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 Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat mit dem „Bioprint FirstAid“ ein Gerät entwickelt, das den 3D-Druck von Gewebestrukturen zur Wundheilung auf Raumfahrtmissionen ermöglichen soll. Dieser kam kürzlich auf der Internationalen Raumstation (ISS) an. Dort wurde er getestet und die Ergebnisse zu weiteren Untersuchungen zurück auf die Erde geschickt.
Das Biokonvergenzunternehmen BICO gibt seine Partnerschaft mit dem Center for Contemporary Sciences (CCS) bekannt. Die CCS setzt sich gegen experimentelle Tierversuche und für die Weiterentwicklung humanrelevanter Methoden in der wissenschaftlichen Forschung und Arzneimittelentdeckung ein. Beide Unternehmen wollen zusammen mit Hilfe von Bio-3D-Druck daran arbeiten, den FDA-Modernisierungsakt und weitere Initiativen gegen Tierversuche zu unterstützen.
Forschern aus Großbritannien ist der 3D-Druck eines Hautäquivalents mit drei Hautschichten gelungen. Dabei kam die Suspended Layer Additive Manufacturing (SLAM)-Methode zum Einsatz. Mit ihrer Arbeit wollen die Forscher die Wundheilung deutlich verbessern. Am Beispiel der Reparatur von Schweinegewebe demonstrierten die Forscher die Ergebnisse ihrer Arbeit.
Deutsche Forscher vom Universitätsklinikum Heidelberg haben mit 3D-Druck ein neuartiges Gewebe entwickelt, das Insulin selbst produzieren kann. Für Patienten, die an Diabetes erkrankt sind oder denen ein Teil der Pankreas (Bauchspeicheldrüse) fehlt, würde das eine wesentliche Verbesserung ihrer Lebensqualität bedeuten. Wir stellen die Arbeit zum 3D-Bioprinting der Forscher aus Baden-Württemberg einmal genauer vor.
US-Forscher vom Brigham and Women’s Hospital sowie der Harvard Medical School haben einen Weg gefunden, wie sie 3D-gedrucktes Gewebe länger haltbar machen können. Das Gewebe wird mittels „Kryobiodruck“ auf einer -20 °C kalten Platte gedruckt und bei -196 °C eingefroren. Anschließend kann es bis zu drei Monate in diesem Status bleiben und unkompliziert wieder aufgetaut werden.
Das Bioprinting-Unternehmen Prellis Biologics hat mit Hilfe von dem 3D-Druckverfahren Lymphknoten-Organoide hergestellt, um die Forschung und Entwicklung von Antikörpern zu beschleunigen. Mit seiner proprietären 3D-Biodrucktechnologie scheint Prellis Biologics seinen Fokus nun auf die Entwicklung von Lymphknoten-Organoiden zu verlagern und machte nach umfangreichen Forschungen in diesem Bereich einen Durchbruch mit seinem „externalisierten Immunsystem“ namens EXIS.
Am israelischen Institut of Technology Technion und dem Sheba Medical Center haben Forscher mithilfe des Tissue Engineerings eine Basis für ein Ohrgerüst mit Hilfe von 3D-Druck hergestellt. Dieses soll für Kinder mit Ohrverformungen nutzbar sein. Aufgrund des Erfolgs mit dem 3D-Druckverfahren, gehen die Forscher davon aus, dass es möglich sein wird, die Technologie auch auf andere medizinische Anwendungen, wie die Nasenrekonstruktion und die Herstellung verschiedener orthopädischer Implantate, zuzuschneiden.
Die finnischen 3D-Druck-Unternehmen Brinter und LED Tailor haben zusammen ein automatisches Photonen-Desinfektionssystem für Druckkammern von 3D-Bioprinters entwickelt. Das auf Blaulicht basierende Spectral Blue®-Desinfektionssystem von LED Tailor tötet alle unerwünschten Formen von Viren und Bakterien im Bioprinter ab, heißt es von den Unternehmen. Wir stellen das System einmal vor.
Die beiden 3D-Druck-Unternehmen Nanoscribe und CELLINK stellen mit dem Quantum X bio einen neuen 3D-Biodrucker vor. Dieser eignet sich für Life-Science-Anwendungen wie Tissue Engineering, kundenspezifische Gerüste für Zellstudien und zahlreiche weitere innovative biologische Anwendungen. Wir stellen die wichtigsten Eigenschaften zum Quantum X bio Bioprinter einmal genauer vor.
Ein Team von niederländischen und US-amerikanischen Forschern hat eine neuartige Art von Biotinte entwickelt, mit der es ihnen gelang, einen Biofilm per 3D-Druck herzustellen. Auf einem Biofilm sammeln sich Bakterienarten und bilden auf engen Raum zusammengebracht ein biologisches Bakteriennetzwerk. Mit dem neuen, 3D-gedruckten Biofilm konnten die Forscher dessen Verhalten jetzt genauer untersuchen und haben so verbesserte Möglichkeiten Mittel im Kampf gegen die Bakterien einzusetzen.
Das 3D-Biodruck-Unternehmen BICO schließt mit dem Unternehmen Nanochon einen Auftragsfertigungsvertrag über 1,5 Mio. USD für den regenerativen Gelenkersatz ab. SCIENION wird dabei als Auftragshersteller fungieren. Nanochon möchte den 3D-Druck von regenerativen Gelenkimplantaten voranbringen.
Britischen Forschern der RCSI University of Medicine and Health Sciences gelang die Entwicklung von Biotinte für den 3D-Druck von Gewebe zur Wundheilung. Die Biotinte ist mit PRP angereichert und soll so eine bessere Vaskularisierung ermöglichen. Wir stellen die Forschungsarbeit vor.
Ein Team von Forschern, unter anderem dem Massachusetts Institute of Technology (MIT), hat eine neuartige Struktur mit Hilfe von 3D-Druck entwickelt, die Krebsmedikamente freisetzen oder Toxine auffangen kann. Die Struktur wurde hergestellt aus biologischem Material und Polymeren mit einem 3D-Drucker hergestellt.
Das 3D-Druck-Unternehmen TissueLabs aus der Schweiz hat mit dem TissueRay den ersten kommerziellen MSLA-3D-Biodrucker auf den Markt gebracht. Der TissueRay soll die perfekte Kombination aus hoher Auflösung und Durchsatz ermöglichen und kostet 11.999 Euro. Wir fassen das Wichtigste dazu zusammen.
Das finnische 3D-Bioprinting-Unternehmen Brinter bringt mit dem „Brinter Core“ einen neuen 3D-Biodrucker auf den Markt. Das Einsteigermodell kostet nur halb so viel wie sein Vorgänger und ermöglicht es so auch Institutionen mit kleinerem Budget Erfahrungen mit den Vorteilen des Bioprintings zu sammlen.
Das US-amerikanische 3D-Druck-Unternehmen 3D Systems erwirbt das Biotechnologieunternehmen Volumetric Biotechnologies. Das Unternehmen aus Texas wurde 2018 gegründet und hat 2019 mit 3D-gedruckten Gefäßen auf sich aufmerksam gemacht, die eine Lunge nachahmen. Mit der Fusion mit 3D Systems soll der Fortschritt beim 3D-Druck von Organen schneller vorankommen.
Eine Gruppe von Forschern des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in den USA hat eine neue Methode entwickelt, um lebende Mikroben in kontrollierten Mustern mittels Bioprinting zu drucken. Die individuellen Strukturen können zahlreiche Aufgaben übernehmen, wie die Rückgewinnung seltener Erdmetalle, die Reinigung von Abwasser oder den Nachweis von Uran.
Die koreanischen Unternehmen T&R Biofab und B. Braun arbeiten gemeinsam an der Entwicklung, Produktion und dem Vertrieb von mit 3D-Druck hergestellten PCL-Knochenimplantaten bei Eingriffen am Gehirn zur Rekonstruktion und Reparatur von Schädeltraumata. Das Bioprinting-Unternehmen kümmert sich um die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten. B. Braun nutzt seine Vertriebsstruktur um die Implantate zu vertreiben.
Die beiden walisischen Unternehmen Copner Biotech und Jellagen gehen eine Partnerschaft ein, um Biotinten aus Quallenkollagen mit fortschrittlicher Präzisionssoftware zu kombinieren. Dazu erhielten sie eine Förderung in Höhe von 123.724 £. Die Biotinte Kollagen Typ 0 von Jellagen soll mit der fortschrittlichen Algorithmus-Software von Copner Biotech kombiniert die Präzision des 3D-Biodruckprozesses verbessern.
Das bayerische Unternehmen ViscoTec präsentiert mit Puredyne eine neue Marke, die präzisen und wiederholgenauen 3D-Druck auch für extrusionsbasiertes Bioprinting ermöglichen soll. Dabei werden Multi-Use Komponenten mit Single-Use-Caps kombiniert. Wir stellen die Marke vor.