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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Kanadischen Forschern der University of Alberta ist es gelungen Knorpel für die Rekonstruktion von Nasen nach Hautkrebsbehandlungen mit 3D-Druck herzustellen. Dazu verwendeten die Forscher ein Material, das innerhalb von vier Wochen zu einem für den Patienten geeigneten Knorpel kultiviert wird. Die Wiederherstellung der Nase mit 3D-gedrucktem Material erspart invasive Eingriffe.
Das US-amerikanische 3D-Druck-Unternehmen Allegro 3D erhielt ein Phase-II-Stipendium der National Science Foundation (NSF) und der Small Business Innovation Research (SBIR) in Höhe von knapp einer Million US-Dollar. Damit soll eine neuartige Biofabrikationsplattform mit hohem Durchsatz entstehen. Der Bioprinter soll die Fertigung physiologisch relevanter In-vitro-Gewebemodelle für unterschiedliche Anwendungen wie Drogentests, Therapeutika und biomedizinische Forschung möglich machen. Mit dem STEMAKER Model D hat Allegro 3D eine seiner Bioprinting-Plattformen vorgestellt.
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.
Ein Forscherteam des Universitätsklinikums Schleswig-Holstein UKSH arbeiten an der Entwicklung von einem 3D-Biodrucker, der Blutgefäße für den Einsatz bei Bypass-Operationen herstellen kann. Die Blutgefäße konnten bisher nicht in einer für die Gefäßtransplantate geeigneten Länge 3D-gedruckt werden. Erste Laborexperimente mit dem 3D-Drucker verliefen jedoch vielversprechend.
Forscher aus Großbritannien der Universitäten Bristol und Bath haben ein neues 3D-Druckverfahren namens Sonolithographie entwickelt. Die Methode zielt auf medizinische Anwendungen, dem Bioprinting, ab und macht und ermöglicht es mit computergesteuertem Ultraschall präzise vorbestimmte Muster auf Oberflächen aus Aerosoltröpfchen oder -partikeln herstellen. Die Sonolithographie lässt sich neben der Medizin und in der Elektronik einsetzen.
Das österreichische 3D-Druck-Unternehmen UpNano hat gemeinsam mit Xpect INX aus Belgien das neuartige Hydrogel X Hydrobio INX© U200 entwickelt. Gemeinsam mit dem 3D-Drucker NanoOne Bio von UpNano können Strukturen mit lebenden Zellen im 3D-Druckverfahren hergestellt werden, sowohl im meso- als auch im nanoskaligen Bereich. Dieser Durchbruch eröffnet der biomedizinischen Forschung völlig neue Möglichkeiten.
Das israelische Bioprinting-Unternehmen CollPlant hat seine Zahlen für das Geschäftsjahr 2020 veröffentlicht. Darin zeigte sich eine Umsatzsteigerung von 165%. Neue Forschungspartner und das Erreichen vereinbarter Meilensteine sollen diese Zahlen nochmals erhöhen. Außerdem steigt die Nachfrage nach Lösung für den 3D-Druck mit organischen Substanzen.
Forschern vom britischen Unternehmen POSTECH ist die Entwicklung einer künstlichen Lunge mit dem Inkjet-Bioprinting-Verfahren gelungen. Schwerpunkt war der 3D-Druck einer Alveolarmembran. Sauerstoff und Kohlendioxid bewegen sich durch diese hauchdünne, dreilagige Schicht, was die Herstellung einer künstlichen Membran bisher unmöglich machte.
Das 3D-Druck-Unternehmen Readily3D nimmt mit sieben anderen Forschungseinrichtungen an dem Projekt ENLIGHT teil. Dabei wird Readily3D einen 3D-Biodrucker (Bioprinter) entwickeln, der die Herstellung von lebenden Bauchspeicheldrüsenmodellen ermöglichen soll. Die 3D-gedruckten Modelle soll eine verbesserte Erforschung von Diabetesmedikamenten unterstützen.
Der globale 3D-Drucker-Hersteller 3D Systems hat mit United Therapeutics und Lung Biotechnology PBC ein neuartiges Verfahren für den 3D-Druck von organischem Gewebe erarbeitet. Damit könnten sich Medikamente zukünftig schneller entwickeln lassen. Auch auf Tierversuche könnte verzichtet werden. 3D Systems möchte mit der Zusammenarbeit mit United Therapeutics und anderen medizinischen Unternehmen verstärkt in auf dem Markt der regenerativen Medizin und 3D-Bioprinting Fuß fassen.
Australische Forscher der University of New South Wales (UNSW) in Sydney haben eine neuartige Tinte entwickelt, mit der sie knochenähnliche Strukturen mit 3D-Druck herstellen können. Diese sollen dabei helfen Knochen schneller, kostengünstiger und mit weniger Nebenwirkungen zu reparieren. Das 3D-Druckverfahren, bei dem die neuartige Biotinte zum Einsatz kommt, soll nun in ersten In-vivo-Tests an Tiermodellen getestet werden.
Das Medizintechnikunternehmen Fluicell hat mit Forschern aus Schweden seine Biopixlar-Plattform für den Einsatz in der Hirnforschung getestet. Es gelang den Wissenschaftlern, 3D-gedruckte Zellstrukturen präzise anzulegen und zu drucken. Sie führten außerdem fortschrittlichere Tests durch, um das System auf seine Eignung als diagnostisches Instrument zu überprüfen.
Beim Forschungsprojekt „Der Simulierte Mensch“ geht es um eine neu geplante Forschungseinrichtung in Berlin Wedding, die mit fortschrittlichen Technologien rund um die Funktionen menschlicher Zellen und Gewebe beschäftigen soll. Darunter zählen die 3D Kultivierung, Multi-Organ-Chips und auch das 3D-Bioprintings, also den 3D-Druck von organischen Substanzen, wie Zellen und auch Miniatur-Organe. Ein Forschungsgebäude entsteht dazu gerade in Berlin Wedding und soll bis 2023 fertiggestellt sein.
Multiphoton Optics aus dem bayerischen Würzburg hat mit 3D Lithographie und auf Grundlage von dem Verfahren Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) ein biodegradierbares, osteochondrales 3D-Scaffold hergestellt. Die Forscher konnten dabei eine Druckgeschwindigkeit von 1 cm³ in 1,5 Stunden erreichen. Den Forschern half der weiterentwickelte Prototyp der Multiphoton Optics 3D-Druck-Plattform LithoProf3D®.
Das Schweizer Biotech-Unternehmen mimiX Biotherapeutics hat mit dem cymatiX den eigenen Angaben zufolge ersten akustischen Biodrucker vorgestellt. Dieser fertigt mit Schallwellen schnell und kosteneffizient mehrzellige funktionelle Gewebekonstrukte an. Er wird ab Mai 2021 erhältlich sein und soll laut den Entwicklern die Biofabrikation auf „den nächsten Level“ bringen.
Das Forschungszentrum iBAG-UIC und das 3D-Druck-Unternehmen FELIXprinters arbeiten an der Zusammenführung von biologischen und technologischen Entwicklungen für eine nachhaltige Architektur. Der BIOprinter, der erste Biodrucker von FELIXprinters, soll dabei für die richtige Testumgebung sorgen. Wenn die richtigen Materialien gefunden wurden, wollen die Forscher das Ergebnis im Rahmen eines Pilotprojekts unter echten Bedingungen testen.
Das US-Start-up Dimension Inx hat eine neuartige Technologie für den 3D-Druck von therapeutischen Implantate entwickelt, die eine deutlich schnellere Regeneration und Reparatur von Gewebe ermöglichen sollen. Eine Seed-Finanzierungsrunde schloss das das Bioprinting-Unternehmen jetzt mit einem Betrag in Höhe von 3,175 Mio. USD erfolgreich ab. Damit will Dimension Inx sein nächstes Ziel, die Zulassung durch die US-amerikanische Gesundheitsbehörde FDA, erreichen.
Forscher der Harvard Medical School (HMS) haben einen Weg gefunden, wie sie 3D-gedruckte Organe besser mit Sauerstoff versorgen können. Dies ist elementar, wenn es um das langfristige Überleben der Organe geht. Der Leiter des Forschungsteams sieht mit seinen Forschungsergebnissen den 3D-Druck von transplantierfähigen Organen einen wesentlichen Schritt näher.
Europaweit schließen sich verschiedene Unternehmen dem TRIANKLE-Konsortium an, das mit Bioprinting 3D-Druck-Lösungen für die Regeneration von Knöchelerkrankungen entwickeln will. Daran beteiligt ist unter anderem auch der spanische Top-Fußballklub FC Barcelona, das bekannte Bioprinting-Unternehmen CELLINK und das Fraunhofer-Institut. Das Projekt, das im nächsten Jahr startet, soll zunächst vier Jahre andauern und ist Teil des EU-Forschungsprojekts „Horizon 2020“.
Forscher aus Korea von der Chungbuk National University haben den 3D-Druck genutzt, um kostengünstige Augenprothesen für Hunde zu entwickeln. Moderne 3D-Scan- und Modellierungstechniken halfen den Forschern dabei, die Verfahren der Implantologie auf die Anforderungen der Hunde hin anzupassen. Hergestellt wurden die künstlichen Augenimplantate aus einem biokompatiblen Harz mit einem Rokit INVIVO-Bioprinter.