Unbehandelte Knorpeldefekte können im Alter zu Arthrose führen, für die es aktuell keine wirksame Therapie gibt. Personalisierte Knorpelzellimplantate aus dem 3D-Drucker sollen künftig Abhilfe schaffen. Dafür entwickeln Forscher spezielle Drucktinten, die körpereigene Knorpelzellen enthalten.
Das vierjährige Projekt des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP und der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg (BTU) ist im Januar 2024 gestartet und wird mit rund 2 Mio. Euro durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.
Enorme Potenziale für die Behandlung von Knorpelschäden
Eine bewährte Methode zur Behandlung von Knorpelschäden im Knie oder anderen Gelenken ist die Transplantation von körpereigenen Knorpelzellen. Dabei werden gesunde Knorpelzellen aus einem weniger beanspruchten Bereich des betroffenen Gelenks entnommen, im Labor vermehrt und anschließend in den geschädigten Bereich des Knorpels transplantiert. Doch diese Technik ist nicht in allen Fällen anwendbar. Insbesondere für größere Knorpeldefekte wird nach Alternativen gesucht.
Der Bio-3D-Druck, auch Bioprinting genannt, soll enorme Potenziale eröffnen. Diese Fertigungstechnologie ermöglicht es, biologisches Gewebe in einem dreidimensionalen Format herzustellen. Wie bei herkömmlichen Verfahren der additiven Fertigung werden beim Bio-3D-Druck Schichten von Materialien zu einer bestimmten Struktur aufgebaut. Allerdings werden als Drucktinten Biomaterialien verwendet, in die sogar lebende Zellen eingebettet sein können.
Biotinten für den 3D-Druck mit eigenen Körperzellen
„Im Projekt BioPol-3D entwickeln wir Tinten für den Bio-3D-Druck, die bereits die Knorpelzellen der Patientin oder des Patienten enthalten“, erklärt Professor Ruben R. Rosencrantz, Leiter des Forschungsbereichs „Life Science und Bioprozesse“ am Fraunhofer IAP und Inhaber des Lehrstuhls „Biofunktionelle Polymermaterialien“ an der BTU. „Die Zellen sind dabei in ein Hydrogel eingebettet. Diese Biotinten können während oder nach dem Druck vernetzt oder stabilisiert werden, um die gewünschte Form und Struktur zu erzeugen.“
Als Hydrogelmatrix setzen die Forschenden unter anderem auf Glykopolymere. Diese werden eigens synthetisiert und eignen sich hervorragend dafür, die natürliche Umgebung von Knorpelzellen im Körper nachzubilden.
Glykopolymere als Konstruktionsmaterial
Bislang kamen Glykopolymere jedoch nicht als Konstruktionsmaterial zum Einsatz. Im Rahmen des Projekts untersucht das Team, wie gut sie sich bezüglich ihrer Material- und Verarbeitungseigenschaften für den Bio-3D-Druck eignen, und optimiert sie dafür. „Bei der Entwicklung dieser Glykopolymere vereinen wir unser chemisches und biotechnologisches Know-how am Fraunhofer IAP in einzigartiger Weise. Diese Kombination spielt für BioPol-3D eine entscheidende Rolle, da die Materialoptimierung sehr genau auf die biologischen Vorgänge abgestimmt werden muss“, verdeutlicht Rosencrantz.
„Unser Ansatz, die Knorpelzellen zu verdrucken, geht über herkömmliche Verfahren hinaus, denn wir bringen die biologische Komponente – also die Knorpelzellen – direkt in Form“, ergänzt BTU-Kollegin Prof. Ursula Anderer, die die Arbeitsgruppe „Zellbiologie und Tissue Engineering“ leitet. „Es wird also nicht erst ein Gerüst gedruckt, auf dem später Zellen angesiedelt werden.“
Es gebe eine Vielzahl an Parametern, die zu berücksichtigen seien, um druckfähige Tinten zu entwickeln: „Die empfindlichen Knorpelzellen müssen vital bleiben, die Tinten müssen biokompatibel und kontrolliert bioabbaubar sein und schließlich muss die gewünschte Knorpelform eine hohe Stabilität und Festigkeit aufweisen“, betont Anderer. „Unser Ziel ist es, eine fortschrittliche 3D-Zellkultur für die Therapie von Knorpelschäden zu etablieren und gleichzeitig die Herstellung solcher Formkörper durch additive Fertigung zu revolutionieren.“
Künftig auch Anwendungen in den Bereichen Sensorik oder Kosmetik
Bio-3D-Druck ist ein aufstrebender Markt, der zahlreiche kleine und mittlere Unternehmen sowie Start-ups anzieht – eine Entwicklung, von der auch die Lausitz profitieren soll. „Die intensive Zusammenarbeit zwischen der BTU und dem Fraunhofer IAP bietet ein großes Potenzial, um noch innovativere Materialien für den Bio-3D-Druck zu entwickeln“, sagt Rosencrantz. „Bewähren sich diese Materialien und Verfahren, können wir künftig auch Anwendungen in den Bereichen Sensorik oder Kosmetik erschließen.“ (jpk)
