Ein Pflaster fürs Herz? Neues 3D-Druckverfahren macht das und vieles mehr möglich

Bei dem Bestreben, lebensechte Materialien zum Ersetzen und Reparieren menschlicher Körperteile zu entwickeln, stehen Wissenschaftler vor einer gewaltigen Herausforderung: Echtes Gewebe ist oft sowohl stark als auch dehnbar und variiert in Form und Größe.

Ein von der CU Boulder geleitetes Team hat in Zusammenarbeit mit Forschern der University of Pennsylvania einen entscheidenden Schritt zur Entschlüsselung dieses Codes getan. Sie haben eine neue Methode entwickelt, um im 3D-Druckverfahren Material herzustellen, das elastisch genug ist, um dem ständigen Schlagen des Herzens standzuhalten, robust genug, um der Druckbelastung der Gelenke standzuhalten, und leicht formbar ist, um sich den individuellen Defekten des Patienten anzupassen.

Und noch besser: Es haftet leicht auf feuchten Taschentüchern.

Ihr Durchbruch, beschrieben in der Ausgabe vom 2. August der Zeitschrift Wissenschaftebnet den Weg für eine neue Generation von Biomaterialien, von inneren Bandagen, die Medikamente direkt ans Herz transportieren, bis hin zu Knorpelpflastern und nadelfreien Nähten.

„Herz- und Knorpelgewebe haben insofern Ähnlichkeiten, als sie nur eine sehr begrenzte Fähigkeit zur Selbstheilung haben. Wenn sie beschädigt sind, gibt es kein Zurück mehr“, sagte der leitende Autor Jason Burdick, Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen am BioFrontiers Institute der CU Boulder. „Indem wir neue, widerstandsfähigere Materialien entwickeln, um diesen Heilungsprozess zu verbessern, können wir einen großen Einfluss auf die Patienten haben.“

Wurm-Blobs als Inspiration

Bisher wurden biomedizinische Geräte durch Formen oder Gießen hergestellt. Diese Techniken eignen sich gut für die Massenproduktion identischer Implantate, sind jedoch unpraktisch, wenn es darum geht, diese Implantate für bestimmte Patienten zu personalisieren. In den letzten Jahren hat der 3D-Druck eine Welt neuer Möglichkeiten für medizinische Anwendungen eröffnet, da Forscher nun Materialien in vielen Formen und Strukturen herstellen können.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Druckern, die lediglich Tinte auf Papier auftragen, tragen 3D-Drucker Schicht für Schicht Kunststoff, Metall oder sogar lebende Zellen auf, um mehrdimensionale Objekte zu erstellen.

Ein bestimmtes Material, ein sogenanntes Hydrogel (der Stoff, aus dem Kontaktlinsen bestehen), gilt als vielversprechender Kandidat für die Herstellung künstlicher Gewebe, Organe und Implantate.

Doch der Transfer dieser Substanzen vom Labor in die Klinik gestaltete sich schwierig, da herkömmliche 3D-gedruckte Hydrogele dazu neigen, beim Dehnen zu brechen, unter Druck zu brechen oder zu steif sind, um sich um das Gewebe zu formen.

„Stellen Sie sich vor, Sie hätten ein starres Plastikteil an Ihrem Herzen befestigt. Es würde sich beim Herzschlag nicht verformen“, sagte Burdick. „Es würde nur brechen.“

Um sowohl Festigkeit als auch Elastizität in 3D-gedruckten Hydrogelen zu erreichen, haben sich Burdick und seine Kollegen von Würmern inspirieren lassen, die sich immer wieder ineinander verwickeln und wieder entwirren und so dreidimensionale „Wurmklumpen“ bilden, die sowohl feste als auch flüssige Eigenschaften haben. Frühere Forschungen haben gezeigt, dass die Einbeziehung ähnlich verschlungener Molekülketten, sogenannter „Verschränkungen“, diese widerstandsfähiger machen kann.

Ihr neues Druckverfahren, bekannt als CLEAR (für Continuous-curing after Light Exposure Aided by Redox initiation), umfasst eine Reihe von Schritten, um lange Moleküle in 3D-gedruckten Materialien zu verhaken, ähnlich wie bei den ineinander verschlungenen Würmern.

Als das Team diese Materialien im Labor dehnte und mit Gewichten belastete (eine Forscherin überfuhr sogar eine Probe mit ihrem Fahrrad), stellte es fest, dass sie exponentiell widerstandsfähiger waren als Materialien, die mit einer Standardmethode des 3D-Drucks, dem sogenannten Digital Light Processing (DLP), gedruckt wurden. Und noch besser: Sie passten sich auch tierischen Geweben und Organen an und hafteten daran.

„Wir können jetzt Klebematerialien im 3D-Druckverfahren herstellen, die stark genug sind, um Gewebe mechanisch zu stützen“, sagte Co-Erstautor Matt Davidson, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter im Burdick Lab. „Das war uns vorher noch nie möglich.“

Revolutionierung der Pflege

Burdick kann sich vorstellen, dass solche 3D-gedruckten Materialien eines Tages dazu eingesetzt werden könnten, Herzfehler zu reparieren, geweberegenerierende Medikamente direkt an Organe oder Knorpel zu bringen, Bandscheibenvorfälle zu bändigen oder sogar Menschen im Operationssaal zu nähen, ohne dabei Gewebeschäden zu verursachen, wie es mit Nadel und Naht möglich ist.

Sein Labor hat ein vorläufiges Patent angemeldet und plant, in Kürze weitere Studien zu starten, um besser zu verstehen, wie Gewebe auf die Anwesenheit solcher Materialien reagiert.

Das Team betont jedoch, dass ihre neue Methode weit über die Medizin hinaus Auswirkungen haben könnte – auch in Forschung und Produktion. So macht ihre Methode beispielsweise den Einsatz zusätzlicher Energie zum Aushärten von Teilen überflüssig, was den 3D-Druckprozess umweltfreundlicher macht.

„Dies ist eine einfache 3D-Verarbeitungsmethode, die Menschen letztendlich in ihren eigenen akademischen Labors sowie in der Industrie einsetzen könnten, um die mechanischen Eigenschaften von Materialien für eine Vielzahl von Anwendungen zu verbessern“, sagte Erstautor Abhishek Dhand, Forscher im Burdick Lab und Doktorand in der Abteilung für Bioengineering an der University of Pennsylvania. „Es löst ein großes Problem für den 3D-Druck.“

Zu den weiteren Co-Autoren des Artikels gehören Hannah Zlotnick, eine Postdoktorandin im Burdick Lab, und die Wissenschaftler Thomas Kolibaba und Jason Killgore vom National Institute of Standards and Technology (NIST).