Forscher der University of Wisconsin-Madison haben mit Hilfe von 3D-Druckern spezielle Blutgefäße entwickelt, mit dem Ärzte und Patienten Probleme schneller bemerken und notwendige Behandlungen schneller einleiten können. Die Forscher kombinierten dabei piezokeramische Natrium-Kalium-Niobit-Nanopartikel mit einem ferroelektrischen Polyvinylidenfluorid-Polymer. Mithilfe von Biomedizinern wollen die Forscher ihre Entwicklung jetzt noch weiter verbessern.

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Teilweise durch Transplantate ersetzte Blutgefäße werden nach dem Eingriff mit CT-Scans, Ultraschall und teuren bildgebenden Verfahren überwacht. Forscher der University of Wisconsin-Madison haben in einer Pressemitteilung bekannt gegeben, dass ihre entwickelten Blutgefäße aus dem 3D-Drucker Ärzten und Patienten die Möglichkeit bieten, den Blutdruck besser im Auge zu behalten. Jährlich werden allein in den USA 450.000 Patienten operiert, um Blutgerinnsel, Koronar-Erkrankungen, Schlaganfallschäden und andere Herzerkrankungen zu behandeln. Bis zu 50% der Transplantate versagen, weshalb Forscher mit neuen Lösungen Probleme mit dem Blutdruck schneller in den Griff bekommen wollen.

Die beiden Wissenschaftler Xudong Wang und Jun Li haben ihre Arbeit über ihre Entwicklung in dem Fachmagazin Advanced Functional Materials unter dem Titel „Multifunctional Artificial Artery from Direct 3D Printing with Built‐In Ferroelectricity and Tissue‐Matching Modulus for Real‐Time Sensing and Occlusion Monitoring“ veröffentlicht.

Details zum 3D-Druck der Blutgefäße

Das implantierbare Blutgefäß aus flexiblem Verbundmaterial erzeugt bei Druckschwankungen elektrische Impulse. Diese können den Blutdruck im Gefäß ohne zusätzliche Stromquellen genau bestimmen. Aufgrund seiner 3D-gedruckten Geometrie kann das elektrische Impulsprofil in sehr frühen Stadien erkennen, ob aufgrund einer Blockade im Inneren eine unregelmäßige Bewegung vorliegt. Niederländischen Forschern gelang es 2017, ein Blutgefäß-Modell mittels 3D-Drucker für die Thrombose-Forschung herzustellen.

3D-gedrucktes Blutgefäß und Blutfluss
Mit dem 3D-gedruckten Blutgefäß sollen Ärzte und Patienten Probleme früher erkennen können (Bild © Xudong Wang).

Wang hat Materialien für Arterienprojekte bereits sehr lange erforscht. Wichtig war ihm dabei, dass das Material flexibel und piezoelektrisch sein würde, damit es aus mechanischer Beanspruchung eine biokompatible elektrische Ladung erzeugen kann. Die Forscher kombinierten piezokeramische Natrium-Kalium-Niobit-Nanopartikel mit einem ferroelektrischen Polyvinylidenfluorid-Polymer, welches beim Anlegen eines elektrischen Feldes die Polarität umkehren kann. Sie druckten eine röhrenförmige Arterie mit einem einfachen 3D-Drucker.

Tests und weitere Optimierungen

das 3D-gedruckte Blutgefäss
3D-gedrucktes Blutgefäß (Bild © Xudong Wang).

Der 3D-Drucker extrudierte das Material durch ein starkes elektrisches Feld in der Nähe der Düse, wodurch die Keramikpartikel polarisiert wurden und der Struktur die piezoelektrische Eigenschaft verliehen. In einem Test schloss Jun Li die künstliche Arterie an ein künstliches Herzsystem an und simulierte Blockaden, Bluthochdruck und andere Probleme. Das Material erfasste die Änderungen der Kraft und des Drucks in der Arterie. Nun wollen die Forscher den ferroelektrischen Verbundwerkstoff und das 3D-Druckverfahren optimieren, um die 3D-gedruckte Struktur empfindlicher zu machen. Forscher aus der Biomedizin sollen ihnen helfen, die Arterie mit noch realistischeren Modellen des Kreislaufsystems zu testen.

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