"Zellen sind Mimosen" – Materialentwicklung für das Bioprinting

Der große Traum des Bioprinting ist, irgendwann einmal ganze Organe drucken zu können. Bislang beschränkt sich der Einsatz vor allem auf Testsysteme wie Organs-on-a-chip. Denn die Herausforderungen fangen bereits beim Druckprozess an. Es braucht zunächst einmal geeignete Materialien, damit die Zellen den Druckvorgang unbeschadet überstehen. Am Fraunhofer IGB wird genau daran geforscht.

Im Interview mit MEDICA.de spricht Dr. Achim Weber über die Schwierigkeiten beim Druck von Zellen, die bisherigen Möglichkeiten des Bioprinting und darüber, warum es noch ein weiter Weg ist, bis gedrucktes Gewebe regulär im menschlichen Körper eingesetzt werden kann.

Herr Dr. Weber, was sind die Herausforderungen beim Drucken mit Zellen?

Dr. Achim Weber: Zellen sind Mimosen. Sie lieben ihre natürliche Umgebung. Das schränkt uns bei der Materialauswahl für den Druckprozess natürlich sehr ein. Wir dürfen nicht bei zu hohen Temperaturen drucken, weil die beim Bioprinting normalerweise genutzten Zellen dann absterben. Für viele Zellen muss ein physiologischer pH-Wert eingehalten werden. Wir müssen die Wechselwirkung der Zellen mit anderen Materialien, die nachher bei der Qualitätskontrolle verwendet werden, sehr genau beobachten. So ist die Oberfläche, auf die gedruckt wird, immer von Bedeutung. Außerdem spielen die Scherkräfte eine Rolle. Denn wenn die Zellen beim Bioprinting aus der Düse herauskommen, erfahren sie eine sehr hohe Beschleunigung und es wirken Scherkräfte. Das überleben nicht alle Zellen. Indem man die Druckgeschwindigkeit oder die Scherkräfte vermindert, können die Zellen geschützt werden. Allerdings ist langsames Drucken nicht immer von Vorteil, weil sich dann, während des Druckprozesses, gegebenenfalls die Zusammensetzung der Tinte ändert. Wir benötigen daher ein Material, das als Beigabe beim Drucken die Zellen schützt, sodass weniger Zellen absterben. Ganz ohne Schaden oder Verlust gelingt es normalerweise aber nicht.

Welches Material eignet sich dafür? Und wie sehen die Anwendungsbereiche dafür aus?

Weber: Wir haben uns speziell Gelatine angeschaut. Als Biomaterial kann es die Zellen beim Druckvorgang schützen. Vor einigen Jahren haben wir uns mit Ersatzmaterial für Knorpel beschäftigt. Im Knorpel gibt es nur einen Zelltyp – die Chondrozyten – und ansonsten ist die Zusammensetzung vom Knorpel relativ unkompliziert. Im Gegensatz dazu ist man bei ganzen Organen viel intensiver mit deren Versorgung mit Blutgefäßen oder Nerven beschäftigt. Das haben wir beim Knorpel nicht. Für das Bioprinting von Chondrozyten haben wir die Gelatine chemisch modifiziert, sodass sie fließfähig und damit druckbar wird. So konnten wir sie zusammen mit den Chondrozyten und anderen Begleitstoffen aus dem Knorpel drucken. Damit wir das Gelatinegerüst auch vernetzen können, haben wir Acrylgruppen in die Gelatine eingeführt. Wenn man die flüssige Struktur belichtet, wird sie schließlich fest. Gibt man Hydroxylapatit mit zu der Formulierung der Tinte, wird diese fester, sodass wir knochenähnliche Strukturen erreichen können.

Außerdem haben wir Material adaptiert und eine Drucktintenformulierung entwickelt, um Fettgewebe drucken zu können. Zudem startet Anfang 2021 ein EU-Projekt, an dem unter anderem auch der FC Barcelona und die Firma Naturin Viscofan beteiligt sind und in dem es um die Regeneration von verletzten Bändern und Sehnen geht. Unser Ziel ist die Entwicklung eines Materials, um die Festigkeit von Bändern und Sehnen mittels 3D-Druck zu erreichen.

Wohin entwickelt sich das Bioprinting? Was könnte zukünftig damit möglich sein?

Weber: Wir lernen immer mehr über die Wechselwirkung von unterschiedlichen Materialien mit lebenden Zellen. In Zukunft werden wir wahrscheinlich immer komplexere Strukturen und feinere Auflösungen – das heißt, mit immer mehr Zelltypen – drucken können. Es gibt ein sogenanntes 4D-Printing, bei dem der gesamte Lebenszyklus der Zellen berücksichtigt wird. Zellen benötigen am Anfang ihres Lebenszyklus andere Stoffe als in der Mitte oder am Ende. Israelischen Forschern ist es bereits gelungen, ein kleines schlagendes Herz aus menschlichem Gewebe zu drucken. Aber tatsächlich komplexe, mit Nerven und Blutgefäßen versorgte Systeme drucken zu können – das wird noch dauern.

Woran liegt es, dass im Bioprinting hergestellte Strukturen bisher mehr für Testsysteme und weniger als Gewebeersatz eingesetzt werden?

Weber: Man muss sich immer vor Augen führen: Wenn man Materialien in den Körper bringen möchte, müssen diese mindestens die Anforderungen des Medizinproduktegesetzes erfüllen. Es gibt bislang allerdings keine Regularien für Produkte, die mittels 3D-Druck (oder Bioprinting) hergestellt wurden. Welche Versuche wurden gemacht, um zu gewährleisten, dass es funktioniert? Das ist dann immer sehr individuell und abgestimmt auf eine Person. Wie stellt man sicher, dass beim Druck nichts schiefgelaufen ist, bevor man das gedruckte Gewebe in den Körper einsetzt? Würde man dieses untersuchen, zerstört man gegebenenfalls das Konstrukt oder verändert es so, dass es nachher nicht mehr funktioniert. Wer trägt am Ende die Verantwortung? Da sind sowohl auf der regulatorischen als auch auf der analytischen Seite noch einige Schritte zu machen.