Forscher der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) haben einen sechsachsigen Roboterarm in einen 3D-Biodrucker umgewandelt. Damit ist es ihnen gelungen schlagendes Herzgewebe, das für mindestens sechs Monate als „lebend“ galt, im 3D-Druckverfahren herzustellen. Die Forscher konnten außerdem komplex geformte Blutgefäßgerüste herstellen.

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Forschern der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) ist es gelungen, einen sechsachsigen Roboterarm in einen 3D-Biodrucker umzuwandeln, der Zellen aus allen Richtungen drucken kann und somit noch mehr Flexibilität als bisherige 3D-Biodrucker verleiht. Der jetzige kann komplex geformte Blutgefäßgerüste herstellen, ohne Zellschäden zu verursachen oder das Zellwachstum und die Zellfunktion zu verhindern. Sie druckten ein schlagendes, vaskularisiertes Herzgewebe, das mindestens sechs Monate überlebte. Ihre Arbeit haben sie in einem Artikel mit dem Titel „A multi-axis robot-based bioprinting system supporting natural cell function preservation and cardiac tissue fabrication“ im Fachjournal Bioactive Materials veröffentlicht.

Probleme und Lösung mit 6-achsigem Bioprinter

In ihrer Studie suchten die CAS-Forscher nach Möglichkeiten, aktuelle Herausforderungen um die Einbeziehung von Blutgefäßnetzwerken während des Bioprinting-Prozesses zu überwinden. Aktuelle Technologien beruhen auf der Immobilisierung gedruckter Zellen. Sie fügen Biotinten künstliche Biomaterialien hinzu, die die Zellfunktion und die Bildung neuer Blutgefäße hemmen können. Das reduziert die biologische Funktion der gedruckten Struktur und ihre langfristige Überlebensfähigkeit.

Die Forscher wandelten einen sechsachsigen Roboterarm in einen 3D-Biodrucker um, damit der Zelldruck aus allen Richtungen möglich ist. Sie wollten eine Verfestigung von Biomaterialien vermeiden, weshalb sie ein ölbadbasiertes Zelldrucksystem entworfen haben. Dieses soll die gedruckten Zellen durch Hydrophobie oder den Prozess der Wasserabstoßung in Blutgefäßgerüste umwandeln. Die Blutgefäßgerüste können so ihre Zellaktivität besser aufrechterhalten und die Bildung von Zell-zu-Zell-Kontakten fördern.

Für den Entwurf einer wiederholten Print-and-Culture-Bioprinting-Strategie inspiriert von natürlichen Organentwicklungsprozessen, verwendeten sie den umgebauten Bioprinter und das Ölbad. Sie druckten ein- und mehrschichtige Zellen auf das Blutgefäßgerüst, die für bestimmte Intervalle kultiviert wurden, wodurch sie die Bildung von Zell-zu-Zell-Kontakten und das Wachstum neuer Blutgefäße induzieren wollten. Anschließend wurden das Gerüst und die bereits gedruckten Zellen einer neuen Bioprinting-Runde unterzogen.

Ein schlagendes Herz aus dem 3D-Drucker

Das Druck- und Kulturverfahren könnte laut den Forschern theoretisch die Herstellung funktional komplexer Gewebe und ganzer Organe ermöglichen, die mit Blutgefäßnetzwerken verbunden sind und dadurch lange überleben können. Sie bewiesen ihre Idee, indem sie ein Stück vaskularisiertes Herzgewebe in 3D druckten. Dieses schlug rhythmisch und wurde für mindestens sechs Monate als „lebendig“ eingestuft, heißt es in dem Forschungsbericht weiter. Eine Zwei-Roboter-Plattform soll das gleichzeitige Bioprinting mehrerer Zelltypen auf komplex geformten Blutgefäßgerüsten erreichen.

Weiteres Bild aus CAS-Studie zum Roboter-Bioprinter
Zwei-Roboter-Plattform ermöglicht kooperatives Bioprinting verschiedener Biotinten auf komplex geformte Gerüste (Bild © Bioactive Materials).

Die Forscher nehmen an, dass ihre Bioprinting-Plattform eine mögliche Strategie zur Herstellung großflächiger und funktional künstlicher Gewebe und Organe in einer In-vitro-Umgebung darstellt. Israelische Forscher und Bayer Pharmaceuticals testeten bereits 2020 Medikamente auf Herzgewebe aus dem 3D-Drucker. Weitere Artikel zum 3D-Druck von Organen finden Sie in unserer Themenkategorie Organe aus dem 3D-Drucker.

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