Neue Biodruckfarbe für den 3-D-Druck gewebeähnlicher Strukturen

Im Labor gezüchtete Gewebe sind ein Hoffnungsträger für Menschen mit Gewebeschädigungen. Sie könnten einmal Knorpelmasse, Nervenbahnen, Hautpartien oder ganze Organe ersetzen, die durch Krankheiten oder Unfälle verletzt wurden.

Bei Raumtemperatur flüssig

Wissenschaftler der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) haben nun ein neues Thermogel synthetisiert, das alle Anforderungen an Biodruckfarben für die regenerative Medizin erfüllt: Bei Raumtemperatur ist die Verbindung aus Polymer und lebenden Zellen flüssig, bei Erwärmung geliert das Material (ähnlich wie Gelatine beim Erkalten), besitzt justierbare physikalische und biologische Eigenschaften und ist in ausreichender und gleichbleibender Qualität herstellbar. Die Forscher berichten darüber im Fachmagazin „Biomacromolecules„.

Große mechanische Stärke

„Wir denken, dass die robuste und doch variable Synthese eine große Stärke dieses neuen Biomaterials sein könnte“, sagt Professor Robert Luxenhofer vom Lehrstuhl für Chemische Technologie der Materialsynthese an der Uni Würzburg. Von anderen Thermogelen hebt es sich durch eine besondere mechanische Stärke ab. Zudem unterscheidet sich die Struktur des Gels von anderen bekannten Biodruckfarben: Es bildet ein so genanntes „bikontinuierliches“ schwammartiges Netzwerk aus, im Gegensatz zum häufig auftretenden Netzwerk aus dicht gepackten Kugeln. Dies legen Untersuchungen mit Hilfe von Neutronenstreuung nah, die die Forscher an einem Gerät des Forschungszentrums Jülich durchführen konnten.

Durchgängige Kanäle

„Die Neutronenkleinwinkelstreuapparatur KWS-1, die wir an der Jülicher Außenstelle am Heinz Meier-Leibnitz Zentrum in Garching betreiben, ist besonders geeignet, um Strukturen im Bereich einiger Nanometer zu untersuchen. Das ist speziell bei solchen Hydrogelen wichtig, da hier das makroskopische Verhalten oft durch diese Nanostruktur mitbestimmt wird“, erläutert Dr. Sebastian Jaksch vom Jülich Centre for Neutron Science. „Für eine zukünftige Anwendung ist unser Material auch deshalb spannend, weil es durchgängige Kanäle besitzt, die für das Zellwachstum förderlich sind.“

Polymerbausteine mit Zellen verbinden

Der Polymeranteil der neuen Biodruckfarbe besteht aus zwei sich abwechselnden Polymerbausteinen, von denen einer bei Erwärmung geliert und der andere wasserliebend ist. Als biologische Komponente mischten die Forscher sogenannte „Fibroblasten“ bei, noch nicht voll differenzierte Zellen, aus denen verschiedene Bindegewebszelltypen entstehen können. Das flüssige Polymer-Zell-Gemisch wird zunächst durch Erwärmung in einen Gelzustand und dann mit 3D-Druckern in die gewünschte Form gebracht. Diese Prozedur überstehen die Zellen hervorragend, zeigten die Forscher. Sie betonen, dass die genaue chemische Zusammensetzung ihres Thermogels leicht variiert werden kann und das System dadurch hervorragend sowohl für die weitere Grundlagenforschung als auch für Anwendungen geeignet ist.