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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Der US-amerikanische Hersteller industrieller 3D-Drucker 3D Systems gibt die Gründung der Tochterfirma Systemic Bio bekannt. Diese wird sich mit dem 3D-Druck vaskularisierter Organmodelle aus menschlichen Zellen befassen. Systemic Bio wird zudem das aus seiner Arbeit resultierende Gewebe als Instrument zur pharmazeutischen Arzneimittelforschung vermarkten.
Der Bedarf an Organen zur Transplantation ist weltweit sehr groß, jedoch gibt es viel zu wenige Organe die von Spendern zur Verfügung gestellt werden. Forscher der Penn State University haben jetzt eine neuartige Biotinte entwickelt, die für die Gewebezüchtung und -Regeneration eingesetzt werden soll. Die Biotinte soll ein bisher unerreichtes Maß an Porosität, Formtreue und Zellintegration erreicht haben. Wir stellen sie vor.
Das 3D-Bioprinting-Unternehmen CELLINK und das Indian Institute of Science (IISc) eröffnen gemeinsam ein Center of Excellence, um den 3D-Druck mit organischen Substanzen (s.g. Bioprinting) in Indien voranzubringen. Dort sollen Forschungs- und Schulungsaktivitäten stattfinden, um Forschern innerhalb des Instituts und anderswo Fähigkeiten zu vermitteln, die für die Arbeit mit dem 3D-Bioprinting erforderlich sind.
Forschern aus Schweden ist es gelungen mit 3D-Druck hergestellte Hornhaut aus Schweinehaut beim Menschen zu transplantieren. Die 3D-gedruckte Hornhaut konnte in ersten Tests Patienten bereits erfolgreich helfen. Die Hornhaut aus dem 3D-Drucker ist zugänglicher und günstiger als mit bisherigen Methoden und könnte den hohen Bedarf an Hornhäuten eventuell in Zukunft abdecken.
Die beiden Unternehmen Carl Zeiss Meditec und Precise Bio geben ihre Unternehmenskooperation bei der Entwicklung von künstlichem Hornhautgewebe mit Hilfe von 3D-Bioprinting bekannt. Ziel ist die Realisierung von Gewebe für Patienten, die endotheliale Keratoplastik benötigen. Wir fassen das Wichtigste dazu zusammen.
Das Biotechnologieunternehmen Nuclera hat weitere 15,5 Mio. USD in seiner Serie-B-Finanzierungsrunde aufgebracht. Diese wird das Unternehmen für die Entwicklung seines 3D-Biodruckers eProtein nutzen. Wir stellen die Arbeit von Nuclera vor.
Forscher der University of California, Berkeley haben eine Methode entwickelt, die den „3D-Kryodruck“ verbessern soll. Mit dem 3D-Kryodruck-Verfahren der Forscher könnte der 3D-Biodruck robuster mit Zellen besäter Alginatgerüste möglich sein. Wir stellen die Forschungsarbeit einmal genauer vor.
Forschern der Cornell University ist die Entwicklung von Biomaterial zur Herstellung künstlicher Haut gelungen. Für das Biohybrid-Verbundmaterial verwendeten sie eine Mischung aus Kollagen und einem „zwitterionischen“ Hydrogel. Wir stellen die Forschungsarbeit einmal genauer vor.
US-Forscher der University of Houston in Texas haben eine Methode entwickelt, mit der sie Biosensoren mit 3D-Druck herstellen können. Diese sollen sich eines Tages in menschliche Wirte implantieren lassen. Wir stellen die Methode zum 3D-Druck hochpräziser Glukosesensoren einmal genauer vor.
Forscher der University of Technology Sydney (UTS) haben ein auf 3D-Druck basierendes System vorgestellt, mit dem sie in der Lage sind, Stammzellen in Massenproduktion herzustellen. Stammzellen eignen sich für die Behandlung zahlreicher Krankheiten und Verletzungen. Bisher war es jedoch so, dass deren Entnahme sehr zeit- und kostenaufwändig war.
Das britische Unternehmen Modern Synthesis hat einen mikrobiellen Webprozess entwickelt, mit dem es anpassbares Biomaterial herstellen kann. Damit soll der CO2- und Materialverbrauch in der Modeindustrie verringert werden. Um seine Ziele zu erreichen, hat Modern Synthesis in einer Finanzierungsrunde überzeugt und jetzt 4,1 Mio. USD erfolgreich einsammeln können.
Forscher der TU Wien haben eine Methode entwickelt, mit der sie künstliches menschliches Gewebe auf einen Chip im 3D-Druckverfahren drucken können. Davon könnten unter anderem pharmazeutische Unternehmen profitieren, die mit diesen Chips Medikamente testen wollen und könnten so auf Tierversuche verzichten. Wir stellen die Arbeit der österreichischen Forscher vor.
Forscher an der University of Oklahoma haben ein 3D-gedrucktes Ohrmodell entwickelt, mit dem sie die Explosionsauswirkungen auf das menschliche Ohr untersuchen können. Es gelang ihnen, mit dem 3D-gedruckten Ohrmodell Gehörschutz ebenso effizient zu testen wie mit bisherigen Testmethoden und profitieren gleichfalls von zahlreichen weiteren Vorteilen.
Das 3D-Druck-Unternehmen 3D Systems und United Therapeutics haben auf der LIFE ITSELF-Konferenz in San Diego Details zu ihrer gegenwärtigen Zusammenarbeit vorgestellt. Sie präsentierten ein 3D-gedrucktes menschliches Lungengerüst und zwei 3D-gedruckte Organentwicklungen, eine Niere und eine Leber. Beide Partner geben an, dass es sich bei den Gerüsten um die bisher komplexesten, je mit 3D-Druck hergestellten organischen Objekte handelt und stellen somit einen Meilenstein im 3D-Druck von Organen dar.
Das Unternehmen 3DBio Therapeutics und das Microtia Congenital Ear Deformity Institute haben erstmals ein mit 3D-Druck hergestelltes Mikrotie-Implantat einer Patientin erfolgreich transplantiert. Dazu verwendeten sie das von 3DBio Therapeutics entwickelte und mit einem 3D-Bioprinter hergestellte AuriNovo-Implantat. Wir stellen die Arbeit der Mediziner vor.
Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und von Charles Stark Draper untersuchen in einer aktuellen Arbeit den 3D-Druck holzähnlicher Materialien. Bäume sind aufgrund ihrer Dekarbonisierungseffekte eine wichtige Ressource dieser Erde und deren Erhalt essenziell, um dem Klimawandel erfolgreich entgegenzuwirken. Würde Holz weniger für alltägliche (Wegwerf-)Produkte benutzt werden, würde sich das positiv auf unsere Umwelt auswirken.
Forscher der Medizinischen Universität Innsbruck haben mit Hilfe von Bio-3D-Druck das Modell eines Tumorgewebes entwickelt, mit dem sie dem Tumor beim Wachsen zusehen können. Das soll es ermöglichen, das Wachstum des Tumors besser zu verstehen. Außerdem könnte die zum Patent angemeldete Methode Tierversuche ersetzen.
Forscher von der Carnegie Mellon University (CMU) und der University of Connecticut (UConn) haben gemeinsam neuartige Calciumphosphatgraphen (CaPG)-Gerüste im 3D-Druckverfahren hergestellt. Diese sollen bei der Knochenregeneration verwendet werden können. Wir fassen das Wichtigste zur Arbeit zusammen.
Rousselot, die Gesundheitsmarke von Darling Ingredients und Unternehmen aus dem Bereich 3D-Bioprinting, bringt mit Quali-Pure HGP 2000 eine neue endotoxinkontrollierte Gelatine in pharmazeutischer Qualität auf den Markt. Das Pulver ist in der Lage, Impfstoffe zu stabilisieren und die Wundheilung zu fördern. Wir stellen es vor.
Das israelische Unternehmen Matricelf hat einen weiteren Meilenstein in seiner Arbeit beim 3D-Druck von Nervenimplantaten für gelähmte Patienten mit Rückenmarksverletzungen erreicht. Die Forscher können nun eigene induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) aus menschlichen peripheren Blutzellen herstellen und gelingt damit ein wichtiger Schritt, Lähmungen in Zukunft vielleicht heilen zu können.