3D-Druck in der Medizin noch am Anfang

3D-Drucker mit menschlichem Organ
3D-Drucker mit menschlichem Organ: „Die Biofabrikation steckt als Forschungsfeld noch in den Kinderschuhen“. (Foto: © lucadp/fotolia.com)

Menschliche Haut, Knorpel oder Knochen aus dem Drucker: Neue 3D-Druck-Technologien ermöglichen bislang ungeahnte Möglichkeiten. Ein Wissenschaftler warnt dennoch vor übertriebenen Hoffnungen: Die Biofabrikation stecke als Forschungsfeld noch in den Kinderschuhen.

3D-Modelle von menschlichem Gewebe, Knochenersatz für Tumorpatienten, neue Knorpel für Arthrose-Geschädigte – das alles ist durch 3D-Druck-Technologien individuell anpassbar. Deshalb richten sich an die sogenannte Biofabrikation derzeit große Hoffnungen. Tatsächlich produzieren Spezialisten der regenerativen Medizin schon heute individualisierte Implantate und orthopädische Hilfsmittel.

Der Wissenschaftler Professor Jürgen Groll warnt jedoch: „Die Biofabrikation steckt als Forschungsfeld noch in den Kinderschuhen. Dem hohen Potenzial und ersten Erfolgen mit einfachen Strukturen stehen grundlegende Herausforderungen gegenüber“. Jürgen Groll ist Inhaber des Lehrstuhls für Funktionswerkstoffe der Medizin und der Zahnheilkunde der Universitätsklinik Würzburg. Zu den Herausforderungen gehört aus seiner Sicht beispielsweise die Tatsache, dass derzeit keine Methoden zur Charakterisierung der Strukturen sowohl direkt während des Drucks als auch während der Gewebereifung existieren.

In klassischen Verfahren der Gewebezüchtung werden 3D-Gerüste mit Zellen besiedelt, um daraus Ersatz für irreparabel geschädigtes Gewebe reifen zu lassen. Im Unterschied dazu liefert die sogenannte Biofabrikation mit Hilfe neuester 3D-Drucktechniken aus Zellen und Gerüstmaterialien Strukturen, die dem natürlichen Gewebe im Aufbau nachgeahmt sind. Dadurch soll eine schnellere und bessere Ausbildung von funktionalem, menschlichen Gewebe erreicht werden.

Kontrolle im laufenden Druckprozess

Gemeinsam mit Dr. Gereon Hüttmann vom Institut für Biomedizinische Optik der Universität Lübeck wird Professor Jürgen Groll in den kommenden zwei Jahren in dem Forschungsprojekt „Photon Control“ nach einem geeigneten Verfahren zur Qualitätskontrolle für künstliche Gewebeimplantate suchen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanziert das Projekt im Rahmen seiner Förderinitiative „Wissenschaftliche Vorprojekte“ mit rund 240.000 Euro.

„Die Qualitätskontrolle während des Druckprozesses bedeutet eine große Herausforderung“, erklärt Groll. Schließlich müssten diese Messungen zerstörungsfrei ablaufen und auf den Einsatz spezieller Marker verzichten. „Wir können beispielsweise keine chemischen Farbstoffe verwenden, da diese die Gewebereifung der gedruckten Konstrukte beeinflussen können“, so Groll.

Da die Druckzeiten bei der Biofabrikation zwischen wenigen Minuten bei sehr einfachen Konstrukten und teilweise Stunden liegen, und die Strukturen vergleichsweise groß sind, seien die Hauptanforderungen an die Messmethoden nicht kurze Messzeiten oder hohe Auflösung. Vielmehr gehe es darum, die relevanten chemischen, biochemischen und morphologischen Informationen zu erfassen. Wegen der teilweise langen Druckzeiten sei außerdem eine Charakterisierung bereits während des Druckens wünschenswert.

Mit zwei Techniken zum Erfolg

Zwei Techniken sind nach Ansicht der Wissenschaftler geeignet, diesen Anforderungskatalog zu erfüllen: die optische Kohärenztomographie (OCT) und die Raman-Spektroskopie (Raman). Beide Verfahren kommen ohne Farbstoffe als Marker aus und sind nicht invasiv, das heißt, sie schädigen das Gewebe nicht. In ihren Eigenschaften ergänzen sie sich gut: OCT ermöglicht eine strukturelle Bildgebung in Echtzeit und kann mechanische Eigenschaften quantitativ messen; Raman liefert molekulare Informationen zur chemischen und biochemischen Charakterisierung dreidimensionaler Gewebestrukturen.

Systemlösung aus optischen Messverfahren

Ziel des Photon Control-Forschungsprojekts ist „die grundlegende Erforschung der Kombination der optischen Verfahren OCT und Raman zur Inprozesskontrolle beim 3D-Druck von Gewebemodellen und Gewebeimplantaten“, erläutert Groll. Dafür werden die beteiligten Forscher die von ihnen 3D-gedruckten Thermoplaste und Hydrogele zunächst mit klassischen Methoden und anschließend mittels OCT und Raman untersuchen.

Die Ergebnisse dieser Arbeit könnten in ein thematisch weiterführendes Verbundprojekt münden, in dessen Mittelpunkt die Umsetzung in eine Systemlösung aus optischen Messverfahren wie OCT und Raman und 3D-Drucktechnologie steht. Damit soll es möglich sein, Druckprozesse zu steuern, zu regeln und überwachen sowie die lebenden Zellen in diesen Produkten zu kontrollieren.