Wissenschaftler der Technischen Universität Wien (TU Wien) haben eine innovative Methode entwickelt, mit der sich künstliches Knorpelgewebe mittels 3D-Bioprinting erzeugen lässt. Diese neue Technik, die auf einem laserbasierten Verfahren beruht, könnte die Art und Weise, wie beschädigtes Knorpelgewebe behandelt wird, grundlegend verändern. Knorpel ist ein wesentliches Bindegewebe, das in verschiedenen Körperteilen vorkommt und unsere Gelenke sowie Knochen schützt.
Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Acta Biomaterialia unter dem Titel „Scaffolded spheroids as building blocks for bottom-up cartilage tissue engineering show enhanced bioassembly dynamics“ veröffentlicht und nachfolgend von uns zusammengefasst.
Ein Durchbruch in der 3D-Bioprinting-Technologie
Die Forschungsgruppe, geleitet von Oliver Kopinski-Grünwald vom Institut für Werkstoffwissenschaften und Technologie der TU Wien, hat eine hochauflösende 3D-Druckmethode zur Herstellung mikroskopisch kleiner, poröser Kugeln entwickelt. Diese Mikrokugeln werden anschließend mit Zellen gefüllt, was mehrere Vorteile bietet, darunter die Fähigkeit, die Zellen zu einem zusammenhängenden, lebenden Gewebe zu verschmelzen. Darüber hinaus dienen diese mikroskopischen Kugeln als Stützstruktur und können in eine Vielzahl von Formen angeordnet werden.
Herausforderungen und Lösungen
„Die Züchtung von Knorpelzellen aus Stammzellen stellt nicht die größte Herausforderung dar. Das Hauptproblem ist, dass man normalerweise wenig Kontrolle über die Form des resultierenden Gewebes hat“, erläutert Kopinski-Grünwald. Dieses Problem wird durch die Tendenz der Stammzellklumpen, ihre Form über die Zeit zu verändern und oft zu schrumpfen, noch verstärkt. Die maßgeschneiderte laserbasierte 3D-Druckmethode ermöglicht die Erzeugung dieser Mikrostrukturen mit einem Durchmesser von nur einem Drittel eines Millimeters, in die dann Stammzellen verteilt werden.
Spezialisierte Stammzellen im Einsatz
In dieser Studie kamen spezialisierte Stammzellen zum Einsatz, die bereits so programmiert sind, dass sie eine bestimmte Art von Gewebe – in diesem Fall Knorpelgewebe – erzeugen und nicht in andere Gewebetypen auswachsen können. „Auf diese Weise können wir zuverlässig Gewebeelemente produzieren, in denen die Zellen gleichmäßig verteilt sind und die Zelldichte sehr hoch ist. Das wäre mit früheren Ansätzen nicht möglich gewesen“, erklärt Aleksandr Ovsianikov, Leiter der Forschungsgruppe 3D-Druck und Biofabrikation an der TU Wien.
Die mikroskopisch kleinen Käfigstrukturen wurden aus einem biokompatiblen und biologisch abbaubaren Kunststoff 3D-gedruckt. Interessanterweise zerfällt dieses Kunststoffgerüst allmählich über einige Monate, wobei das fertige Gewebe in seiner endgültigen Form zurückbleibt. Das Team betont, dass dieser Ansatz verwendet werden könnte, um verschiedene Arten von größeren Geweben, einschließlich Knochen, zu formen. Als ersten Schritt plant das Team, bestimmte Einschränkungen anzugehen. Insbesondere größere Gewebe erfordern die Einbeziehung von Blutgefäßen, was bei Knorpelgewebe nicht der Fall ist.
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Die Zukunft der regenerativen Medizin
„Ein anfängliches Ziel wäre, kleine, maßgeschneiderte Stücke von Knorpelgewebe zu produzieren, die nach einer Verletzung in bestehendes Knorpelmaterial eingesetzt werden können“, sagt Kopinski-Grünwald. „Auf jeden Fall konnten wir nun zeigen, dass unsere Methode zur Herstellung von Knorpelgewebe mit sphärischen Mikrogerüsten prinzipiell funktioniert und entscheidende Vorteile gegenüber anderen Technologien hat“, fügt Kopinski-Grünwald hinzu. Die 3D-Bioprinting-Technologie wird als der nächste große Schritt in der medizinischen Technologie betrachtet und kann eine wichtige Rolle in der regenerativen Medizin spielen, indem sie Gerüste und Strukturen produziert, die bei der Regeneration verletzter Gewebe helfen und somit die natürliche Heilung unterstützen.
