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Lebende Zellen im 3D-Drucker: Forscher entwickeln neues Bioprinting-Verfahren

Forschung | Mit einem neuen Verfahren der TU Wien lassen sich lebende Zellen in feine Strukturen aus dem 3D-Drucker einbauen - mikrometergenau. Und das mit einer Druckgeschwindigkeit von einem Meter pro Sekunde, um Größenordnungen schneller als es bisher möglich war.

So breiten sich die Zellen in der 3D-Struktur aus: Links Woche 1, Mitte Woche 3, rechts Woche 5. Oben eine dreidimensionale Anordnung, unten eine einzelne Schicht Bildquelle: © TU Wien

So breiten sich die Zellen in der 3D-Struktur aus: Links Woche 1, Mitte Woche 3, rechts Woche 5. Oben eine dreidimensionale Anordnung, unten eine einzelne Schicht

Mikroskopisch feine 3D-Objekte zu drucken, ist heute grundsätzlich kein Problem mehr. Die Verwendung von lebenden Zellen stellt die Wissenschaft aber vor ganz neue Herausforderungen: »Es fehlte bisher einfach an den passenden chemischen Substanzen«, sagt Prof. Aleksandr Ovsianikov, Leiter der Forschungsgruppe 3D Printing and Biofabrication am Institut für Werkstoffwissenschaften und Werkstofftechnologie der TU Wien. Man brauche Flüssigkeiten oder Gele, die punktgenau erstarren, wo man sie mit einem fokussierten Laserstrahl beleuchtet. Die  Materialien dürfen für die Zellen allerdings nicht schädlich sein, und das Ganze muss außerdem noch extrem schnell ablaufen.

Zwei Photonen auf einmal

Um eine extrem hohe Auflösung zu erreichen, verwendet man an der TU Wien bereits seit Jahren die Methode der Zwei-Photonen-Polymerisation. Dabei nutzt man eine chemische Reaktion, die nur dann in Gang gesetzt wird, wenn ein Molekül des Materials zwei Photonen des Laserstrahls gleichzeitig absorbiert. Das ist nur dort möglich, wo der Laserstrahl eine besonders hohe Intensität hat. Genau dort härtet die Substanz aus, überall sonst bleibt sie flüssig. Daher ist diese Zwei-Photonen-Methode bestens geeignet, um mit hoher Präzision feinste Strukturen herzustellen.  

Genau wegen der hohen Auflösung hat die Methode allerdings normalerweise den Nachteil, sehr langsam zu sein – oft musste man sich mit einer Schreibgeschwindigkeit im Bereich von Mikrometern oder wenigen Millimetern pro Sekunde genügen. An der TU Wien hingegen schafft man mit zellfreundlichen Materialien einen Meter pro Sekunde.

Zahlreiche Anpassungsmöglichkeiten

»Unsere Methode liefert viele Möglichkeiten, die Umgebung der Zellen anzupassen«, sagt Ovsianikov. Je nachdem, wie man die Struktur baut, kann man sie steifer oder weicher machen, sogar feine, kontinuierliche Übergänge sind möglich. So kann man genau vorherbestimmen, wie die Struktur aussehen soll, um Zellwachstum zu erlauben und Migration zu leiten. »Durch die Laser-Intensität können wir außerdem einstellen, wie leicht die Struktur im Lauf der Zeit abgebaut werden kann.«

Für die Zellforschung sei das ein wichtiger Schritt nach vorne. »Mit solchen 3D-Modellen kann man das Verhalten von Zellen mit einer bisher unerreichbaren Genauigkeit untersuchen. Man kann herausfinden, wie sich Krankheiten ausbreiten – und wenn man Stammzellen verwendet, könnte man auf diese Weise sogar maßgeschneidertes Gewebe herstellen.«

Hintergrund

Das Forschungsprojekt ist eine internationale und interdisziplinäre Kooperation, an der drei verschiedene Institute der TU Wien beteiligt waren: Ovsianikovs Forschungsgruppe war für die Drucktechnik selbst zuständig, das Institut für Angewandte Synthesechemie entwickelte die nötigen schnell reagierenden und zellfreundlichen Fotoinitiatoren (die Substanzen, die bei Beleuchtung den Aushärtungsprozess in Gang setzen) und am Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik wurden die mechanischen Eigenschaften der gedruckten Strukturen analysiert. Das 3D-Drucverfahren und die dafür nötigen Materialien werden nun von der Firma UPNano kommerzialisiert, einem jungen erfolgreichen Spin-off-der TU Wien. (me)

Schlagworte: Bioprinting, 3D-Druck, Zellen

Genannte Firmen: TU Wien, UPNano