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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Sonnenlicht tut gut und fördert die Produktion von den lebenswichtigen Vitamin D im menschlichen Organismus. Zuviel UV-Strahlung kann jedoch sehr negative Auswirkungen haben und zum Beispiel zu Hautkrebs führen. Um lebensgefährliche Folgen wie Hautkrebs zu reduzieren, haben Forscher der Clarkson University jetzt mit Hilfe von 3D-Druck Biosensoren entwickelt. Diese sollen künftig für ein besseres Bewusstsein gegenüber Sonnenstrahlung sorgen.
Forscher der Carnegie Mellon University haben mit der FRESH-Technik eine Methode entwickelt, mit der sie ein Herzmodell im 3D-Druckverfahren aus Alganit herstellen können. Das Herz kommt in seiner Elastizität einem echten Herzen sehr nahe. An dem 3D-gedrucktem Herzmodell können die Ärzte schwierige Operation vorbereiten oder es in der medizinischen Ausbildung einsetzen, um daran physische Arbeiten vornehmen zu können, wie zum Beispiel schneiden oder zunähen.
Nach drei Jahren Forschung und Entwicklung ging das deutsche, vom BMBF-geförderte Forschungsprojekt 3D-Bio-Net zu Ende. Als Ergebnis wurde der Prototypen eines Bio-3D-Druckers vorgestellt, mit dem unter anderem der 3D-Druck von funktionalem, menschlichen Gewebe und Zellen möglich ist.
Forscher aus Schweden haben in der Studie „3D micro-organisation printing of mammalian cells to generate biological tissues“ die Einzelzell-Bioprinting-Plattform Biopixlar untersucht. Es zeigte sich, dass die Plattform für die Herstellung von personalisierter Medizin und fortschrittlichen Therapien viele Möglichkeiten bietet. Die Studie wurde in Scientific Reports veröffentlicht.
Das Schweizer Forschungsunternehmen REGENHU hat seine neue 3D-Drucker-Reihe R-GEN sowie die neue Software SHAPER vorgestellt. Beides deckt laut REGENHU den gesamten Biofabrikationsprozess ab und soll die Entwicklung in Bereichen wie der Medizin voranbringen.
Forscher aus Großbritannien von der University of Edinburgh und der University of Leeds haben die Nachbildung einer realitätsnahen, funktionsfähigen Zunge mit einem 3D-Drucker hergestellt. Diese soll Aromen in Lebensmittel wahrnehmen können. Die 3D-gedruckte Replik könnte in Zukunft zum Beispiel für Lebensmittel- oder Medikamententests eingesetzt werden.
Chinesische Forscher der Tsinghua University haben einen winzig kleinen 3D-Druckroboter (30 mm breit, 43 mm lang) entwickelt, der im Körper eingesetzt werden kann und zu einer verbesserten Behandlung von Magengeschwüren beitragen soll. Das kompakte Gerät wird in den Körper eingeführt und beginnt dort seine Arbeit. Wir stellen den Bioprinter aus China vor.
Das Bioprintingunternehmen Cellink will bis Ende August 2020 alle Geschäftsanteile des deutschen Unternehmens Scienion übernehmen. Diese haben einen Wert von 80 Millionen Euro und sollen zum Teil mit Aktien bezahlt werden. Cellink möchte mithilfe der Technologie von Scienion unter anderem die Präsenz im Bereich der Diagnostik verbessern.
Kentucky Fried Chicken (KFC), eine der bekanntesten Fast-Food-Ketten weltweit, entwickelt mit dem russischen 3D-Druckunternehmen 3D Bioprinting Solutions Chicken Nuggets aus dem 3D-Drucker. Die 3D-gedruckten Hühnchen-Snacks sollen wie die „echten“ KFC-Nuggets aus dem Restaurant schmecken und aussehen. Dabei setzen sie neben pflanzlichen Materialien auch Hühnerzellen ein.
Forscher der Nagoya City University haben mit Hilfe von 3D-Bioprinting ein Arzneimittelabgabesystem entwickelt. Das implantierbare Pflaster entsteht mit dem neu entwickelten Polymerhydrogel, dessen Hauptkomponente Fischgelatine ist. Das Abgabesystem soll dabei helfen kardiotoxischen Auswirkungen zu reduzieren und die Freisetzungsrate zu steuern.
Israelische Forscher der RAMOT Tel Aviv University arbeiten gemeinsam mit Bayer Pharmaceuticals an der Entwicklung und Erprobung einer In-vitro-Kardiotoxizitätsplattform. Dazu verwenden sie Herzgewebe aus dem 3D-Drucker, was die Forschungsarbeit kostengünstiger und schneller macht. Wir stellen das Projekt vor.
Dean Kamen, erfolgreicher Erfinder und Leiter der gemeinnützigen Organisation Advanced Regenerative Manufacturing Institute (ARMI), forscht und entwickelt an der großtechnischen Herstellung technischer Gewebe im 3D-Druckverfahren. Dies soll unter anderem mit der Tissue Foundry Line gelingen. Wir stellen die Pläne von ARMI vor, die als Ziel den 3D-Druck von Organen vorsehen.
Forscher von der McAlpine Research Group der University of Minnesota haben ein Verfahren für den direkten 3D-Druck von Elektronik auf Organe entwickelt. Damit lassen sich Veränderungen im Körper besser verfolgen. Die Methode würde sich aber auch für andere Bereiche eignen.
Ein amerikanisches Forscherteam hat eine neuartige Biotinte entwickelt, mit der Gewebe direkt am Körper im 3D-Druckverfahren gedruckt werden kann. Damit sollen zum Beispiel risikoärmere Verfahren für die Reparatur von Gewebe- oder Organdefekten möglich sein. Patienten verspricht das Verfahren vielversprechende Vorteile. Wir stellen die Biotinte und das Verfahren einmal genauer vor.
Forscher der chinesischen Sichuan University haben ein Verfahren entwickelt, mit der sie Formen organischer Teile in den Körper drucken und zum wachsen bringen können. Sie testeten ihr Verfahren erstmals erfolgreich an einer Maus, der sie ein menschliches Ohr unter den Rücken druckten. Das Verfahren soll unter anderem Behandlungen von Menschen mit schweren Fehlbildungen an Ohren, Nasen, Fingern und anderen leicht zugänglichen Körperteilen besser möglich machen.
Ein Forscherteam der Texas A&M University hat mit NICE (Nanoengineered Ionic-Covalent Entanglement) eine Biotinte entwickelt, die den 3D-Druck von Knochengewebe möglich machen soll. Das Material imitiert Gewebefunktionen. Somit lassen sich Bereiche menschlicher Körperteile wie Ohren, Blutgefäße, Knorpel und Knochensegmente rekonstruieren.
Forscher der Aalto University in Finnland haben eine neuartige Biotinte aus Nanozellulose für den 3D-Druck im Rahmen von Herzgewebeanwendungen entwickelt. Sie konzentrierten sich bei ihrer Arbeit auf die Formulierung einer Einkomponenten-Biotinte. Erste Proben werden mit dem Bio X-3D-Drucker von CELLINK entwickelt.
Forschern ist es erstmals gelungen mit dem Bio-3D-Drucker BioFabrication Facility (BFF) einen Meniskus im Weltraum im Bioprinting-3D-Druckverfahren herzustellen. Das Forschungsprojekt gelang im Rahmen eines Programmes, das den 3D-Biodruck an unterschiedlichen Orten untersucht. Wir stellen die Ergebnisse der Forschungsarbeit vor.
Das koreanische Start-up für 3D-Druck von organischen Substanzen CLECELL hat ein respiratorisches Atemwegsepithelmodell im 3D-Bioprinting-Verfahren hergestellt, um Forscher der Harvard Medical School dabei zu unterstützen, das SARS-CoV-2-Virus besser zu verstehen. Das Modell soll bei der Herstellung von Impfstoffen helfen. Geplant ist außerdem eine In-vitro-Testplattform.
Forscher der University of Cambridge und der University of California San Diego haben mit einem 3D-Biodrucker organische Strukturen entwickelt, die Algen im Meer einen neuen Lebensraum bieten können, wenn deren Überlebensgrundlage, die Korallenriffe, von den Folgen des Klimawandels zerstört wurden. Mit einem neu entwickelten Bioprinter gelang es den Wissenschaftlern komplexe Strukturen zu drucken, die die Überlebensfähigkeit von Algen ohne Korallen um das Hundertfache verbessern und gleichzeitig die Ansiedlung neuer Korallen möglich machen.