Der 3D-Druck von Ersatzgewebe gewinnt verstärkt an Bedeutung in der regenerativen Medizin, doch die Qualitätskontrolle gestaltet sich schwierig. In einem Forschungsprojekt namens „PhotonControl“ testen deutsche Forscher verschiedene Verfahren zur Qualitätskontrolle. Und präsentieren Lösungsansätze.

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Der 3D-Druck von Ersatzgewebe gewinnt verstärkt an Bedeutung in der regenerativen Medizin, doch die Qualitätskontrolle gestaltet sich schwierig. In einem Forschungsprojekt namens „PhotonControl“ testen Jürgen Groll von der Universitätsklinik Würzburg und Dr. Gereon Hüttmann von der Universität Lübeck verschiedene Verfahren zur Qualitätskontrolle. Jürgen Groll ist Inhaber des Lehrstuhls für Funktionswerkstoffe der Medizin und Zahnheilkunde und Dr. Gereon Hüttmann arbeitet im Institut für Biomedizinische Optik.

Das Forschungsprojekt dauert zwei Jahre und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen seiner Förderinitiative „Wissenschaftliche Vorprojekte“ mit rund 240.000 Euro finanziert. Laut Groll, sei die Qualitätskontrolle während des Druckprozesses eine große Herausforderung, weil die Messungen zerstörungsfrei durchgeführt werden sollen und auf die Verwendung spezieller Marker verzichtet wird, lässt sich einer Pressemitteilung entnehmen.

Herausforderungen beim 3D-Druck von Ersatzgewebe

Zum Beispiel könnten keine chemischen Farbstoffe eingesetzt werden, weil sich dies auf die Gewebereifung der gedruckten Konstrukte auswirken würde. Die Druckzeiten der Biofabrikation fallen sehr unterschiedlich aus, reichen von ein paar Minuten für sehr einfache Objekte bis hin zu Stunden. Die Strukturen seien vergleichsweise groß, weshalb die überwiegenden Herausforderungen weder kurze Messzeiten noch die Auflösung sei. Stattdessen spielt die Sammlung relevanter chemischer, biochemischer und morphologischer Informationen eine wichtige Rolle. Da die Druckzeiten teilweise lang sind, wäre eine Charakterisierung im Zuge des Druckprozesses wünschenswert.

Lösungsansätze für die Praxis

Vorläuferzellen des Stütz- und Bindegewebes
Vorläuferzellen des Stütz- und Bindegewebes (z.B. Knochen, Knorpel, Muskel, Bändern, Sehnen) auf einem Konstrukt aus biologisch abbaubarem Kunststoff (Bild © Universitätsklinikum Würzburg).

Die Raman-Spektografie (Raman) und optische Kohärenztomographie (OCT) sind nach Ansicht der Wissenschaftler zwei Techniken, welche die Anforderungen erfüllen. Die beiden Verfahren benötigen keine Farbstoffe und können das Gewebe nicht beschädigen. Mit OCT wird eine strukturelle Bildgebung in Echtzeit realisiert und ist dazu in der Lage mechanische Eigenschaften quantitativ zu messen. Raman dient zur Sammlung molekularer Informationen für die chemische und biochemische Charakterisierung von 3D-Gewebestrukturen.

Ziele von PhotonControl

Ziel des Forschungsprojekts „PhotonControl“ ist die Erforschung der grundlegenden Kombination beider Verfahren zu einer Inprozesskontrolle bei Gewebemodellen oder Gewebeimplantaten aus dem 3D-Drucker. Die Forscher werden ihre gedruckten Hydrogele und Thermoplaste zuerst mit klassischen Methoden und danach mit den zwei Techniken analysieren.

Die Ergebnisse der Forschungsarbeit könnte in einem thematisch weiterführenden Verbundprojekt resultieren. Der Schwerpunkt des Verbundprojekts wäre die Umsetzung in eine Systemlösung, die aus einem optischen Verfahren wie OCT, Raman und 3D-Drucktechnologie besteht. Die Systemlösung soll der Steuerung, Regelung und Überwachung von Druckprozessen dienen, ebenso sollen lebende Zellen in diesen Produkten kontrolliert werden.

Bei der Biofabrikation (Bioprinting) kommt modernste 3D-Drucktechnologie zum Einsatz, die aus Zellen und Gerüstmaterialien Strukturen fertigt, die dem natürlichen Gewebe im Aufbau nachempfunden werden. Auf diese Weise soll es zu einer besseren und schnelleren Ausbildung von funktionalen, menschlichen Gewebe kommen.

Im Bereich des Bioprintings gibt es Forschungen und Fortschritte weltweit. Das Unternehmen CollPlant aus Israel zum Beispiel hat in den USA eine 3D-Bioprinting-Tinte patentieren lassen. Die Tinte basiert auf der selbstentwickelten rhCollagen-Technologie und zum 3D-Druck sowohl von Gewebe als auch Organen gedacht ist. In Australien besteht seit November 2016 ein Biofabrication Institute, an dem Knochen, Korpel und Gewebe per 3D-Drucker hergestellt werden sollen. Mehr als 80 weitere Beispiele, Forschungen und News bietet unserer Themenseite „Bioprinting/ 3D-Biodrucker“ sowohl täglich unser kostenloser 3D-Drucker-Newsletter (anmelden).

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