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Biofabrikation am Beispiel von modifizierten Biomaterialien

Materialbaukasten mit natürlichen Biopolymeren
Biofabrikation am Beispiel von modifizierten Biomaterialien

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Die Medizin der Zukunft ist biologisch. Um das Konzept biologischer Implantate und personalisierbarer Therapien Wirklichkeit werden zu lassen, optimieren Wissenschaftler am Fraunhofer IGB biologische Materialien für die Verarbeitung mit 3D-Druck-Verfahren. Autor: Dr. Achim Weber, stv. Abteilungsleiter, Fraunhofer IGB

Wie das klassische Tissue Engineering verfolgt auch das Bioprinting das Ziel, biologische oder biologisch funktionelle Gewebe im Labor herzustellen. Die gedruckten In-vitro-Gewebe sollen als Testsysteme Fragen zur Wirksamkeit von Wirkstoffkandidaten beantworten und damit helfen, Tierversuche zu ersetzen oder in Zukunft als biologische Implantate geschädigte Gewebe zur Regeneration anregen oder substituieren.

Für die Körperzellen, die aus Gewebe isoliert werden und sich im Labor vermehren, müssen dazu eine Umgebung geschaffen werden, in der sie ihre spezifischen Funktionen auch über längere Zeit erfüllen können. Die beste künstliche Umgebung für die Zellen ist die, die den natürlichen Bedingungen im Körper möglichst nahekommt. Die Aufgabe der Gewebematrix übernehmen in unseren gedruckten Geweben daher Biomaterialien, die wir aus den Molekülen der natürlichen Gewebematrix herstellen.

Angepasst an den 3D-Druck

Damit die Biomaterialien mittels 3D-Druck in Form gebracht werden können, müssen aber auch ihre Fließeigenschaften an die jeweils verwendete Drucktechnik angepasst werden. Nach dem Druckprozess wird die erzeugte Struktur dann zusätzlich durch eine zellverträgliche Vernetzungsreaktion stabilisiert.

Auf dem heutigen Stand der Technik werden 3D-Druckverfahren genutzt, um in einfach aufgebauten Gewebemodellen unterschiedliche Zellen und Biomaterialien sowie Strukturen wie Perfusionskanäle für die Versorgung der Zellen zu kombinieren. Der Forschungszweig, der sich mit dem Aufbau von biologischen Strukturen mithilfe von additiven Fertigungsverfahren befasst, wird als Bioprinting bezeichnet.

Unser Ansatz ist es, die aus dem Portfolio der Natur rekrutierten Biopolymere für die technische Verarbeitung zu optimieren. Natürliche, biofunktionale Moleküle der Gewebematrix wie Gelatine, Heparin, Hyaluronsäure und Chondroitinsulfat werden am IGB chemisch mit zusätzlichen Funktionen versehen.

Durch „Maskierung“ bestimmter Seitenketten der Biomoleküle können beispielsweise intermolekulare Wechselwirkungen reduziert und dadurch die Viskosität und das Gelierverhalten von Gelatinelösungen beeinflusst werden. Andererseits können reaktive Gruppen eingefügt werden, um die Biomoleküle beispielsweise durch einen Lichtstimulus chemisch zu Hydrogelen zu vernetzen, die unter physiologischen Bedingungen wasserunlöslich sind. Über das Verhältnis der eingeführten maskierenden Acetyl- und der reaktiven Methacrylfunktionen lassen sich sowohl das Fließverhalten der Lösungen als auch die Quelleigenschaften der vernetzten Hydrogele einstellen.

Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik

www.igb.fraunhofer.de

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