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Einleitung und Hintergrund
Das Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels (FRESH) wurde von Forschern aus den Fachbereichen Biomedizinische Technik und Materialwissenschaft und -technik an der renommierten US-amerikanischen Carnegie Mellon University entwickelt. Dieses Verfahren ermöglicht den 3D-Druck von Hydrogelen, die besonders in der Medizin Anwendung finden.
Das Potenzial des 3D-Drucks von Hydrogelen liegt in der Fähigkeit, komplexe Strukturen herzustellen, die mit herkömmlichen Methoden des Tissue Engineerings unerreichbar sind. Der Druck von Alginat, Kollagen, Fibrin und anderen weichen Hydrogelen stellt eine bedeutende Herausforderung dar, da diese Materialien sehr elastisch sind und sich bei einem schichtweisen Druckprozess an der Luft verformen würden.
Technische Aspekte und Funktionsweise des FRESH-Verfahrens
Um diese Herausforderung zu überwinden, entwickelten die Forscher ein spezielles Trägerbad aus Bingham-Plastik, in das die Hydrogele mit hoher Genauigkeit gedruckt und später freigesetzt werden können. Dieses Verfahren wird als Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels (FRESH) bezeichnet.
Im FRESH-Verfahren wird ein biokompatibles Trägermaterial verwendet, das Druck- und Gelierungsprozesse aushält, eine zerstörungsfreie Entfernung ermöglicht und gleichzeitig sterile Bedingungen sowie physiologische Temperatur-, pH- und Osmolalitätsbereiche gewährleistet.
Der eigentliche Druckprozess beginnt mit der Herstellung eines Gelatineblocks, der durch Mischen auf eine bestimmte Partikelgröße reduziert wird, was zu einer mikropartikulären Aufschlämmung führt. Anschließend wird ein MakerBot Replicator 3D-Drucker verwendet, der mit einem speziellen Spritzpumpen-Extruder ausgestattet ist. Dieser druckt Alginat, Kollagen Typ I und Fibrin in den vorgesehenen 3D-Geometrien im Stützbad aus.
Die Grundlage für diese 3D-Geometrien sind Daten und Bilder, die durch Kernspintomographie und Computertomographie erzeugt wurden. Nach dem 3D-Druck wird der Gelatine-Träger bei 37 Grad Celsius geschmolzen und die gedruckten Strukturen freigelegt.
Anwendungsbeispiele und Potenzial des FRESH-Verfahrens
Um die Druckgenauigkeit und -treue zu überprüfen, werden die erstellten Konstrukte unter dem Mikroskop abgebildet und mit den ursprünglichen Computermodellen verglichen. Dazu wurden verschiedene Experimente durchgeführt, wie beispielsweise der Druck dreier Buchstaben in Alginat und der 3D-Druck von MRI-Daten eines Koronararterienbaums mit fluoreszierendem Alginat. Dabei stellte sich heraus, dass das Lumen gut definiert, durchlässig und durchblutbar war. Anschließend wurden Teile eines embryonalen Kükenherzens entnommen, die Zellen und die extrazelluläre Matrix eingefärbt und dann mit einem Multiphotonenmikroskop in 3D abgebildet. Aus diesen bildgebenden Daten wurde ein 3D-Modell erstellt und gedruckt, das mit internen Trabekeln ausgestattet war.
Ziele und Zukunftsprognose des FRESH-Verfahrens
Das ultimative Ziel der Forscher ist es, ein 3D-Bioprinting-Verfahren zu entwickeln, das es ermöglicht, komplexe Strukturen aus weichen und biologischen Hydrogelen herzustellen. Das beinhaltet auch das Drucken von Arterien und Herzen. Die durchgeführten Dimensionsanalysen haben eine hohe Wiedergabetreue mit den ursprünglichen 3D-Modellen bestätigt, was auf den erfolgreichen Einsatz dieser neuen, kostengünstigen Technologie hindeutet.
In der Zukunft planen die Forscher, sich auf die Zellularisierung der Konstrukte zu konzentrieren. Das bedeutet, sie wollen mit dem FRESH-Verfahren funktionelles Gewebe erschaffen. Dies könnte in vielen Bereichen der Medizin, insbesondere in der regenerativen Medizin und bei Organtransplantationen, einen großen Unterschied machen.
Weiterführende Informationen und Quellen
Für weitere Informationen zum FRESH-Verfahren besuchen Sie bitte die folgenden Links:
- APL Bioengineering: Wissenschaftlicher Artikel über das FRESH-Verfahren
- Allevi3D: Einführung in das FRESH-Verfahren von Allevi3D
- Science.org-Artikel über das FRESH-Verfahren
- 3D-grenzenlos Magazin: Bericht über die Anwendung des FRESH-Verfahrens in der Gewebedrucktechnologie