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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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.
Österreichische Forscher der TU Wien entwickeln eine 3D-Druck-Methode für Gewebe, das Verletzungen mit körpereigenen Zellen heilen soll. Ihr Ansatz bringt 3D-gedruckte Gitter hervor, die optisch einem Fußball ähneln und eine verbesserte Wundheilung möglich machen sollen. Wir stellen es vor.
Das Unternehmen Ouro Foods nutzt fortschrittliche 4D-Tissue-Engineering-Technologien, um Lebensmittel für Menschen mit gesundheitlichen Einschränkungen herzustellen. Dabei greifen sie auf die Biofabrikations-Technologien des Mutterunternehmens Ourobionics zurück. Mit Taste+ hat Ouro Foods zudem ein Mahlzeiten-Kit entwickelt, das ähnlich wie die Boxen von Hello Fresh funktioniert und sich an Menschen mit gesundheitlichen Einschränkungen richtet.
Die Juniorprofessorin Dr. Daniela Duarte Campos von der Universität Heidelberg wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit einer 2,2 Mio. Euro hohen Förderung ausgezeichnet. Diese soll ihr Forschungsvorhaben zum 3D-Druck menschlicher Hornhaut unterstützen. Ziel der Forschungsarbeit ist es Hornhaut direkt auf das Auge des Patienten zu drucken.
Kanadische Forscher an der University of British Columbia haben eine Methode erforscht, Männern, die an der schwersten Form der Unfruchtbarkeit leiden, möglicherweise helfen zu können. Sie stellten mit 3D-Druck Samenkanälchen her, die letztendlich zur Spermienproduktion führen sollen. Erste Ergebnisse der Bioprinting-Forschung geben Hoffnung.
US-amerikanische Forscher an der Stanford University haben die Möglichkeiten für den 3D-Druck von Herzen untersucht. Die Herausforderung ist äußerst komplex, da der schichtweise Aufbau von Zellen nicht so einfach gelingt wie die additive Verarbeitung von Kunststofffilamenten und zusätzlich am Leben erhalten werden müssen. Außerdem weist das Herz eine äußerst komplizierte Struktur auf. Trotzdem zeigen sich die Wissenschaftlicher positiv in naher Zukunft menschliche Herzen mit 3D-Druckern herstellen zu können.
Das 3D-Biodruck-Unternehmen Fluicell bringt mit dem „Biopixlar AER“ eine neue 3D-Biodruck-Plattform auf den Markt. Es handelt sich laut dem Hersteller dabei um den weltweit ersten mikrofluidischen Hochpräzisions-Biodrucker. Der kompakte Biopixlar AER eignet sich für den Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen wie der Raumfahrtindustrie oder Tiefseeforschung.
Das argentinische Technologieunternehmen Stämm Biotech hat eine Serie A-Finanzierungsrunde erfolgreich abgeschlossen und dafür 17 Millionen US-Dollar eingesammelt. Das Geld wird das Bioprinting-Unternehmen für die Weiterentwicklung seines 3D-gedruckten Bioreaktors namens „Sclereid“ verwenden, der zu einer All-in-One-Plug-and-Play-Einheit in Desktop-Größe . Wir stellen ihn vor.
Forscher der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) haben einen sechsachsigen Roboterarm in einen 3D-Biodrucker umgewandelt. Damit ist es ihnen gelungen schlagendes Herzgewebe, das für mindestens sechs Monate als „lebend“ galt, im 3D-Druckverfahren herzustellen. Die Forscher konnten außerdem komplex geformte Blutgefäßgerüste herstellen.
Das 3D-Bioprinting-Unternehmen Fluicell aus Schweden bringt Anfang März 2022 mit dem Biopixlar AER eine verbesserte Version seiner Biopixlar-Biodruck-Plattform auf den Markt. Der Biopixlar-3D-Drucker war laut Fluicell der Erste, der die Einzelzellen-Bioprinting-Technologie verwendete. Der neue 3D-Drucker nutzt die gleiche Technologie, wurde aber in mehreren Punkten optimiert.
Das Bioengineering-Start-up Trestle Biotherapeutics hat eine Lizenz für eine neue 3D-Bioprinting-Technologie erhalten, mit der Nierengewebe im 3D-Druckverfahren produziert werden kann. Mit diesem könnten an schweren Nierenleiden erkrankte Patienten von der Dialyse wegkommen und deutlich an Lebensqualität gewinnen. Langfristig wird auch am 3D-Druck von transplantierbaren Nieren gearbeitet.
Forschern der Federal University of Sao Paulo ist es gelungen, Gehirnzellen mit dem 3D-Drucker herzustellen, die 14 Tage nach dem Druck noch leben. Mit diesen können sie unter anderem Erkrankungen des zentralen Nervensystems erforschen. Ihre Entwicklung hilft ihnen außerdem dabei, Materialien zu untersuchen, mit denen sie beschädigte Hirnbereiche reparieren könnten. Das neue Verfahren könnte auch dabei helfen, den Einsatz von Tierversuchen bei der Medikamentenentwicklung zu reduzieren.
US-amerikanische Forscher von der University of Virginia haben gemeinsam an der Entwicklung eines 3D-Bioprinting-Verfahren namens „DASP – Digital Assembly of Spherical Viscoelastic Bio-Ink Particles“ gearbeitet. Das Biodruck-Verfahren könnte unter anderem bei einer besseren Transplantation von Inselzellen zur Typ-1-Diabetes-Behandlung helfen. Wir stellen das DASP-Bioprinting-Verfahren vor.
Das französische Start-up für regenerative Medizin Healshape geht davon aus, in einer Serie-A-Finanzierung 6,8 Mio. USD für die Weiterentwicklung seiner 3D-gedruckten Brustimplantate zu erhalten. Das Unternehmen entwickelt mit Hilfe der 3D-Druck-Technologie Implantate, die unter Verwendung lebender Patientenzellen entstehen. Wir fassen das Wichtigste dazu zusammen.
Die Bioprinting-Experten vom Terasaki Institute for Biomedical Innovation (TIBI) sind eine Kooperation mit dem Unternehmen Rousselot eingegangen, um Gelatine-basierte, medizinische Therapien auf den Weg zu bringen. Dabei spielt auch die Möglichkeit zur Verarbeitung der modifizierten Gelatine mit 3D-Druck eine Rolle.