Projekt "Bio Rap"

Forscher arbeiten an Blutgefäßen aus 3D-Drucker

(Bild: Fraunhofer IGB)

Gewebe und Organe im Labor zu züchten, davon träumen Forscher aus aller Welt schon lange. Fünf Fraunhofer-Instituten ist es im Rahmen eines gemeinsamen Projektes namens "Bio Rap" jetzt erstmals gelungen, mit neuartigen Verfahren künstliche Blutgefäße, die künftig künstliches Gewebe mit Nährstoffen versorgen könnten, herzustellen – mithilfe von speziellen 3D-Druckern.

Mithilfe von Tissue Engineering kann man zwar inzwischen künstliches Gewebe aufbauen, an größeren Organen ist die Wissenschaft aber bisher gescheitert. Weil das nötige Gefäßsystem fehlte, ist es Forschern bis dato nicht gelungen, künstliches Gewebe mit Nährstoffen zu versorgen.

Es schien unmöglich, solch kleine und komplexe Strukturen wie Kapillargefäße (im Bild ein Polymerröhrchen, aus dem ein künstliches Blutgefäß werden kann, das mit Zellmedium gespült wird) zu bauen. Besonders Verzweigungen und Hohlräume machten den Forschern zu schaffen. Hilfe kam schließlich aus der Produktionstechnik: Mittels Rapid Prototyping lassen sich Werkstücke direkt nach einem beliebig komplexen 3D-Modell aufbauen.

Zwei Verfahren kombiniert
Nun ist es den Fraunhofer Wissenschaftlern gelungen, diese Technik auch auf elastische Biomaterialien zu übertragen. Dazu kombinierten sie zwei verschiedene Verfahren: die im Rapid Prototyping etablierte 3D-Drucktechnik und die in der Polymer-Wissenschaft entwickelte sogenannte Multiphotonen-Polymerisation.

Der 3D-Inkjet-Drucker kann sehr schnell dreidimensionale Körper aus den verschiedensten Materialien erzeugen. Er trägt das Material in Schichten auf, nur an bestimmten Stellen werden diese Lagen chemisch verbunden. Mittels kurzer, intensiver Laserpulse werden dabei die Moleküle so stark angeregt, dass diese miteinander reagieren und sich zu längeren Ketten verbinden. Das Material polymerisiert und wird fest, bleibt aber so elastisch wie natürliche Materialien. Diese Reaktion lässt sich derart gezielt steuern, dass der Aufbau von feinsten Strukturen nach einem dreidimensionalen Bauplan möglich ist.

Aus Tinte werden Röhrchen
Zur erfolgreichen Herstellung dreidimensionaler elastischer Körper braucht es noch das richtige Material. Deshalb haben die Forscher spezielle Tinten entwickelt, denn die Drucktechnik fordert sehr spezifische Eigenschaften: Die späteren Blutgefäße müssen flexibel und elastisch sein und mit dem natürlichen Gewebe interagieren.

Dafür werden die synthetischen Röhrchen nachträglich "biofunktionalisiert", sodass lebende Körperzellen an ihnen andocken können. Dazu integrieren die Wissenschaftler modifizierte biologische Strukturen – wie etwa Heparin − und Ankerproteine in die Innenwände. In einem zweiten Schritt können sich in den Röhrensystemen Endothelzellen, die im Körper die innerste Wandschicht eines jeden Gefäßes bilden, anheften. Diese Auskleidung ist wichtig, damit die Bestandteile des Blutes nicht kleben bleiben, sondern weitertransportiert werden.

Chancen für die Medizin
Mit den so erzeugten Blutgefäßen lassen sich laut Angaben der Forscher komplett künstliche Organe an einen Kreislauf anbinden und mit Nährstoffen versorgen. Diese eignen sich dann zwar noch nicht für eine Transplantation, dafür kann der Organkomplex als Testsystem genutzt werden und so Tierversuche ersetzen. Auch die Behandlung von Bypass-Patienten mit künstlichen Gefäßen ist denkbar. Bis Organe aus dem Labor mit eigenen Blutgefäßen tatsächlich implantiert werden, wird es allerdings noch einige Zeit dauern.

Foto: Fraunhofer IGB