Bioprinting ohne teure Spezialgeräte

An der Hochschule München ist es Forschern im Rahmen einer Dissertation gelungen, einfache 3D-Drucker so zu modifizieren, dass auch sie biologische Strukturen drucken können – eine große Chance auch für kleine Labore im Bereich Bioprinting zu forschen.

Bioprinting, also der 3D-Druck von Gewebe und anderen Strukturen, ist ein absolutes Zukunftsfeld in der Medizin – eines, dass sich in Zukunft auch kleine Labore für die Forschung erschließen können. Denn einem Team der Hochschule München ist es im Rahmen einer Dissertation nun gelungen, die „günstigen“ 3D-Drucker aus dem Elektromarkt so zu modifizieren, dass auch sie biologische Strukturen auf Knopfdruck erstellen können.

„Trotz aller Erfolge sind wir noch weit von unserem Ziel entfernt, maßgeschneidertes Gewebe im größeren Maßstab herzustellen“, betont Benedikt Kaufmann, Bioingenieur am Centrum für Angewandtes Tissue Engineering und Regenerative Medizin (CANTER) der Hochschule München. Das größte Problem war bisher, dass die Forschung mitunter schon gescheitert ist, bevor sie überhaupt begonnen hat. Denn die Anschaffung eines Bioprinter, mit dem sich dreidimensionale Zellstrukturen herstellen lassen, kosten mehrere zehntausend Euro. Für kleine Labore oder Institute sind sie oft unerschwinglich.

Kostengünstige Alternative

Im Rahmen seiner Promotion hat Kaufmann jetzt eine kostengünstige Alternative entwickelt: Zusammen mit einem interdisziplinären Team am CANTER in Kooperation mit der Technischen Universität München hat er einen wenige hundert Euro teuren 3D‑Drucker aus dem Elektromarkt, mit dem normalerweise Prototypen und Modelle aus Kunststoff hergestellt werden, so modifiziert, dass sich mit ihm lebendes Gewebe drucken lässt. Die Open-Source-Bauanleitung steht jetzt jedermann kostenlos zur Verfügung.

Die größte Herausforderung für das Projekt war dabei, geeignete Umgebungsbedingungen zu schaffen. Denn Proteine und Zellen benötigen sowohl eine hohe Luftfeuchtigkeit also auch gleichmäßige Temperaturen von 37 Grad Celsius. Nach ausgiebigen Tests entschieden sich die Forscher für eine effiziente und kostengünstige Lösung: Heizfolien. An das Alugehäuse des Druckers geklebt und gesteuert durch einen Mikrocontroller, heizen sie den Innenraum auf die gewünschte Temperatur auf. Dabei erzeugt wassergetränkter Zellstoff eine Luftfeuchtigkeit von über 90 Prozent. Außerdem ersetzten die Forscher die Druckplattform des Druckers, auf der schichtweise Strukturen aufgebaut werden. Bei handelsüblichen Druckern, die Kunststoff verarbeiten, ist diese Platte aus Metall. Der modifizierte 3D-Printer verfügt über eine Aufhängung, an der sich ein Glasplättchen befestigt lässt. Auf dieses lichtdurchlässige Plättchen können Biomaterialien und Zellen direkt aufgedruckt und anschließend hochauflösend unter dem Mikroskop untersucht werden.

Klein aber oho

Der sehr kleine Drucker arbeitet mit maskierter Stereolithographie, einem besonders zellschonenden Verfahren, bei dem Licht aus LEDs nach einem vorprogrammierten Muster durch ein Flüssigkristall-Display – ähnlich dem eines Handys oder Computer-Monitors – auf das mit einem gelatineartigen Hydrogel benetzte Glasplättchen projiziert wird. Hierbei werden gezielt einzelne Pixel des Displays aktiviert und sorgen so dafür, dass sich die im Hydrogel befindlichen Proteine exakt an den gewünschten Stellen vernetzen und aushärten – Schicht für Schicht entsteht so ein dreidimensionales Gebilde.

Neben den professionellen Laborgeräten im CANTER-Labor der Hochschule München wirkt der umgerüstete 3D-Drucker fast zwergenhaft. Doch die Ergebnisse, die er liefert, stehen denen der Großgeräte nicht nach: „Unsere Versuche haben gezeigt, dass sich mit dem modifizierten 3D-Drucker organische Strukturgerüste mit unterschiedlicher Steifigkeit herstellen lassen – das ist wichtig, weil beispielsweise für Knochensubstanz eine höhere Härte erforderlich ist als für Muskelgewebe“, erklärt Kaufmann. Mittlerweile sei es auch gelungen, Stammzellen während des Druckvorgangs direkt in die Strukturen zu integrieren.

Für Teams, die bisher keine Möglichkeit hatten, selbst Gewebekonstrukte herzustellen, sind das gute Nachrichten: Sie können jetzt dank der im Netz verfügbaren Bauanleitung einen einfachen kommerziell erhältlichen 3D-Drucker zum Bioprinter umbauen. „Ingenieurstechnisches Know-how ist dafür nicht erforderlich,“ betont Kaufmann. Damit sei der Weg auch für kleine Labore frei, Erfahrung mit der Herstellung, Charakterisierung und Optimierung von künstlichem Gewebe zu sammeln, Wissen zu generieren und zu teilen, um das Tissue Engineering weiterzuentwickeln. Selbst in Schulen können mit dem modifizierten Drucker erste Erfahrungen im 3D-Druck von Biomaterialien gesammelt werden.