3D Biodrucker » Erfolge, Funktion und Einsatz bei 3D Drucker Organen

Organe aus dem 3D Drucker helfen vielen Menschen.

3D Drucker Organe könnten Patienten vor einer langen Wartezeit auf ein neues Organ bewahren.

Bis dies Realität ist, werden aber wahrscheinlich noch ca. 10 bis 20 Jahre weitere 3D Drucker Geschichte vergehen müssen.

Die Entwicklung eines 3D Biodruckers ist sehr anpruchsvoll. Der Körper darf das neue Organ nicht abstoßen.

Für die Entwicklung muss interdisziplinäres polytechnisches Wissen (alle Disziplinen jeder Wissenschaft umfassend) mit den neuesten Fertigungstechnologien verbunden werden.

Definition eines 3D Biodruckers

Biodrucker führen sogenannten 3D Biodruck durch. Damit können die 3D Biodrucker Gewebe und menschliche Organe durch das Erschaffen von lebendigen Zellen herstellen. Die Technik steht jedoch noch am Anfang. In Zukunft sollen so künstliche Ersatzorgane aus dem 3D Drucker geschaffen werden, die Spenderorgane quasi nutzlos machen.

Organe wie Herz oder Lunge, die nicht einfach gespendet werden können, sollen ebenfalls aus dem 3D Biodrucker erschaffen werden können. Meistens wird im 3D Biodruck mit einem gelartigen Druckmaterial gearbeitet. Über seinen Druckkopf gibt der Biodrucker nach und nach etwas Druckmaterial ab, während er in X,Y oder Z Richtung additiv dünne Schichten druckt.

Bei dem Druckmaterial handelt es sich aber hier nicht um ein Kunststoff-Filament oder Harz, für den Druck wird sogenannte Biotinte verwendet. Darin sind meist Stammzellen von Menschen und Biopolymere enthalten.

Bei Biopolymeren handelt es sich um Polymere, die in der Zelle eines Lebewesens synthetisiert werden. Sie sind für das Entstehen von neuen Organismen verantwortlich sind. Ein besagtes Polymer und gleichzeitig gelartiges Druckmaterial ist das Hydrogel.

Wie ein 3D Biodrucker funktioniert.

Hydrogel – Biotinte & Druckmaterial

Hydrogel besteht zu großen Teilen aus Wasser, lässt sich aber nicht in Wasser lösen. Dabei besitzt der gelartige Stoff einen dreidimensionalen Aufbau aus Makromolekülen. Bei Einsatz von Lösungsmitteln quillt Hydrogel auf, verliert aber nicht seinen Zusammenhalt. Bei mechanischen Kräften verflüssigt sich das Gel dagegen.

Diese Biotinte verarbeitet der Biodrucker anschließend tröpfchenweise. Die im Gel enthaltenen Zellen sollen so langsam aber sicher zusammenfinden und die Struktur des Gewebes oder Organs herstellen. Während Biodrucker also deutlich langsamer als herkömmliche 3D Drucker drucken und meist viel mehr Platz benötigen, sind Sie sich in anderen Dingen wieder ähnlicher:

Auch beim Biodrucker gibt es vorliegende CAD Daten und ein Druckbrett. Bei beiden 3D Druckern verläuft die Bedienung über einen Computer, der bei Biodruckern allerdings extern und nicht verbaut ist. Beim Biodruck ist die optimale Drucktemperatur sogar noch wichtiger als beim 3D Druck. Während dies im 3D Druck zu optischen Fehler auf der Oberfläche und bis zur Instabilität führen kann, ist beim Biodruck die korrekte Funktion eines Organs nicht mehr gewährleistet.

Die Herausforderung beim 3D Biodrucker

Stammzellen aus dem 3D Biodrucker.

Diese 3D Biodrucker sind in der Lage bei Einsatz aus korrekt zusammengesetzem Gel, Gewebe oder in Zukunft ganze Organe aus dem 3D Drucker herzustellen.

Die größte Herausforderung besteht hierbei in der Findung einer korrekten Gelzusammensetzung.

Das zusammengesetze Gelartige muss dabei hart genug sein, um später in einer festen Form zu bleiben, gleichzeitig aber auch weich genug sein, um durch die Drüsen des 3D Biodruckers gedruckt werden zu können.

Gleichzeitig muss das Gel hitzebeständig sein, da die Hitze beim Druckvorgang sonst die im Gel erhaltenen Stammzellen zerstört.

3D Drucker Organe aus dem Biodrucker – Bisherige Erfolge

Entgegen vieler Vorstellungen gibt es aber bereits bahnbrechende Erfolge bei Organen aus dem 3D Drucker. Die Universität Newcastle hat beispielsweise innerhalb von zehn Minuten eine künstliche Hornhaut durch die Stammzellen einer gesunden Hornhaut und den Zusatz von Alginat (Salz der Alginatsäure) und Kollagen (Eiweiß im Körper) entwickelt. Nach Abschluss des Druckes vermehrten sich die Stammzellen wie in einer normalen Hornhaut.

Mit Gel und Stammzellen werden Organe gedruckt

Das staatlich geförderten Projekt „5-100“ der polytechnischen Universität St. Petersburg und des Institutes für Zytologie der Russischen Akademie der Wissenschaften ist dagegen eher darauf bedacht, traumatisierte und zerstörte Organe zu reparieren.

Dafür verwendet die Uni ein poröses Druckmaterial aus Citosin (Nukleinbase aus der DNA) und Kollagen, das die zerstörten Knochenteile reparieren soll.

Das Druckmaterial ist dabei mit Zellen der zu reparierenden Organe gefüllt und wird in diese eingeführt. Das Organ denkt dabei, dass es sich um körpereigene Stoffe handelt. Dadurch werden die Fremdkörper nicht abgestoßen.

Mit fortschreitender Zeit zersetzt sich das Druckmaterial im Organ und das körpereigene Gewebe nimmt das künstliche Gewebe auf und ersetzt es gegebenenfalls.

Andere präklinische Studien zeigen, dass ein in Knochen eingebetteter Kollagenschwamm sich nach einiger Zeit langsam zersetzt. Gleichzeitig wird er aber von natürlichem Knochengewebe bewachsen. Die Ergebnisse ähnelten also denen der Uni St. Petersburg zu einer Stimulation der Wiederherstellung von natürlichem Gewebe.

Trotz all der bisherigen Erfolge muss beachtet werden, dass es unzählige Studien und Tests braucht, damit das Risiko bei einer 3D Drucker Organe Transplantation minimiert werden kann.

Ein Herz aus dem 3D Drucker – Der bisher größte Erfolg im Biodruck

Symbolbild: Herz aus dem 3D Drucker

Israelischen Forschern ist es 2019 gelungen ein Herz zu drucken. Hierbei handelt es sich um einen Prototyp aus menschlichem Gewebe, leider ist die Implantation jedoch noch ein ganzes Stück entfernt. Über genaue Fortschritte sprechen die Forscher ihrem Fachblatt „Advances Science“.

Sogenannte pluripotente Stammzellen bildeten den Grundstein. Hierbei handelt es sich um dem Menschen entnommene Fettzellen, die in Herzmuskel- und Endothelzellen (Stammzellen), umgewandelt wurden.

Das ist aber noch nicht der Meilenstein. Diverse Retransformationen werden in der Medizin mittlerweile des Öfteren verwendet. Vereinfacht erklärt ist es also möglich, bereits spezialisierte Zellen (Fettzellen) wieder zu allgemeinen Zellen (Stammzellen) zu machen. Anschließend lassen sich diese Zellen wieder spezialisieren.

Diese Zellen werden anschließend einem ähnlichen Gel beigemischt. Aus der Mixtur von Herzmuskelzellen und Blutgefäßzellen kann der 3D Biodrucker nun schichtweise eine murmelgroße herzähnliche Struktur drucken. Dieses Mini-Herz schlägt allerdings leider noch nicht.

Der eigentliche Erfolg besteht nämlich in der Herstellung eines Herzens aus menschlichem Gewebe mit nur wenigen Zusätzen. Dadurch kann der Arzt Abstoßreaktionen vermeiden.

Wo 3D Biodrucker in Zukunft eingesetzt werden

Neben dem Einsatz in der Medizin und der Molekularbiologie ist auch die Lebensmittelproduktion ein denkbarer Anwendungsbereich. Mögliche Anwendungszwecke in der Medizin wurden bereits hinreichend erläutert: 3D Drucker Organe sollen Spender ersetzen und langfristig das Leben der Menschen verlängern.

Nicht nur Organe aus dem 3D Drucker treiben die medizinische Entwicklung an. Sich selbst anpassbare Prothesen, Implantaten, Knorpel und Knochen aus dem 3D Biodrucker verbessern die Möglichkeiten der Medizin ebenfalls. 3D Biodrucker ergeben aber nicht nur in der Medizin Sinn. Auch Lebensmittel wie Fleisch könnte einfach gedruckt werden. Und dies schneller, rein pflanzlich und womöglich ähnlich gut schmeckend.

Mit Beyond Meat erlebt die Fleischersatz Branche wieder ein neues Hoch, die Produkte sind äußerst beliebt und wohl ausgesprochen lecker. Eine ähnliche Idee hatte Giuseppe Scionti.

Die Struktur des Fleischs aus dem Biodrucker sollte dabei rindfleischähnlich sein. Die Nährwerte und Geschmack werden aus Pflanzenproteinen gezogen. Das eigentliche Produkt sollte aber automatisiert gedruckt werden. Zudem soll der Fleischersatz ressourcenschonender als „herkömmliches Fleisch“ sein.

3D Drucker Fleischersatz

Gravierende Fortschritte macht hier das spanische Start-Up Novameat. In nur zehn Minuten druckt ein kompakter 3D Biodrucker essbare Steaks. Ein gelartige roten Paste dient dem 3D Biodrucker als Druckmaterial, die Inhaltsstoffe sind allesamt umweltfreundlich.

Der Preis ist mit ca. 25 Euro pro Kilogramm auch nicht mehrbbesonders teuer. Durch Skalierungsmöglichkeiten sind weitere Preissenkungen ebenfalls realistisch. Während Beyond Meat Fans mit gutem Geschmack überzeugt, hat Nova Meat noch Probleme beim richtigen Geschmack. Nova Meat will dies in Zusammenarbeit mit Ernährungsspezialisten aber ändern. Mit dem Aibecy Foodbot Lebensmitteldrucker ist sogar ein Biodrucker auf 3D Drucker kaufen.info vertreten.