US-Forscher an der Penn State University haben eine Methode entwickelt, bei der sie mit einem 3D-Bioprinting-Vorgang Schädel- und Gesichtsverletzungen in nur einem Schritt operativ behandeln können. Bislang war dies ein schwieriges Prozedere, bei dem Knochen aus anderen Bereichen oder von Verstorbenen eingesetzt wurden. Mit der neuen Methode wird diese Behandlung deutlich vereinfacht.

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Logo PennState Ozbolat LabWenn Haut oder Knochen am Gesicht oder Schädel verletzt sind, dann ist eine Behandlung für die Ärzte schwierig, da dieser Bereich aus vielen Gewebeschichten unterschiedlicher Typen besteht. Forschern der Penn State University ist es jetzt laut einer Pressemitteilung gelungen, derartige Defekte in einem Rattenmodell mit dem Bioprinting-3D-Druckverfahren während der Operation zu reparieren. Haut und Knochen konnten so besser und schneller heilen, wie sie in einer Arbeit mit dem Titel „Intra‐Operative Bioprinting of Hard, Soft, and Hard/Soft Composite Tissues for Craniomaxillofacial Reconstruction“ im Fachmagazin Advanced Functional Materials vorstellen.

Verletzungen am Schädel behandeln

Wenn durch eine Verletzung ein Loch im Schädel entsteht, dann ist neben den Knochen auch das Weichgewebe beteiligt. Das Loch zu fixieren ist dann nicht leicht. Bisher wurden für die Behandlung Körperteile des Patienten oder eines Verstorbenen verwendet. Der Knochen muss von weichem Gewebe mit Blutfluss bedeckt sein, um zu überleben. Außerdem müssen die Chirurgen das Weichgewebe unter der Haut reparieren. Weich- und Hartgewebeschäden lassen sich mit einer chirurgischen Methode nicht gleichzeitig beheben. Mit der entwickelten Methode können Ärzte den gesamten Defekt vom Knochen bis zur Epidermis auf einmal rekonstruieren.

Ibrahim T. Ozbolat, Associate Professor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik in der Familie Hartz, Biomedizintechnik und Neurochirurgie, Penn State, erklärt:

„Diese Arbeit ist klinisch bedeutsam. Der Umgang mit Kompositdefekten, das gleichzeitige Fixieren von Hart- und Weichgeweben, ist schwierig. Und für den kraniofazialen Bereich müssen die Ergebnisse ästhetisch ansprechend sein.“

Der Bioprinting-Vorgang

Die Forscher nutzten extrudierendes und Tröpfchen-Bioprinting von Zellmischungen und Trägermaterialien. Damit stellten sie Knochen und Weichgewebe her und konnten ein 5-Millimeter-Loch im Schädel reparieren. Die „Hartgewebetinte“ bestand aus Kollagen, Chitosan, Nano-Hydroxylapatit und anderen Verbindungen sowie mesenchymalen Stammzellen – multipotenten Zellen im Knochenmark, die Knochen, Knorpel und Knochenmarkfett bilden. Diese Mischung extrudiert bei Raumtemperatur und erwärmt sich beim Auftragen auf den Körpertemperatur. Dadurch geschieht eine physikalische Vernetzung des Kollagens und anderer Teile der Tinte. Es werden keine weiteren ergänzenden Mittel benötigt.

Mit dem Tröpfchendruck wird das Weichgewebe mit dünneren Schichten als der Knochen erzeugt. Kollagen und Fibrinogen werden abwechselnd in Schichten mit vernetzenden und wachstumsfördernden Verbindungen aufgetragen. Wie auch die einzelnen Hautschichten unterscheiden sich auch die in 3D gedruckten Gewebe in ihrer Zusammensetzung.

Bioprinting-Prozedere grafisch dargestellt
Mit der Bioprinting-Methode der Forscher (im Bild grafisch dargestellt) können Chirurgen Kopfverletzungen in einem Schritt schneller operativ beheben (Bild © Ozbolat Laboratory, Penn State).

Der Eingriff mit dem Bioprinter

Mit einem 3D-Scanner konnten sie die genaue Geometrie des Problems erkennen und legten die Knochenschichten ab, die als Barriereschicht diente. Damit wurde verhindert, dass Zellen aus den Hautschichten nicht in den Knochenbereich wandern und dort wachsen. Anschließend druckten die Forscher die Hautschichten. Laut Ozbolat dauerte es weniger als 5 Minuten, bis der Bioprinter die Knochenschicht und das Weichgewebe abgelegt hatte.

Nach mehr als 50 Defektverschlüssen zeigte sich nach vier Wochen ein 100%iger Verschluss des Weichgewebes. Die Verschlussrate betrug für Knochen 80% in sechs Wochen. Selbst bei traditionellen Methoden würden bei Knochenersatz in sechs Wochen keine 100% erreicht werden. Die Forscher arbeiten im nächsten Schritt an der Einbindung vaskularisierender Verbindungen und wollen außerdem die Forschung auch auf menschliche Anwendungen übertragen.

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