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. Bioprinter stammen 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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Fast unmöglich ist es ein zum Beispiel durch Verbrennungen verstümmeltes Gesicht zu rekonstruieren. Eine Studie des Wake Forest Institute for Regenerative Medicine (WFIRM) macht Betroffenen nun Hoffnung und bestätigt die Wirksamkeit einer 3D-bedruckten BioMaske zur Behandlung von Gesichtswunden. Das Forschungsprojekt wird vom US-amerikanischen National Institute of Health unterstützt.
Forscher der University of Minnesota Medial School nutzen die Möglichkeiten der 3D-Drucker (genauer der Bioprinter), um optimale Zellumgebungen für das künstliche Zellwachstum herzustellen. Durch Verbesserung der Umgebungsparameter für die Zellen sind genauere Krebsforschungen und die Erforschung neuer Methoden für die Krebsbehandlung möglich.
Der 3D-Drucker-Hersteller Allevi aus den USA hat mit dem „Coaxial Kit“ eine Erweiterung für seine 3D-Drucker Allevi 2, 3 und 6 vorgestellt. Anwender der Bioprinter, also 3D-Drucker für organische Substanzen, können mit dem Coaxial Kit zwei Materialien mischen. Damit erweitert sich das Anwendungsspektrum für den organischen 3D-Druck mit den Allevi Bioprintern.
Das Institut für Technologie-inspirierte regenerative Medizin (MERLN) der Universität Maastricht ist eine Kooperation mit der Biotechnologiefirma Aspect Biosystems eingegangen. Gemeinsam arbeiten die Forscher und Entwickler an dem 3D-Druck von Nierengewebe für die additive Herstellung funktionierender Organe.
Forscher aus Portugal haben in einer wissenschaftlichen Untersuchung das Potenzial des 4D-Drucks für das Bioprinting in der Regenerativen Medizin untersucht. Die Forscher kamen zu dem Ergebnis, dass das 4D Bioprinting einen sehr positiven Einfluss auf die schnelle und kostengünstige Herstellung von Organen mit 3D-Druck haben kann, in ferner Zukunft vielleicht sogar direkt in der Praxis. Wir stellen die Zusammenfassung der Forschungsarbeit zum 4D Bioprinting einmal genauer vor.
Das Startup Techshot hat eine Zusammenarbeit mit der NASA beschlossen, für die Entwicklung von einem Bioprinter namens BioFabrication facility (BFF), der Organe im Weltraum unter Schwerelosigkeit drucken können soll. Irgendwann einmal soll der Weltraum-3D-Drucker für organische Substanzen auf der Internationalen Raumstation ISS zum Einsatz kommen.
Einem Forscherteam der Empa (Schweiz) ist es gelungen, beliebige Formen organischer Strukturen aus Nanozellulose mit einem 3D-Drucker herzustellen. Ziel der Forscher ist es, biomedizinische Implantate für Menschen mit Knorpelerkrankungen fertigen zu können. Zum Beispiel Ohren.
Russischen Forschern ist es gelungen, mit Hilfe von dem Bioprinter Organ.Aut, erfolgreich die Schilddrüse einer Maus im 3D-Druckverfahren herzustellen. Der Spezial-3D-Drucker wurde speziell für den Einsatz in Schwerelosigkeit getestet und kam auf der ISS zum Einsatz.
US-Forscher von der University of California haben eine Technik entwickelt, mit der sie 3D-Modelle aus lebensechtem Gewerbe mit dem 3D-Drucker herstellen wollen. Die gedruckten Modell sollen zum Beispiel Tumore enthalten und als Grundlage für Medikamententests dienen. Tierversuche wären damit zukünftig überflüssig. Ziel der Forscher war es das Verfahren so zu entwickeln, dass es quasi auch ohne große Expertise im 3D-Druck von jedem Labor angewendet werden kann.
Die 3d.FAB-Plattform aus Frankreich arbeitet derzeit an einem Verfahren, mit dem menschliches Gewebe direkt auf den Empfänger aufgedruckt wird. Nicht nur Menschen mit Verbrennungen könnten sehr stark davon profitieren. Wir haben uns das Verfahren angesehen.
Einem Forscher an der University of Minnesota gelang es im Rahmen seiner Forschungsarbeit, hochentwickelte Organe mit Spezial-3D-Drucker herzustellen. Die 3D-gedruckten Organe, wie zum Beispiel Ohren und bald vielleicht auch Augen, könnten im weiteren Verlauf der Forschungen und Entwicklungen auch mit außersinnlichen Fähigkeiten versehen werden. Wir stellen die Forschungsarbeit von Michael McAlpine der University of Minnesota einmal genauer vor.
Beim Absturz der russischen Sojus-Rakete wurde auch ein 3D-Biodrucker zerstört, wie die NASA in einer Pressemitteilung mitteilte. Von dem Bioprinter Organ.Aut des Herstellers 3D Bioprinting Solutions stehen noch weitere 3D-Drucker bereit, doch bevor die ins Weltall starten, soll der Unfall zunächst vollständig aufgeklärt werden.
Ein US-Forscherteam an der University of Utah hat eine neue 3D-Biodruckmethode entwickelt, mit der Sehnen und Bänder mit einem 3D-Drucker hergestellt werden können. Die Einsatzbereiche sind noch überschaubar, das Verfahren in den Kinderschuhen. Und dennoch lohnt sich ein Blick auf das Verfahren.
Tiefe Wunden auf der Haut, zum Beispiel nach einem Brand, sind schwer zu behandeln. Man benötigt Spenderhaut, die nicht immer leicht zu bekommen ist. Kanadische Forscher an der Universität von Toronto haben nun einen mobilen Bioprinter entwickelt, der einfach in der Handhabung, leicht im Gewicht und tragbar ist. Ein erster Schritt in eine spannende technologische Richtung, um vor allem in Krisengebieten und Dritte Welt-Ländern eine bessere Wundversorgung anbieten zu können.
Der amerikanische Biodrucker-Hersteller Allevi hat es sich zum Ziel gesetzt, alle Prozesse rund um das Bioprinting zu vereinfachen. Mit dem neuen Bioprinter Allevi 3 bringt Allevi einen vielfach einsetzbaren und einfach zu bedienenden Bio-3D-Drucker auf den Markt. Was dieser neben dem Dreifach-Extruder noch zu bieten hat, stellen wir in diesem Bericht vor.
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