Multiphoton Optics aus dem bayerischen Würzburg hat mit 3D Lithographie und auf Grundlage von dem Verfahren Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) ein biodegradierbares, osteochondrales 3D-Scaffold hergestellt. Die Forscher konnten dabei eine Druckgeschwindigkeit von 1 cm³ in 1,5 Stunden erreichen. Den Forschern half der weiterentwickelte Prototyp der Multiphoton Optics 3D-Druck-Plattform LithoProf3D®.

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Das deutsche Unternehmen Multiphoton Optics hat mit seiner 3D Lithographie mittels Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) erstmals ein biodegradierbares, osteochondrales 3D-Scaffold (Trägerstrukturen) von ca. einem Kubikzentimeter in weniger als eineinhalb Stunden in nur einem Prozessschritt hergestellt. Monolithische biphasische Implantate in kurzer Zeit herzustellen kann den Bedarf an Implantaten besser anpassen und diese schneller vor einer Operation herstellen. Patienten mit krankheitsbedingtem Defekt wären in der Lage, biodegradierbare, maßgeschneiderte Knochen-Knorpel-Implantate in nur einem einzigen operativen Eingriff am Patienten zu erhalten. Kosten im Gesundheitswesen würden dabei gesenkt werden.

Verwendung der 3D-Druck-Plattform LithoProf3D®

10 mm hohes Scaffold
Die Struktur wurde mit einem weiterentwickelten Prototypen des LithoProf3D® hergestellt (im Bild: 10 mm hohes Scaffold mit komplexer Trägerstruktur) (Bild © Multiphoton Optics).

Bei der technologischen Umsetzung war den Forschern der Prototyp der weiterentwickelten Multiphoton Optics 3D-Druck-Plattform LithoProf3D® eine Hilfe. Das System automatisiert Prozessschritte innerhalb der Anlage. Die Steuersoftware wurde speziell auf die Herstellung von Scaffolds optimiert. Die Entwicklung entstand im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts Poly-IMPLANT-Druck. Es galt, die Herstellung, Analyse und Einsatztests von monolithischen biphasischen Implantaten zur Stimulation der Geweberegeneration von Knochen-Knorpel-Defekten zu erreichen.

Die entstandenen 3D-Scaffolds fungieren als mechanischer Träger, als bioaktives Gerüst, das den Zellen einen optimalen Nährboden zum Wachsen bietet. Das Scaffold basiert auf einem biomimetischen Design vom iba Heiligenstadt e.V. und hat eine Höhe von 10 und einen Durchmesser von 7 Millimetern. Weiter ist es durch eine Trennschicht in eine 3 Millimeter hohe Knorpel- und eine 7 mm hohe Knochenphase unterteilt.

1cm³ in 1,5 Stunden: Hohe Geschwindigkeit

Dank freier Designgestaltung können die mechanischen Eigenschaften wie z.B. Porosität und E-Modul der jeweiligen Phasen angepasst werden, dass sie den echten Vorbildern von Knochen und Knorpel sehr nahekommen. Mit dem entwickelten Prototypen können 1cm3 große Scaffolds in 1,5 Stunden entstehen, was einen ersten wichtigen Schritt in Richtung Skalierbarkeit darstellt.

Die Forscher verwendeten das biodegradierbare Material Poly-((D, L)-Lactid-co-ε-Caprolacton)-dimethacrylat (LCM3) das iba Heiligenstadt e.V. entwickelt hat. Es soll später durch das besser vom Körper abbaubare Poly(Amid-co-ε-Caprolacton)-dimethacrylat (ACM) ersetzt werden.
Projektpartner führen derzeit Zell- und Befüllungstests der Scaffolds durch. Eine Tierstudie soll folgen.

Das Unternehmen arbeitet an einer Steigerung des Automatisierungsgrades der Anlage, was den Produktionsdurchsatz in Zukunft noch erhöhen und eine Serienfertigung auch in anderen Anwendungsbereichen ermöglichen soll. Individuell designte 3D-Scaffolds bringen außerdem neue Therapiewege.

Makroskopische Pore der Knochenphase
Im Bild ist eine makroskopische Pore der Knochenphase zu sehen. Hier ist gut erkennbar, dass das Scaffold intern noch über eine Mikrostruktur mit einer Porengröße von ca. 20 µm verfügt (Bild © Multiphoton Optics).

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