Minimalinvasiver Biodrucker
Das MIRACLE-II-Team an der Universität Basel hat sich der minimalinvasiven Medizin verschrieben. Nun haben die Forschenden auch erste Schritte in der Entwicklung eines Biodruckers unternommen, mit dem sich dereinst vielleicht künstliches Gewebe direkt in die Operationsstelle drucken lässt.
Bioprinting gilt als eine Technologie der Zukunft. Die Idee ist es, mittels biologischer Substanzen – sogenannter Biotinten – dreidimensionale Strukturen zu drucken, welche echte Gewebe imitieren. Bereits heute werden einfach aufgebaute Gewebe wie Muskel, Knorpel oder Haut auf diese Weise gedruckt und zum Beispiel für Medikamententests verwendet. Auch bei medizinischen Eingriffen könnte Bioprinting sich dereinst als nützlich erweisen: zum Beispiel, indem nach einer Operation neues Gewebe in die Wunde gebracht wird.
Besonders interessant wären Gewebedrucker, mit denen sich minimalinvasiv arbeiten lässt. Denn immer öfter führen Ärztinnen und Ärzte Eingriffe minimalinvasiv durch, um keine umliegenden, gesunden Gewebe zu schädigen. Das MIRACLE-II-Team an der Universität Basel etwa entwickelt, unterstützt von der Werner Siemens-Stiftung, ein robotergesteuertes Lasersystem, mit dem sich künftig Knochenoperationen minimalinvasiv durchführen lassen.
Die Konsistenz ist der Schlüssel
Nun haben die Forschenden einen ersten Schritt unternommen, um auch einen minimalinvasiven Biodrucker zu konstruieren. Sie bauten eine experimentelle Bioprinting-Plattform, um zu untersuchen, welche Faktoren das Druckverhalten einer Biotinte auf welche Weise beeinflussen. Das Projekt sei im Rahmen einer Masterarbeit entstanden, erzählt Projektleiter und Robotikspezialist Georg Rauter vom BIROMED-Lab der Uni Basel. Der Fokus lag auf dem Knorpelersatz im Kniegelenk – wie ihn zum Beispiel für Patienten mit einer Arthrose benötigen.
In dieser regenerativen Knorpelmedizin würden sogenannte Hydrogele als Druckmaterialien benutzt, erklärt Georg Rauter. Die Forschenden benutzten für ihre Versuche ein solches Hydrogel namens Gelatine-Methacryolyl. Sie erwärmten dieses Material unterschiedlich stark und testeten, wie es sich beim Druck durch Schläuche und Düsen unterschiedlichen Durchmessers verhielt. «Der Kern des Erfolges ist es, die richtige Konsistenz des Hydrogels zu finden, damit sich ein kontinuierlicher, reproduzierbarer Materialfluss ergibt», sagt Georg Rauter.
Die kürzlich im Fachmagazin «at – Automatisierungstechnik» publizierten Ergebnisse zeigten, dass es möglich ist, mit der entwickelten Plattform ein Filament zu formen und damit dreidimensionale Strukturen zu drucken. Das Prinzip, Hydrogele über einen dünnen Schlauch in den Körper zu injizieren, ist also aussichtsreich. Allerdings liegt noch eine Menge Arbeit vor den Forschenden. Denn in der vorliegenden Arbeit haben sie beispielsweise noch keine Methoden integriert, um das gedruckte Hydrogel zu härten und zu stabilisieren.
Knifflige Verhärtung
«Je nach gewähltem Druckmaterial wird dieses sogenannte Linking auf unterschiedliche Weise erreicht», sagt Georg Rauter. Hydrogele werden beispielsweise oft mit ganz bestimmten Molekülen versetzt. Nach dem Druck können diese durch Licht- oder Wärmeeinwirkung so verändert werden, dass sie die Hydrogel-Schichten versteifen und miteinander vernetzen. Dafür die richtigen Moleküle in der richtigen Art und Menge beizugeben und richtig anzuregen, ist laut Rauter eine der grössten Herausforderungen bei dem gewählten Vorgehen.
Eine andere ist es, die richtige, druckfähige Konsistenz des Hydrogels auch im Ernstfall kontrollieren zu können. Denn je nach Ort des Eingriffes muss die Biotinte durch einen kürzeren oder längeren Schlauch in den Körper geführt werden. Sie dabei zu erwärmen oder auf einer bestimmten Temperatur zu halten, kann schwierig sein, da im Körper kaum Platz besteht, um den Schlauch zu ummanteln oder ihn sonstwie mit Wärme zu versorgen.
Als nächsten Schritt wird Georg Rauter gemeinsam mit Florian Thieringer, Professor und Chefarzt für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie und Leiter des 3D-Druck-Labors am Universitätsspital Basel, eine Doktorarbeit ausschreiben, mit der die Arbeit am minimalinvasiven Biodrucker fortgesetzt wird. Bislang sei leider der Versuch gescheitert, vom Schweizerischen Nationalfonds SNF eine Förderung für ein grösseres Forschungsprojekt zu erhalten, sagt Rauter. «Momentan arbeiten wir hier auf kleiner Flamme, ohne die nötige Forschungsunterstützung. Aber wir sehen in der Methode in riesiges Potenzial.» Eines, das irgendwann auch bei minimalinvasiven Knochenoperationen des MIRACLE-II-Projektes zur Anwendung kommen könnte.
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