US-amerikanische Forscher von der University of Virginia haben gemeinsam an der Entwicklung eines 3D-Bioprinting-Verfahren namens „DASP – Digital Assembly of Spherical Viscoelastic Bio-Ink Particles“ gearbeitet. Das Biodruck-Verfahren könnte unter anderem bei einer besseren Transplantation von Inselzellen zur Typ-1-Diabetes-Behandlung helfen. Wir stellen das DASP-Bioprinting-Verfahren vor.

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Forscher der medizinischen Fakultät und der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und angewandte Wissenschaften der University of Virginia, entwickelten einem Artikel des Universitätsmagazins zufolge ein 3D-Bioprinting-Verfahren namens „DASP – Digital Assembly of Spherical Viscoelastic Bio-Ink Particles“. Verglichen mit anderen 3D-Biodruck-Technologien soll DASP größere strukturelle Vielseitigkeit bieten und natürliche Bedingungen des Körpers besser nachahmen. Das Forscherteam möchte DASP auf Typ-1-Diabetes-Transplantationsmechanismen anwenden. Ihre Arbeit veröffentlichten sie in einem Artikel mit dem Titel „Digital Assembly of Spherical Viscoelastic Bio-Ink Particles„.

Liheng Cai, Assistenzprofessor für Biomedizintechnik, leitet das Team.

„Wenn Sie an Bioprinting denken, bietet es eine sehr gute Kontrolle über die Erstellung komplexer Architekturen, die die Geometrie und die biologischen Funktionen von Geweben und Organen nachahmen.“

Details zu DASP – Digital Assembly of Spherical Viscoelastic Bio-Ink Particles

Bisherige Bioprinting-Techniken haben funktionelle Einschränkungen. Hydrogele werden mit Zellen gemischt, woraus Biotintenfilamente entstehen. Die Filamente werden schichtweise gestapelt, um nahezu beliebige, dreidimensionale Strukturen zu konstruieren. Die natürliche Umgebung des Körpers wird nicht sehr genau nachgeahmt, da es nicht reproduziert, was die Natur tut. Laut Cai ist in echten biologischen Geweben jede Zelle von vielen anderen Zelltypen und auch von vielen anderen Proteinen umgeben.

Um das Problem zu beheben, haben sich die Forscher am Videospiel Minecraft orientiert. Darin werden Voxel, also kleine Würfel, genutzt, die beim Bau von Objekten im Spieluniversum helfen. Die Ingenieure überlegten, wie aus biosynthetischen Voxeln zelluläre Strukturen und Gewebe entstehen können. Im Minecraft-Spiel lassen sich Gebäude und Objekte aus einzelnen Voxeln und aus verschiedenen Materialien wie rotem Sandstein oder poliertem Diorit konstruieren. Diese funktionellen Einschränkungen werden durch die Anwendung dieses Konzepts zur Herstellung biosynthetischer Materialien aus einzelnen Tröpfchen behoben.

Cai erklärt in der Mitteilung der Universität:

„Das ist wirklich unser langfristiges Ziel – ein biologisches Voxel zu schaffen, um diese Voxel zu 3D-Gewebenachahmungen zusammenzusetzen.“

Ansicht von oben und von der Seite des DASP-Verfahrens
Das DASP-Verfahren ist eine Entwicklung von Forschern der University of Virginia (im Bild: Ansicht aus zwei Perspektiven)(Bild © Screenshot YouTube-Video „Digital Assembly of Spherical Viscoelastic Bio-ink Particles (DASP)“).

Es gibt zwei große Herausforderung. Die verwendeten biologischen Materialien für die Erzeugung der Voxeln sind sehr viskos, wodurch sich die Tropfen schwer von der Druckerdüse lösen. Das beeinträchtigt Form und Platzierung. Die zweite Herausforderung ist es, diese Tropfen in einem Raum zu fixieren, bevor sie zusammengefügt werden.

Das Team entwickelte einen reversiblen Prozess, bei dem die 3D-Druckerdüse einzelne Tröpfchen in einer Stützmatrix und nicht in Luft freisetzt. Die Düse löst sich leichter und die Tröpfchen werden präzise platziert. In einer wasserlöslichen Umgebung schwellen die Tröpfchen bzw. Voxel an und verschmelzen zum Teil miteinander, nachdem sie in die Trägermatrix eingebracht wurden. Eine vollständige Struktur aus einzelnen Tröpfchen entsteht. Die Schwellung erzeugt eine 3D-Struktur aus unterschiedlichen Voxeln, die viel kleiner als Filamente sind, wodurch sie eine größere strukturelle Vielseitigkeit bieten. Außerdem ahmen sie echte biologische Gewebe besser nach.

DASP zur Transplantation von Inselzellen

9,5 Prozent der Menschen weltweit leiden an Typ-1-Diabetes, bei der das Immunsystem Beta-Inselzellen fälschlicherweise als fremde Eindringlinge wahrnimmt und sie zerstört. Die in der Bauchspeicheldrüse befindlichen Zellen sind für die Insulinproduktion verantwortlich, die der Körper dringend benötigt, um Zucker aufzunehmen und Energie zu produzieren. Patienten müssen mit Insulininjektionen nachhelfen, um den Mangel auszugleichen. Eine weitere Methode wäre die Transplantation dieser Zellen, um die geschädigten Zellen auszugleichen.

Mit DASP könnten Mediziner einzelne Zellen direkt in eine 3D-Struktur für die Transplantation drucken statt einzelne Zellen zu transplantieren. Das Gerüst von DASP ist eine temporäre Struktur, die Zellen trainieren soll, Gewebestrukturen zu bilden. Die Stützmatrix müsste bei Inseltransplantationen gestärkt werden, da diese eine strukturelle Unterstützung benötigen. So könnten sie langfristig im Körper des Patienten bleiben und funktionsfähige Zellen anbieten. Derzeit testen sie ihre Entwicklung an Mäusen.

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Video zum DASP-Bioprinting-Verfahren

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