3D-Biodruck: NMI, TU Darmstadt und Black Drop entwickeln verbesserte Biotinte
(Wie) können wir Gewebe im 3D-Drucker herstellen, die möglichst gut die komplexe Anatomie von natürlichem Körpergewebe nachahmen? Der 3D-Biodruck ist eine große Hoffnung im Bereich der regenerativen Medizin, um miniaturisierte Gewebe und Organvorläufer mit biologischer Funktionalität zu erzeugen. Heute arbeitet die Wissenschaft aber noch an der Herausforderung, überhaupt ein druckbares und zugleich verträgliches Ausgangsmaterial herzustellen. Forschende des NMI Naturwissenschaftlichen und Medizinischen Instituts in Reutlingen, der TU Darmstadt und der Black Drop Biodrucker GmbH haben eine neuartige Biotinte entwickelt, mit der etwa der Nährstofftransport in gedrucktem Gewebe verbessert wird.
Abb. 3: Objekt, das durch 3D-Biodruck entstanden ist. Es ist etwa 2,5 cm hoch, die Trübung entsteht durch die Fasern.
/ Copyright: Annabelle Neuhäusler, IDD TU DarmstadtBioprinting: Viele Herausforderungen, viele Chancen
3D-Biodruck, Biotinte, Elektrospinning: Was ist das überhaupt? 3D-Druck ist inzwischen in viele Lebens- und vor allem Wirtschaftsbereiche eingezogen. Es ist ein Verfahren, in dem mit einem speziellen Ausgangsmaterial ein dreidimensionales Objekt gedruckt wird. Beim 3D-Biodruck ist dieses Ausgangsmaterial die Biotinte, die lebende Zellen enthält und zum Beispiel mit Hydrogelen und biologischen Faktoren kombiniert wird, um organische Objekte zu drucken. Ergänzend ist es mit Elektrospinning möglich, hauchdünne Fasern herzustellen.
Abb. 1: Elektrospinning, Polymer-Jet.
/ Copyright: Ruben Daum, NMIElektro-gesponnene Fasern ermöglichen Nährstofftransport
„Mit 5-10 µm Durchmesser liegen diese Fasern im Bereich von Blutkapillaren und sind der entscheidende Fortschritt in unserer Biotinte“, erklärt Dr. Hanna Hartmann, Bereichsleiterin am NMI und Erfinderin im gemeinsamen Patent. Bislang war der Transport von Nährstoffen in 3D-gedrucktem Gewebe ein großes Problem. „Die Fasern verbessern diesen Transport nun messbar. Die besonders spannende Erkenntnis für uns: Dafür müssen sie nicht einmal innen hohl sein“, berichtet Jannik Stadler, Standortleiter der Black Drop Biodrucker GmbH, die als Koordinator des BMBF-geförderten Projekts NatInk maßgeblich an der Entwicklung der Biotinte beteiligt war. Zudem hat diese Biotinte besonders vorteilhafte Eigenschaften hinsichtlich ihrer mechanischen Festigkeit und quillt weniger stark auf. Dies konnte Annabelle Neuhäusler, Doktorandin am Institut für Druckmaschinen und Druckverfahren an der TU Darmstadt, in der gemeinsamen Publikation zeigen.
Abb. 2: Nahaufnahme der Biotinte. Die linienförmigen Elemente sind die elektro-gesponnenen Fasern, die runden Punkte sind Zellen.
/ Copyright: NMIEin Schritt hin zu besseren Gewebemodellen für die Pharmaforschung
In Zukunft könnten solche verbesserten Biotinten beispielsweise zur Herstellung von Gewebemodellen für die Pharmaforschung genutzt werden. Hierdurch können Tierversuche eingespart und Patienten-individualisierte Wirkstoffe getestet werden. Ein weiteres Anwendungsfeld liegt im Bereich der regenerativen Medizin. Neben der Steigerung der Nährstoffdiffusion trägt die Faserintegration zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Biotinten bei. Dieser Umstand ist besonders für chirurgische Anwendungen, in denen Handling, Formtreue und primär Festigkeit eine wesentliche Rolle spielen, von Bedeutung.
Mehr Informationen zum Projekt NatInk. Das Projekt wurde gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF); Förderkennzeichen 13XP5177C.
Weitere Informationen
Über die Black Drop Biodrucker GmbH:
Die Black Drop Biodrucker GmbH ist ein deutsches Biotech-Unternehmen, welches sich auf den 3D-Biodruck und dessen Anwendung im Bereich der regenerativen Medizin sowie der Pharmaforschung spezialisiert hat. Das Produktportfolio des 2017 gegründeten Unternehmens erstreckt sich über die gesamte Prozesskette der Biofabrikation: von Biotinten über kundenindividualisierte 3D-Biodruck Hard- und Software bis hin zu mikrofluidischen Chips für die Herstellung vaskularisierter Organ-on-Chip Systeme.
Besondere Highlights sind die kürzlich in das Portfolio aufgenommen Biotinte CureDrop und der Black Drop BioVOC. CureDrop ist eine auf rekombinant hergestelltem Kollagen basierende Biotinte mit Photo-vernetzbaren Eigenschaften. Der BioVOC ist ein mit dem 3D-Biodruck kompatibler mikrofluidischer Chip, der zur Herstellung von vaskularisierten Gewebemodellen genutzt werden kann.
In Summe mit dem modularer 3D-Biodrucksystem REGENATE bieten sie die Möglichkeit vollständig tierfreie 3D-Gewebemodelle für die pharmakologische Forschung aufzubauen.
Über die TU Darmstadt:
Die TU Darmstadt zählt zu den führenden Technischen Universitäten in Deutschland und steht für exzellente und relevante Wissenschaft. Globale Transformationen – von der Energiewende über Industrie 4.0 bis zur Künstlichen Intelligenz – gestaltet die TU Darmstadt durch herausragende Erkenntnisse und zukunftsweisende Studienangebote entscheidend mit.
Ihre Spitzenforschung bündelt die TU Darmstadt in drei Feldern: Energy and Environment, Information and Intelligence, Matter and Materials. Ihre problemzentrierte Interdisziplinarität und der produktive Austausch mit Gesellschaft, Wirtschaft und Politik erzeugen Fortschritte für eine weltweit nachhaltige Entwicklung.
Seit ihrer Gründung 1877 zählt die TU Darmstadt zu den am stärksten international geprägten Universitäten in Deutschland; als Europäische Technische Universität baut sie in der Allianz Unite! einen transeuropäischen Campus auf. Mit ihren Partnern der Rhein-Main-Universitäten – der Goethe-Universität Frankfurt und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz – entwickelt sie die Metropolregion Frankfurt-Rhein-Main als global attraktiven Wissenschaftsraum weiter.
Publikation: Electrospun microfibers to enhance nutrient supply in bioinks and 3D-bioprinted tissue precursors; https://doi.org/10.1088/1758-5090/ad9d7a Patent: Hydrogel-Verbundwerkstoff und Verfahren zu dessen Herstellung
https://www.nmi.de/aktuelles/detail/3d-biodruck-nmi-tu-darmstadt-und-black-drop-entwickeln-verbesserte-biotinte