Bioprinting (auch als 3D-Bioprinting bekannt) ist eine Kombination aus 3D-Druck mit Biomaterialien, um Teile zu replizieren, die natürliche Gewebe, Knochen und Blutgefäße im Körper imitieren. Es wird hauptsächlich im Zusammenhang mit der Arzneimittelforschung und in jüngster Zeit als Zellgerüst zur Reparatur beschädigter Bänder und Gelenke verwendet. Bioprinting wird seit etwa 2007 in der Medizin eingesetzt und wird verwendet, um fast jedes Gewebe, jeden Knorpel und jedes Organ im Körper zu untersuchen oder nachzubilden.
guteksk7/Getty Images
Inhaltsverzeichnis
So funktioniert Bioprinting
Ein 3D-Drucker kann seinem Druckobjekt Tiefe verleihen. Ein Biodrucker schafft dies, indem er Biomaterialien wie lebende Zellen, synthetischen Klebstoff und Kollagengerüste schichtweise verteilt, um ein Objekt zu erzeugen. Dieser Prozess wird als additive Fertigung bezeichnet – die in den Drucker eingebrachten Materialien verfestigen sich beim Austreten, um ein 3D-Objekt zu erzeugen.
Aber es ist nicht so einfach, wie Materialien in einen 3D-Drucker zu geben und einen Knopf zu drücken. Um zur Phase der additiven Fertigung zu gelangen, muss der Drucker eine Blaupause erhalten – ein computergeneriertes Bild dessen, was er erstellen möchte. Dann werden die Materialien, die Sie für das Objekt verwenden möchten, in den Drucker eingespeist. Der Drucker liest die digitale Datei, die Sie ihm gegeben haben, während er die Materialien, die Sie ihm gegeben haben, schichtweise druckt, um das gewünschte Objekt nachzubilden. Jede Schicht kühlt ab und haftet aneinander (dank des Kollagens, des Klebstoffs oder in einigen Fällen einfach der Zellen selbst), wodurch ein festes, stabiles Stück entsteht.
Um die lebenden Zellen (allgemein als Biotinte bezeichnet) in einen Biodrucker zu füllen, können Forscher verschiedene Wege einschlagen. Erstens können sie direkt dem Patienten entnommen werden, für den sie den Biodruck durchführen. Oder, wenn sie für Forschungszwecke verwendet werden oder wenn sie die eigenen Zellen eines Patienten nicht verwenden können, können adulte Stammzellen verwendet werden, da diese für den Zelltyp manipuliert werden können, der für den Biodruck zur Wiederherstellung von Gewebe benötigt wird.
Der Bauplan, den ein Biodrucker verwendet, ist häufig ein Scan des Patienten. Dadurch kann der Biodrucker Gewebe nachbilden, indem er sich auf den Scan bezieht und dünne, präzise Schichten verwendet, um das Gewebe aufzubauen oder zu drucken.
Bioprinting auf einem Chip
Eine der Möglichkeiten, wie 3D-Bioprinting derzeit in der Wissenschaft und Medizin eingesetzt wird, ist die Erprobung regenerativer Medizin. Am Wyss Institute in Harvard haben Forscher einen 3D-Bioprinter entwickelt, der vaskularisiertes Gewebe aus lebenden menschlichen Zellen produzieren kann, das auf einen Chip gedruckt wird. Sie verwenden dieses Gewebe auf einem Chip, um es mit einem Gefäßkanal zu verbinden, wodurch Forscher dem Gewebe Nährstoffe zuführen können, um Wachstum und Entwicklung zu überwachen.
Die Fähigkeit, Gewebe auf einem Chip zu züchten, hilft Forschern, neue Techniken in der regenerativen Medizin sowie bei der Arzneimittelprüfung zu untersuchen. Mithilfe eines 3D-Biodruckers können Forscher auch verschiedene Methoden zur Herstellung von Chips untersuchen. Eine Errungenschaft war die Schaffung eines Herzens auf einem Chip mit Sensoren für Forschungs- und Datenerfassungszwecke. Dies hätte früher möglicherweise Tierversuche oder andere Maßnahmen erfordert.
Bioprinting und Knochentransplantate
In der Medizin gibt es noch viel zu lernen und zu testen, wenn es darum geht, biogedruckte Organe in menschlicher Größe herzustellen. Aber es werden große Fortschritte gemacht, beispielsweise im Bereich der Knochentransplantation, um Probleme mit Knochen und den sie umgebenden Gelenken zu beheben.
Die bemerkenswertesten Fortschritte wurden von Forschern der Swansea University in Wales erzielt. Die Biodrucker des Teams können künstliches Knochenmaterial in den gewünschten Formen aus einem regenerativen und langlebigen Material herstellen. Forscher der AMBER Science Foundation Ireland und des Trinity College in Dublin, Irland, haben ein Verfahren entwickelt, das den 3D-Biodruck von Knochenmaterial unterstützt und bei Defekten hilft, die durch Tumorresektionen , Traumata und Infektionen sowie genetische Knochendeformationen verursacht werden.
Auch die Universität Nottingham in England hat auf diesem Gebiet der Medizin Fortschritte gemacht. Sie stellt eine Kopie des Knochens her, den sie ersetzen möchte, und beschichtet ihn mit Stammzellen. Das Gerüst wird in den Körper eingesetzt. Mit der Zeit wird es mithilfe der Stammzellen vollständig durch einen neuen Knochen ersetzt.
Bioprinting und regenerative Haut und Gewebe
Haut ist ein erfolgreicher Bereich der Medizin für Bioprinting, da die Maschine beim Drucken Schichten bilden kann. Da die Haut ein mehrschichtiges Organ ist, das in jeder Schicht aus unterschiedlichen Zellen besteht, hoffen Forscher, dass Bioprinting im Laufe der Zeit dabei helfen kann, die Hautschichten wie Dermis und Epidermis zu reproduzieren .
Forscher an der Wake Forest School of Medicine in North Carolina untersuchen dies eingehend bei Brandopfern, denen nicht genügend unverletzte Haut zur Verfügung steht, um sie zur Wundpflege und -heilung zu entnehmen. In diesem Fall würde der Biodrucker die Wundinformationen des Patienten von einem Scanner erhalten (einschließlich Tiefe und erforderlicher Zelltypen), um neue Haut zu erzeugen , die dann für den Patienten verwendet werden könnte.
An der Pennsylvania State University arbeiten Forscher an 3D-Biodruckverfahren, mit denen Knorpel hergestellt werden kann, der bei der Reparatur von Gewebe in den Knien und anderen Bereichen hilft, die häufig durch Abnutzung des Körpers abgenutzt werden. Darüber hinaus können Haut und andere Gewebe des Nervensystems, die für die Gesundheit der Organe wichtig sind, repariert werden.
Bioprinting von Blutgefäßen
Die Möglichkeit, Blutgefäße mit einem Biodrucker nachzubilden, ist nicht nur für die Möglichkeit hilfreich, sie direkt in einen Patienten zu transplantieren, sondern auch für Arzneimitteltests und personalisierte Medizin . Forscher am Brigham and Women’s Hospital haben in diesem Bereich der Medizin Fortschritte gemacht, indem sie Agarosefasern gedruckt haben, die als Blutgefäße dienen. Die Forscher fanden heraus, dass diese biogedruckten Blutgefäße stark genug sind, um sich zu bewegen und größere Netzwerke zu bilden, anstatt sich um eine bestehende Struktur herum aufzulösen.
Ein Wort von Health Life Guide
Die Forschung, die sich mit dem Bioprinting beschäftigt, ist faszinierend. Und obwohl es durch die Fähigkeit, Knochen, Haut, Blutgefäße, Knorpel und sogar Organe durch Bioprinting herzustellen, große Fortschritte und Fortschritte gegeben hat, sind noch viele Fortschritte zu machen, bevor viele dieser Verfahren in der Medizin Anwendung finden.
Einige könnten jedoch früher fertig sein als andere. Im Fall von Bioprinting und Haut hoffen die Forscher, die Technologie innerhalb von fünf Jahren für Soldaten bereit zu haben, die im Kampf schwere Verbrennungen erleiden. Andere Bereiche des Bioprintings, wie die Rekonstruktion menschlicher Organe, haben in der Entwicklung noch einen weiten Weg vor sich.
Wenn es darum geht, körpereigene Prozesse nachzuahmen und die Wechselwirkung bestimmter Medikamente innerhalb des größeren Körpers zu beobachten, hat der Bioprinting-Prozess Türen zur Datenerfassung geöffnet und bietet nicht-invasive Möglichkeiten, um zu beobachten, wie der menschliche Körper mit bestimmten Substanzen interagiert. Dies könnte zu einer individuelleren Medizin für die Patienten und zu weniger Nebenwirkungen führen.