Die Knochendrucker

Mit 3D-Druckern lässt sich heute fast alles fabrizieren – auch biologisches Gewebe. Eine ETH-Doktorandin entwickelt deshalb neue Verfahren für den dreidimensionalen «Knochendruck».

Silke Wüst schätzt die spannende Zusammenarbeit mit anderen Forschenden (Bild: © SATW / Franz Meier)

Die Zusammenarbeit mit Forschenden aus Biologe, Pharmazie sowie Material- und Bewegungswissenschaften findet die Verfahrenstechnikerin unglaublich spannend (Bild: © SATW / Franz Meier)

Silke Wüsts Arbeitsplatz auf dem Hönggerberg sieht aus wie ein Biologielabor: In den gut belüfteten Versuchskapellen stehen Mikroskope, Spritzen, Mikropipetten und Petrischalen mit Zellkulturen. Das ist ungewöhnlich für eine studierte Verfahrenstechnikerin und hat mit dem Thema von Wüsts Doktorarbeit zu tun: Am Institut für Biomechanik der ETH Zürich entwickelt sie Verfahren für den dreidimensionalen Druck von biologischen Materialien.

Silke Wüst nimmt einen frischen 3D-Druck unter die Lupe (Bild ©SATW / Franz Meier)

Silke Wüst nimmt einen frischen 3D-Druck unter die Lupe (Bild ©SATW / Franz Meier)

Laborknochen anstatt Prothesen

Der 3D-Drucker ist noch immer in den Kinderschuhen. Doch er beginnt die Art, wie wir Dinge produzieren, nachhaltig zu verändern – auch in der Medizin. Dank den neuen Druckern wird es in Zukunft möglich werden, Prothesen schnell und kostengünstig passgenau für den Patienten «auszudrucken ». Forschungsgruppen auf der ganzen Welt gehen nun noch einen Schritt weiter: Sie verbinden das «Tissue Engineering», also die Zucht von menschlichem Gewebe, mit den Möglichkeiten des 3D-Drucks. Brüchige und versehrte Knochen könnten durch im Labor «gedruckte» und gezüchtete Knochen ersetzt werden, anstelle durch künstliche Prothesen.

Bisher lief das so: Forscher pipettierten Stammzellen, also zum Beispiel Knochenzellen, die zuvor einem Menschen chirurgisch entnommen wurden, auf eine dreidimensionale poröse Struktur aus Kunsstoff. An diesem Gerüst halten sich die Zellen fest und wachsen bei idealen Bedingungen zu neuem Knochengewebe und damit einem festen, mineralisierten Knochen heran. Wüst will dieses Verfahren nun vereinfachen, indem sie das Gerüst gleich zusammen mit den menschlichen Zellen «druckt». Das hat einen bedeutenden Vorteil: «Dadurch können wir die Zellen viel genauer an den gewünschten Stellen im Gerüst platzieren und besser steuern, wie der Knochen später geformt ist», erklärt Wüst.

Möglich macht das der 3D-Drucker, der in Wüsts Labor neben den Versuchskapellen steht. Ein blauer Plexiglaskasten in der Grösse einer Kaffeemaschine, mit jeder Menge Zahnräder, Keilriemen und zwei Spritzen, die über einen Computer in drei Dimensionen millimetergenau steuerbar sind. Gedruckt wird ein sogenanntes Hydrogel; eine Suspension aus Wasser, verschiedenen Salzen und menschlichen Stammzellen. Da das Hydrogel, das Wüst speziell für Ihre Experimente entwickelt hat, bei Raumtemperatur die Konsistenz von einem Pudding hat, muss es zum Drucken erwärmt und verflüssigt werden.

Dafür hat Wüst den 3DDrucker umgebaut und die beiden Spritzen mit einer Heizung ausgestattet. Die Spritzen werden über einen Computer angesteuert und nach einem vorprogrammierten Ablauf entlang der x-, y- und z-Achse gesteuert. Gleichzeitig steuert der Computer auch den Spritzenkolben und damit die Menge des Hydrogels, das an einer bestimmten Stelle aufgetragen wird. So kann der 3D-Drucker mit dem Hydrogel Schicht für Schicht eine dreidimensionale Form aufbauen.

3D-Drucker für den Druck von Biomaterialien (Bild ©SATW / Franz Meier)

Die Forscherin hat den 3D-Drucker eigenhändig für den Druck von Biomaterialien umgebaut (Bild ©SATW / Franz Meier)

Tüfteln am perfekten Druckverfahren

Dabei gibt es jedoch vieles zu beachten: Das Gel darf nicht über 42°C erwärmt werden, da die Zellen sonst absterben. Gleichzeitig muss die Viskosität exakt stimmen, damit die 300 Mikrometer breite Spritzenspitze während des Drucks nicht verstopft. Das Hydrogel muss nach Verlassen der gewärmten Spritze sofort fest werden, sonst würde die gewünschte Form ja gleich wieder zerfliessen. Komplett austrocknen darf das Gel aber auch nicht.

Nach dem Druck müssen die Stammzellen in der gedruckten Knochenstruktur in einem Brutschrank bei idealen Temperatur- und Umgebungsbedingungen über mehrere Tage oder Monate zum Wachstum angeregt werden. Da die beiden Spritzen jeweils Hydrogel mit unterschiedlichen Zellen enthalten können, kann Wüst auch komplexere Gewebe aus verschiedenen Zellen drucken.

Beispielsweise verzweigte Kanäle mit Endothelzellen, die unter den richtigen Bedingungen ein flexibles Blutgefäss ausbilden können. Das war mit herkömmlichen Verfahren praktisch unmöglich. «Meine Hauptaufgabe war es, Lösungen für all diese technischen Herausforderungen zu finden», erklärt Wüst. Dafür braucht es sowohl ein ausgeprägtes Verständnis für den 3D-Druckprozess, wie auch für die biologischen Aspekte der Zelle.

Deshalb tauschte sie sich häufig mit Ingenieuren, Biologen, Pharmazeuten sowie Bewegungs- und Materialwissenschaftlern aus. «Das war unglaublich spannend.» In einem nächsten Schritt ist nun das Know-how von Biologen gefragt. Sie müssen herausfinden, wie die gedruckten Knochenzellen am besten zum Wachstum und zum Ausbilden des gewünschten Knochengewebes angeregt werden.

Text: SATW / Samuel Schläfli
Quelle: Technoscope 2/13: Technik für die Gesundheit. Technoscope ist das Technikmagazin der SATW für Jugendliche

Alle Artikel dieser Technoscope-Ausgabe sind im Dossier "Technik für die Gesundheit" auf SimplyScience.ch zusammengefasst.

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