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Brandenburg Mittwoch, 08 August 2018 von [wp]

Organe aus dem 3D-Drucker

Organe aus dem 3D-Drucker

Menschliche Organe aus einem 3D-Drucker? Was klingt, wie Science-Fiction könnte schon bald Realität werden. Bisher scheiterten ambitionierte Forscher an der Herstellung von funktionsfähigen Transplantaten - dabei handelt es sich um zu transplantierende Gewebeformen. Wissenschaftlern aus den USA ist kürzlich allerdings ein spektakulärer Durchbruch gelungen.

3D-Drucker schon jetzt für die Medizin im Einsatz

Passgenaue Implantate für die Zähne oder das künstliche Hüftgelenk werden bereits mithilfe der 3D-Drucker angefertigt. Dazu wird der Körper bzw. das jeweilige Körperteil mit dem Computertomografen gescannt und somit ein passgenauer Bauplan erstellt. Anschließend wird das benötigte Implantat schichtweise angefertigt. Gängige Materialien sind neben hochwertigem Kunststoff auch verschiedene Metalle oder Keramik. Viele Mediziner sind mit diesen Materialien unzufrieden, da sie häufig vom Körper als Fremdstoff erkannt und in Folge dessen abgestoßen werden können. Wenn man körpereigenes Gewebe anstelle von Plastik oder Metall verwenden könnte, wäre das aus Sicht von Experten ein revolutionärer Schritt.

Herstellung von rein biologischem Gewebe mittels Bio-Tinte

Technisch ist es seit Kurzem möglich, auch aus biologischem Gewebe Organe künstlich herzustellen. Um das zu erreichen, werden lebendige Zellen mit Nährstoffen sowie Gelatine zu einer Bio-Tinte vermischt. Diese Tinte kann anschließend - genau wie Kunststoff oder Keramik - in hauchdünnen Schichten übereinander aufgetragen werden. Am Ende erhält man ein vollständig gedrucktes Organ. Dieses Verfahren nennt sich Bioprinting und hat das Potenzial, die Medizin zu revolutionieren. Wenn sich die Zellen mit der Zeit sogar miteinander verbinden, bilden sie eine komplexe Struktur.

Probleme bei der Herstellung wegen unzureichender Nährstoffversorgung

Obwohl lebensechte Gewebe, wie beispielsweise Knorpel und sogar Herzmuskel, hergestellt werden können, sind die Ausdrucke in der Realität nicht nutzbar. Genau genommen handelt es sich bei den so entstandenen Produkten um reine Zellhaufen, welche niemals in einem menschlichen Körper funktionieren würden. Das Problem liegt in der Versorgung der Organe mit einer ausreichenden Menge an Nährstoffen. Besonders an der Größe vieler lebenswichtiger Organe scheitert die Medizin leider bis heute. Die gedruckten Gewebe konnten aufgrund des hohen Volumens nur unzureichend versorgt werden und würden in der Praxis sehr schnell absterben.

Hohe Erfolgschancen bei guter Durchblutung 

Das menschliche Blut versorgt den Körper und die einzelnen Organe sowie Regionen nicht nur mit genügend Nahrung und Sauerstoff, sondern transportiert auch Giftstoffe ab. Zellen können nur dann überleben, wenn sie nicht zu weit vom nächsten Blutgefäß entfernt sind. Dabei geht es um die exakte Entfernung von maximal 200 Mikrometern. Aus diesem Grund kommen bislang nur extrem dünne künstliche Gewebe zum Einsatz. Bei Knochen oder dicken Knorpeln wird die Dicke des Materials im Gegensatz zu hauchfeinen Blutgefäßen oder Herzklappen zum Problem. Das fehlende Gefäßsystem verhindert, dass die gedruckten Strukturen tatsächlich im menschlichen Körper arbeiten können. Aus diesem Grund haben Mediziner versucht, die nötigen Kanäle für den Bluttransport direkt in die Gewebestücke hinein zu drucken. Nur so können Nährstoff an- und Giftstoffe abtransportiert werden.

Stabilität der Organe gewährleisten

Das lebenswichtige System aus feinen Kanälen, welches als künstliche Blutbahnen dient, hat einen entscheidenden Nachteil: Es macht das Gewebe weniger stabil. Um diesem Effekt entgegen zu wirken, haben Forscher Bio-Tinte abwechselnd mit Stützelementen gedruckt. Außerdem haben sie das Gewebe während des Druckvorgangs mit einer wasserlöslichen Form umgeben. Mit Hilfe dieser neuen Vorgehensweisen wurden bereits Muskelgewebe, Knorpelgewebe und sogar Knochen hergestellt. Die volle Bandbreite an benötigter Materialien ist gelungen.

Versuche mit Nagern waren erfolgreich

Die gezüchteten Implantate konnten bei Versuchen an Ratten und Mäusen erfolgreich eingesetzt werden. Alle Drucke verwuchsen auf natürliche Weise mit dem Gewebe. Das künstlich angelegte System aus feinen Kanälen wurde vom Körper nach und nach durch echte Blutgefäße ersetzt. Künstliche Muskeln waren bei den Versuchstieren nach guten zwei Wochen eingeschränkt leistungsfähig. Knorpel und Knochen brauchten jeweils wenige Monate, um vollständig mit dem umliegenden Gewebe zu verwachsen.

Perspektive: Gewebe auch bei Menschen implantieren

Natürlich müssen die gedruckten und implantierten Organe zuerst langfristig beobachtet werden, um sie irgendwann auch im menschlichen Körper einsetzen zu können. Das Gewebe muss über einen langen Zeitraum verlässlich überleben und voll funktionsfähig bleiben, um überhaupt an menschlichen Probanden getestet werden zu können. Lebenswichtige Organe wie zum Beispiel Nieren können bisher allerdings nicht mit Hilfe des 3D-Druckers erzeugt werden. Allerdings wäre es für die Menschheit bereits ein riesiger Fortschritt, wenn man zukünftig zumindest Knorpel, Knochen und anderes Gewebe erfolgreich drucken und langfristig einsetzen könnte.

Auch die Industrie wird revolutioniert

Neben der Medizin profitiert auch die Industrie ganz erheblich von 3D-Druckern. Leichte und hochfeste Bauteile können zukünftig gedruckt werden, anstatt sie wie bisher aus massiven Metallblöcken herauszuschneiden oder alternativ dazu zu gießen. Die Teile zu drucken, würde das Herstellungsverfahren nicht nur vereinfachen und damit viel Zeit sowie Kosten sparen, sondern würde es auch ermöglichen, besonders komplizierte Modelle zu erstellen. Momentan steht die 3D-Drucker-Branche vor einem großen Durchbruch: nämlich an der Schwelle zum Massenmarkt.

 

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