Bei einem Bioprinter handelt es sich um einen 3D-Drucker für organische Substanzen. Auch unter der Bezeichnung 3D-Biodrucker zu finden, verarbeiten Bioprinter entgegen klassischen 3D-Druckern keine Kunststoffe oder Metalle, sondern organische Substanzen. Das Bioprinting stammt aus dem Forschungsumfeld des Tissue Engineering, den computergesteuerten Techniken zur Erstellung von organischen Strukturen aus lebendem Gewebe. Zu den interessantes Anwendungsbereichen der Bioprinter zählen die Forschungen im Bereich des 3D-Drucks von lebenden Organen. Auf dieser Seite stellen wir das Bioprinting ausführlich vor und zeigen regelmäßig aktualisiert alle Forschungsarbeiten und Entwicklungen im Bereich der Bioprinting-Technologie.
Dank 3D-Druck lassen sich heute geometrisch anspruchsvolle Objekte computergestützt designen und herstellen. Früher mussten diese Objekte mithilfe formgebender Werkzeuge unter hohem Materialverbrauch hergestellt werden. Mit der 3D-Drucktechnologie hat sich zum Glück einiges geändert, denn viele Produkte lassen sich nun günstiger, einfacher und auch umweltfreundlicher herstellen. So kommen 3D-Drucker bereits in unterschiedlichsten Industrie-Bereichen zum Einsatz – darunter auch in der Medizin, etwa um individuelle Implantate für Patienten herzustellen oder Operationen besser zu planen. Jetzt lassen sich auch gewisse Fortschritte auch im Bereich des Bioprintings verzeichnen, also dem 3D-Druck von organischem Gewebe.
Das sogenannte Bioprinting bezeichnet das Drucken organischer Substanzen zu dreidimensionalen Objekten. Obwohl diese Technologie erst so richtig erprobt wird, ermöglicht sie bereits ein stabiles Drucken von lebendigen Zellen im Schichtaufbauverfahren (additive Fertigung). So wird für die Zukunft gehofft, dass man in der Lage sein wird entsprechende Organe nachzubauen, wie etwa die Leber oder das Herz (mehr zum Thema auch auf der Seite „Organe aus dem 3D-Drucker„). Die nötigen Zellen werden dazu vorab gezüchtet und in polymeres Gel eingefügt. Durch diese Kombination wird eine Gewebestruktur erzeugt, die zu Organen umgewandelt werden soll.
Bei einem 3D-Biodrucker (engl. Bioprinter) handelt es sich dementsprechend um einen 3D-Drucker zum Erstellen (Drucken) von menschlichem oder tierischem Gewebe (z. B. Haut oder Zellen). Durch die Gewinnung von Stammzellen ermöglichen Biodrucker die Gewinnung von Organen. Die Technologie der 3D-Biodrucker befindet sich noch am Anfang der Forschung. Zahlreiche Voraussetzungen müssen für das Bioprinting erst noch erfüllt werden, wie zum Beispiel eine exakte Temperaturregelung. Da aber die Forscher unter Hochdruck arbeiten, sind neue Errungenschaften bereits in einigen Jahren zu erwarten.
Die Anwendung des Bioprinting beschränkt sich zurzeit auf das 3D-Drucken von Gewebegrundgerüsten, wobei im Endeffekt das Organ in diesem Gerüst reifen soll. Danach arbeiten die Zellen selbständig, jedoch lassen sich mit der aktuellen Technologie zum Zeitpunkt noch keine Blutgefäße erzeugen. Dies ist ein weiteres Problem fürs Bioprinting, da die Organe durch die Blutgefäße mit Nährstoffen versorgt werden. Deswegen handelt es sich hierbei um eine große Herausforderung für die Wissenschaftler, die erst noch bewältigt werden muss. Sollte es gelingen, auf diese Weise ein Organ zu züchten und durch Blutgefäße mit Nährstoffen zu versorgen, wird es bald möglich sein, ein passendes Organ für jeden Patienten zu drucken. So könnte ein Organ auf den Patienten perfekt abgestimmt werden, ohne dass es vom Körper abgestoßen wird.
Bioprinting wird auch in der synthetischen Biologie bereits seit geraumer Zeit eingesetzt. Es lassen sich auf diese Weise neue Lebensformen erzeugen, wie z. B. eine Qualle, die aus Muskelzellen von Ratten und Silikon besteht. Es ist generell möglich neue Wesen zu produzieren, bei denen verschiedene Eigenschaften verzeichnet werden.
In der Lebensmittelbranche konnte man mit der 3D-Drucktechnologie bereits nennenswerte Erfolge verzeichnen. So produzierte das Unternehmen Modern Meadow eine Fleischkopie mithilfe von Bioprinting. Es schmeckt auch wie richtiges Fleisch, wobei Proteinkleber und Muskelzellen für die Herstellung verwendet wurden. Leider ist diese Fleischart noch nicht kommerziell erhältlich, doch die Massentierhaltung könnte so um ein Vielfaches reduziert werden. Bis dahin ist allerdings noch ein langer Weg, denn vor allem die Akzeptanz der Endkunden ist eine wichtige Voraussetzung dafür. Die hohen Herstellungskosten sind eine weitere Hürde für den Druckprozess, da ein Stück vom 3D-gedruckten Fleisch immerhin ca. 60.000 € kostet.
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Forscher der Stanford University haben eine neue Methode entwickelt, um realitätsnahe Gefäßsysteme für den 3D-Druck menschlicher Organe zu entwerfen. Ihre Software ermöglicht die schnelle Modellierung komplexer Blutgefäßbäume und könnte die Herstellung transplantierbarer Herzen erheblich voranbringen.
Die US-Armee arbeitet mit der University of Hawaii an einem Projekt zur Entwicklung von 3D-gedruckter Haut. Ziel ist die Versorgung verletzter Soldaten mit mobilen Bioprintern direkt im Einsatzgebiet.
Wissenschaftler der TU Graz und des Vellore Institute of Technology haben ein Verfahren zur Herstellung einer 3D-gedruckten Hautimitation mit lebenden Zellen entwickelt. Die Technologie könnte künftig Tierversuche in der Kosmetikforschung ersetzen. Die im Journal STAR Protocols veröffentlichte Studie beschreibt ein einfaches, kostengünstiges und anpassbares Verfahren.
Forscher der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) haben eine innovative Plattform entwickelt, die die natürliche Umgebung der Bauchspeicheldrüse mithilfe von 3D-Bioprinting nachbildet. Das System HICA-V verbessert die Funktion künstlich erzeugter Inselzellen und könnte künftig eine Schlüsselrolle in der Diabetesforschung spielen.
Forscher aus den USA, Japan und China haben ein innovatives 3D-gedrucktes penile Implantat entwickelt, das bei Tieren erfolgreich getestet wurde. Die Studie zeigt, dass das Implantat beschädigte Schwellkörper ersetzen und die erektile Funktion wiederherstellen kann. Die Technologie könnte künftig zur Behandlung von erektiler Dysfunktion und anderen vaskulären Organrekonstruktionen genutzt werden.
Katie Weimer, frühere Vizepräsidentin für regenerative Medizin bei 3D Systems, hat das Biotechnologie-Startup GenesisTissue gegründet. Das Unternehmen entwickelt 3D-biogedruckte Gewebeimplantate für chirurgische Anwendungen mit dem Ziel, regenerative Medizin voranzubringen.
Das niederländische Unternehmen Ourobionics hat CHIMERA entwickelt, eine modulare Plattform für Biofabrikation. Die Maschine vereint fünf verschiedene Verfahren, um komplexe Gewebestrukturen effizient zu erzeugen. Die Technologie verspricht höhere Zellviabilität, präzisere Strukturen und schnellere Produktionsprozesse.
Ein niederländisches Forscherteam der TU Delft hat eine 3D-gedruckte Plattform zur Kultivierung von Neuronen entwickelt, die die Struktur von Hirngewebe nachbildet. Die Studie zeigt, dass nanoskalige Säulenarrays das Wachstum neuronaler Netzwerke beeinflussen und neue Einblicke in die Hirnforschung ermöglichen.
Forschende der Rice University haben neue Methoden zur Anpassung lebender Materialien (ELMs) entwickelt. Durch genetische Modifikationen lassen sich deren mechanische Eigenschaften gezielt steuern, was für den 3D-Druck, die Gewebetechnik und die kontrollierte Medikamentenfreisetzung von großem Nutzen sein könnte.
Mit Hilfe des 3D-Drucks haben Schweizer Forscher der Empa eine nachhaltige Batterie aus Pilzen entwickelt. Diese erzeugt Strom für Sensoren und zersetzt sich biologisch nach Gebrauch. Die additive Fertigung spielt eine zentrale Rolle bei dieser innovativen Technologie.
Britische Forscher der Swansea University haben ein 3D-gedrucktes Knochenersatzmaterial entwickelt, das sich vollständig im Körper abbaut. Es beschleunigt die Heilung von Knochendefekten und ist kosteneffizient herstellbar. Die Forschung wurde bereits patentiert.
Bioprinting gewinnt als Alternative zu Tierversuchen in der Kosmetikindustrie an Bedeutung. Laut Vital3D Technologies, einem 3D-Bioprinting-Unternehmen aus Litauen, ermöglicht die Technologie präzisere Tests durch realistische Nachbildungen menschlicher Haut.
Das deutsche Unternehmen xolo aus Berlin hat den Xell-Bioprinter zur Markteinführung freigegeben und zielt auf Forschungseinrichtungen mit einem Rabattangebot für Akademiker. Der Xell soll die volumetrische Bioprinting-Technologie in einem kompakten und preislich zugänglichen Format bieten und wird auf der kommenden Formnext in Frankfurt vorgestellt.
Forscher der University of Melbourne haben einen Hochgeschwindigkeits-3D-Bioprinter entwickelt, der realistische menschliche Gewebestrukturen für medizinische Tests drucken kann. Die Technik könnte den Einsatz von Tierversuchen verringern und die Entdeckung neuer Medikamente beschleunigen.
Biological Lattice Industries (BLI) hat eine Vorfinanzierung von 1,8 Millionen US-Dollar erhalten, die von Uni.Fund geleitet wird. Mit diesem Kapital plant BLI die Einführung des BioLoom 3D-Bioprinters und der Loominus Studio-Softwareplattform für biofabrikationstechnische Anwendungen.
Bioprinting-Technologien wie die von Vital 3D Technologies tragen zur Nachhaltigkeit im Gesundheitswesen bei, indem sie medizinischen Abfall und Emissionen verringern. Diese Innovation ermöglicht präzisere, umweltfreundliche Behandlungen und lokale Herstellung von Geweben und Organen.
Forscher der University of Edinburgh haben einen kostengünstigen 3D-Drucker modifiziert, um künstliche Blutgefäße zu erstellen, die möglicherweise die Ergebnisse von Bypass-Operationen verbessern könnten. Die Entwicklung nutzt modifizierte Gelatine und Nanofasern, um stabile und biokompatible Gefäße zu erzeugen.
Forscher des Fraunhofer-Instituts IAP und der BTU Cottbus-Senftenberg entwickeln mit 3D-Bioprinting-Technologie passgenaue Knieknorpelimplantate. Das Projekt wird über vier Jahre vom Bund gefördert.
Forscher der Washington State University entwickelten eine selbstlernende KI, die die Effizienz des 3D-Drucks durch optimale Druckeinstellungen verbessert. Die Methode wurde erfolgreich bei der Herstellung komplexer Organmodelle eingesetzt.
Stratasys und CollPlant haben eine präklinische Studie zur Entwicklung 3D-gedruckter Brustimplantate gestartet, die das natürliche Gewebe regenerieren sollen. Erste Ergebnisse werden 2025 erwartet.