken, dass ich allein durch Drucken Leben retten kann.“ Dieser Traum motiviert Bio3DPrinting, in diesem Bereich weiterzuarbeiten. Das Unternehmen hofft, dass Biodrucker zukünftig in zahlreichen Krankenhäusern und Kliniken eingerichtet werden. Es besteht die große Hoffnung, eines Tages vollständige Organe drucken zu können, um Menschenleben zu retten.