3D-Bioprinter druckt Gewebe in situ

Unter Bioprinting versteht man den Einsatz von 3D-Drucktechniken zur Herstellung von Geweben aus Biomaterialien. Es wird hauptsächlich zur Herstellung von menschlichem Gewebe für Forschungszwecke und für In-vitro-Arzneimitteltests verwendet. Wenn es zur Herstellung eines Körperteils verwendet wird, das einem Patienten implantiert werden soll, muss das Teil zunächst mit einem Desktop-Biodrucker ausgedruckt werden. Anschließend ist in der Regel ein großer chirurgischer Eingriff auf freiem Feld erforderlich, um es zu platzieren. Neben dem Infektionsrisiko und einer langen Genesungszeit ist auch eine Diskrepanz zwischen dem gedruckten Teil und dem inneren Zielgewebe, an dem es befestigt wird, sowie Probleme aufgrund von Kontamination und Handhabung möglich.

Um diese Herausforderungen zu meistern, haben Forscher der University of New South Wales Sydney in Australien einen weichen Miniatur-Roboterarm und einen flexiblen Druckkopf entwickelt und diese in einen langen röhrenförmigen Katheter integriert, der den flexiblen Druckerkörper bildet. Sowohl der Arm als auch der Druckkopf verfügen über drei Freiheitsgrade (DoFs).

„Unser flexibler 3D-Biodrucker mit der Bezeichnung F3DB kann Biomaterialien mit einem minimalinvasiven Ansatz direkt auf das Zielgewebe oder die Zielorgane auftragen“, sagt Thanh Nho Do, Dozent an der Graduate School of Biomedical Engineering der UNSW, der zusammen mit seinem Ph.D. Die Studentin Mai Thanh Thai leitete das Forschungsteam.

F3DB hat nicht nur das Potenzial, beschädigte Körperteile direkt zu rekonstruieren, sondern „kann auch als endoskopisches All-in-One-Chirurgiewerkzeug verwendet werden, wobei die Düse die Rolle eines chirurgischen Messers übernimmt“, fügt Do hinzu. „Dadurch würde die Notwendigkeit vermieden, unterschiedliche Werkzeuge zum Reinigen, Markieren und Einschneiden zu verwenden, die heute bei längeren Eingriffen wie der Entfernung eines Tumors verwendet werden.“

Der Prototyp eines flexiblen 3D-Biodruckers kann auch als universelles endoskopisches chirurgisches Werkzeug dienen. Quelle: UNSW Sydneyyoutu.be

Obwohl das In-situ-Bioprinting bereits seit einem Jahrzehnt untersucht wird, „war das Bioprinting auf inneren Organen aufgrund verschiedener Schwierigkeiten begrenzt“, kommentiert Ibrahim Ozbolat, Professor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik an der Pennyslvania State University, die im Februar veröffentlichten Forschungsdetails Fortgeschrittene Wissenschaft. „Dieses mobile All-in-One-Endoskop-Bioprinting-Gerät ist neu“, sagt er und könnte „bestehende Techniken weiterentwickeln, indem es Echtzeitbeobachtungen, Schnitte und Bioprinting auf inneren Organen ermöglicht.“

Das Gerät hat einen ähnlichen Durchmesser wie ein Endoskop (ca. 11 bis 13 Millimeter) und ist klein genug, um durch den Mund oder Anus in den Körper eingeführt zu werden. Der weiche Roboterarm wird durch drei Balgaktuatoren aus weichem Stoff betätigt, die durch ein Hydrauliksystem gesteuert werden, das aus Spritzen besteht, die von Gleichstrommotoren angetrieben werden und Wasser zu den Aktuatoren pumpen. Ein flexibler Druckkopf, bestehend aus weichen hydraulischen künstlichen Muskeln, ermöglicht es der Druckdüse, sich wie bei einem herkömmlichen Desktop-3D-Drucker in drei Richtungen zu bewegen. Die Gesamtsteuerung erfolgt durch ein Master-Slave-Setup, das ein kommerzielles haptisches System verwendet, um Handbewegungen des Masters zu übertragen.

Beim Erreichen des Ziels werden Arm und Druckkopf von einem automatisierten Algorithmus gesteuert, der auf inverser Kinematik basiert, einem mathematischen Prozess, der die Bewegungen bestimmt, die erforderlich sind, um die Biomaterialien auf die Oberfläche eines inneren Organs oder Gewebes zu bringen. Der Druck wird durch eine angeschlossene flexible Miniaturkamera überwacht.

Um das Gerät zu testen, verwendeten die Forscher zunächst verschiedene Nichtbiomaterialien wie flüssiges Silikon und Schokolade, um im Labor verschiedene mehrschichtige 3D-Muster zu drucken. In weiteren Experimenten druckten sie verschiedene Formen mit nicht lebenden Materialien auf die Oberfläche einer Schweineniere. Später druckten die Forscher in situ lebende Biomaterialien auf eine Glasoberfläche in einem künstlichen Dickdarm.

„Wir sahen, wie die Zellen jeden Tag wuchsen und am siebten Tag, dem letzten Tag des Experiments, um das Vierfache zunahmen“, sagt Do.

Um das Gerät als Allzweckwerkzeug für die endoskopische Chirurgie zu testen, führten die Forscher verschiedene Funktionen aus, etwa das Waschen, Markieren und Präparieren des Darms eines Schweins. „Die Ergebnisse zeigen, dass der F3DB großes Potenzial hat, sich zu einem All-in-One-Endoskopiewerkzeug für endoskopische Submukosa-Dissektionsverfahren zu entwickeln“, sagt Do.

Weitere Verbesserungen sind erforderlich, einschließlich der Einbeziehung weiterer Parameter in das kinematische Modell, das den Druck steuert, und der Hinzufügung weiterer Kameras zur besseren Überwachung des Drucks. „Dann werden wir damit beginnen, das Gerät an Tieren und schließlich auch an Menschen zu testen“, sagt Do. „Wir hoffen, das Gerät in den nächsten fünf bis sieben Jahren in Krankenhäusern im Einsatz zu sehen.“

Das Gerät „hat großes Erfolgspotenzial“, stimmt Ozbolat zu. „Zuerst müssen jedoch die Sicherheit überprüft und weitere Verbesserungen durchgeführt werden.“ Er weist darauf hin, dass endoskopische 3D-Roboterarme bereits klinisch eingesetzt werden. Vorausgesetzt, dass die Machbarkeit und Sicherheit des Geräts in Zukunft nachgewiesen wird, „kann die Kommerzialisierung nur eine Frage der Zeit sein.“