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Bioprinting: Tissue-Engineering im Femtosekunden-Takt

Organe aus dem Drucker – davon träumen nicht nur Patienten, sondern auch Pharmahersteller, die an künstlich erzeugten Gewebeproben die Wirkung neuer Medikamente untersuchen wollen. Je näher Forscher diesem Traum kommen, desto schneller wächst der Markt und wird auch für andere Branchen attrkativer..

Die Moment-Aufnahme eines Jets nach einer Verzögerungszeit von 10 µs und einer Pulsenergie von ca. 5 µJ Bildquelle: © Jun Zhang/Projektgruppe Huber

Die Moment-Aufnahme eines Jets nach einer Verzögerungszeit von 10 µs und einer Pulsenergie von ca. 5 µJ

Die Wirklichkeit ist zu schnell, um sie zu begreifen. Im Mikrosekundentakt schießt eine winzige Fontäne aus dem Probenbehälter und trifft auf ein mit Gel beschichtetes Glasplättchen. Innerhalb weniger Sekunden entsteht eine dreidimensionale Struktur aus lebenden menschlichen Zellen. Um Details erkennen zu können, braucht man Zeitlupenaufnahmen. Prof. Heinz P. Huber von der Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften und Mechatronik der Hochschule München sitzt mit seinem Team vor dem Monitor und betrachtet die Abläufe in Slow-motion: »Wir können hier sehen, wie die Lichtpulse des Femtosenkundenlasers die Flüssigkeit im Probenbehälter anregen und sich unter der Oberfläche eine undurchsichtige Plasma-Blase bildet«, erklärt der Physiker. Wenige Augenblicke später explodiert die Blase und eine Fontäne, dünner als ein Haar, schießt mit 50 Stundenkilometern nach oben. Dieser Jet besteht aus winzigen Wassertröpfchen, und diese enthalten lebende Zellen.

»Mit diesem Jet können wir Zellstrukturen drucken«, erläutert Jun Zhang, der gerade eine Doktorarbeit über die neue Technik schreibt: Die Anlage lässt sich so steuern, dass die Zellen in einer Ebene, aber auch drei-dimensional und in hoher Auflösung aufgebracht werden können. So entstehen Keimzellen für neues Gewebe.

Je nachdem, welche Zellen auf das Glasplättchen aufgedruckt werden, bildet sich Haut-, Herzmuskel- oder Knorpelgewebe. Zhang arbeitet derzeit mit Sehnen-Zellen. Aus denen will er, zusammen mit den Medizinern an der Universität Regensburg, künstliche Sehnen für Implantate herstellen. Weil diese aus körpereigenen Zellen der Patienten gewonnen werden können, sind keine Abstoßungsreaktionen zu befürchten. Bis Patienten mit Sehnenverletzungen von der neuen Technik profitieren, wird allerdings noch einige Zeit vergehen. »Noch sind wir in der Entwicklungsphase«, betont Huber.

Wettkampf um die ersten 3D-Organe

Schon seit Jahren wetteifern Forscherteams auf der ganzen Welt um die beste Technik zur Herstellung von künstlichem Gewebe, englisch Tissue Engineering. Ziel ist es, im Labor Gewebeersatzmaterialien zu erzeugen, die in Aufbau und Funktion identisch sind mit menschlichem Gewebe. Aus diesem sollen dann Implantate aber auch Gewebeproben für die Untersuchung neuer Wirkstoffe hergestellt werden. Das hat längst auch die Wirtschaft auf den Plan gerufen. Erst im Aprill startete Evonik das Projekthaus Tissue Engineering (Gewebezüchtung). Bis zu 20 Wissenschaftler aus unterschiedlichen Disziplinen arbeiten dort daran, verlässliche Lösungen für die Regeneration von Gewebe etwa nach Unfällen oder Krankheiten zu ermöglichen. Ziel sind Materialien für biologische Implantate in der Medizin. Das Projekthaus hat seinen Sitz in Singapur und wird mit Evonik-Experten in den USA und Deutschland eng zusammenarbeiten.

Der Markt für Materialien, die beim Tissue Engineering benötigt werden, wächst Schätzungen von Experten zufolge mit rund 30 Prozent pro Jahr und wird bis 2021 die drei Milliarden-$-Marke erreichen. Alexander König, Leiter des Projekthauses, sagt: »Wir wollen an verlässlichen, reproduzierbaren und effektiven Lösungen zum Tissue Engineering und für regenerative Medizin forschen.« Und fügt hinzu: »Bei der Weiterentwicklung dieser Materialien werden wir neue Kompetenzen aufbauen und auch mit dem Kompetenzzentrum Medizintechnik in Birmingham eng zusammenarbeiten.« Die Nachbildung der gewünschten Gewebestrukturen etwa bei Verletzungen mit Hilfe von 3-D-gedruckten Gerüstmaterialien ist für ihn ein Zukunftsthema. Darüber hinaus sollen die Bedingungen, unter denen Gewebezellen auf den Gerüsten wachsen, optimiert werden.

Drucken ohne Nebenwirkungen

»Es gibt mittlerweile mehrere Druck-Verfahren, bisher hat jedoch keines die hohen Erwartungen erfüllt«, erklärt Huber. Bei gängigen Inkjet-Bioprintern beispielsweise setzt die Reibung in der Spritzdüse den Zellen zu und verringert deren Überlebensrate. In Laserdruckern, die mit infraroten Lichtpulsen arbeiten, führt eine energieabsorbierende, meist metallische, Schicht zu Verunreinigungen mit Nanopartikeln. Und UV-Laser-Drucker verursachen mitunter Schäden am Erbgut.

In München habe man daher nach einer alternativen Methode gesucht, die die Zellen nicht belastet. »Dabei sind wir auf die Multi-Photonen-Absorption gestoßen«, so Huber. Die Photonen, die ein Femtosekundenlaser erzeugt, versetzten die Flüssigkeit in einen energetisch angeregten Zustand, ohne die Zellen zu schädigen. Das Laserlicht kann außerdem direkt, ohne Absorber, auf die Flüssigkeit gerichtet werden, Verunreinigen werden damit vermieden. Ein weiterer Vorteil: Der Jet, der entsteht, wenn die Energie aus der durch das Laserlicht erzeugten Plasmablase entweicht, ist extrem dünn und kann daher Zellen in hoher Auflösung auf einem Objektträger platzieren. Theoretisch ist die Multi-Photonen-Absorption damit eine ideale Technik, um Strukturen aus lebenden Zellen zu drucken.

Feintuning steigert die Überlebenschancen

Praktisch musste Hubers Team einige Hürden überwinden. Zwei Jahre haben die Forscher an den Details getüftelt, berichtet Zhang: »Unsere ersten Versuche mit dem Femtosekundenlaser waren wenig ermutigend, die Zellen landeten zwar an den gewünschten Stellen, haben aber nicht überlebt. Erst nach und nach haben wir herausgefunden, wie man den Prozess steuern muss, um ein optimales Ergebnis zu erzielen.« Entscheidend für das Überleben der Zellen ist beispielsweise die Fokustiefe des Lasers: Liegt die Plasmabase zu tief unter der Oberfläche, wird der Druck, der sich aufbaut, bevor die Blase platzt, zu hoch. Ein anderer wichtiger Faktor ist die Energie der Laserstrahlen. Sie darf nicht zu hoch sein, sonst expandiert die Blase zu schnell und zerstört die Zellen. Und auch die Zeit spielt eine Rolle: Je schneller der Druckprozess abgeschlossen ist, und das Glasplättchen in den Brutschrank gelegt wird, desto mehr Zellen überleben und können sich vermehren.

Fitnessprogramm für Gewebe

Im nächsten Schritt wollen die Physiker zusammen mit Medizinern und Biologen die aufgedruckte Zellstruktur in echtes Sehnengewebe verwandeln. Die Arbeit ist Teil des Forschungsprojets CANTER, die Abkürzung steht für »Centrum für Angewandtes Tissue Engineering und Regenerative Medizin«, in dem 15 Partner, darunter die Hochschule München, die TUM, die LMU und die Universität Regensburg, interdisziplinär kooperieren. Eines ist bereits klar: Damit die Zellen sich nicht nur vermehren, sondern auch so organisieren wie im menschlichen Körper, müssen die Umgebungsbedingungen stimmen: Benötigt werden gleichmäßige Temperaturen um die 37 Grad, Nährstoffe, Wachstumsfaktoren, Collagen und ein ausgetüfteltes Trainingsprogramm – nur wenn Sehnenzellen ständig bewegt werden, verwandeln sie sich in ein Gewebe, das den Belastungen im menschlichen Körper standhält. (HM/E)

Schematische Darstellung des 3D femtosecond bio-printing-Aufbaus Bildquelle: © Jun Zhang/Projektgruppe Huber

Schematische Darstellung des 3D femtosecond bio-printing-Aufbaus