Revolutionäre Methode zur Herstellung von Ersatzgewebe

Forscher der Technischen Universität Wien (TU Wien) haben eine bahnbrechende 3D-Drucktechnik entwickelt, die die Herstellung von Ersatzgewebe im Labor ermöglicht, um beispielsweise geschädigten Knorpel zu ersetzen.

Bei dieser Technik wird ein hochauflösender 3D-Druckprozess verwendet, um winzige, poröse Kugeln aus biokompatiblem und abbaubarem Kunststoff herzustellen, die dann mit Zellen besiedelt werden. Diese Sphäroide können dann in beliebiger Geometrie angeordnet werden, und die Zellen der verschiedenen Einheiten verbinden sich nahtlos zu einem gleichmäßigen, lebenden Gewebe. Die Herstellung von Knorpelgewebe, mit der das Konzept nun an der TU Wien demonstriert wurde, galt bisher als besonders herausfordernd in dieser Hinsicht.

Winzige kugelförmige Strukturen
“Die Kultivierung von Knorpelzellen aus Stammzellen ist nicht die größte Herausforderung. Das Hauptproblem besteht darin, dass man normalerweise wenig Kontrolle über die Form des resultierenden Gewebes hat”, sagt Oliver Kopinski-Grünwald vom Institut für Materialwissenschaft und Technologie an der TU Wien, einer der Autoren der aktuellen Studie. “Dies liegt auch daran, dass solche Stammzellklumpen im Laufe der Zeit ihre Form verändern und oft schrumpfen.”

Um dies zu verhindern, arbeitet das Forschungsteam an der TU Wien mit speziell entwickelten laserbasierten hochauflösenden 3D-Drucksystemen, um winzige käfigartige Strukturen herzustellen, die wie Mini-Fußbälle aussehen und einen Durchmesser von nur einem Drittel eines Millimeters haben. Diese dienen als Stützstruktur und bilden kompakte Bausteine, die dann zu beliebigen Formen zusammengesetzt werden können.

Zusammenwachsen
In diese mini-käfigförmigen Strukturen werden zunächst Stammzellen eingeführt, die das winzige Volumen schnell füllen. “Auf diese Weise können wir zuverlässig Gewebeelemente produzieren, in denen die Zellen gleichmäßig verteilt sind und die Zelldichte sehr hoch ist. Dies wäre mit bisherigen Ansätzen nicht möglich gewesen”, sagt Prof. Aleksandr Ovsianikov, Leiter der Forschungsgruppe 3D-Druck und Biofabrikation an der TU Wien.

Das Team verwendete differenzierte Stammzellen – also Stammzellen, die sich nicht mehr zu jedem Gewebetyp entwickeln können, sondern bereits dazu bestimmt sind, einen bestimmten Gewebetyp zu bilden, in diesem Fall Knorpelgewebe. Solche Zellen sind für medizinische Anwendungen besonders interessant, aber die Konstruktion größerer Gewebe ist eine Herausforderung, wenn es um Knorpelzellen geht. Im Knorpelgewebe bilden die Zellen eine sehr ausgeprägte extrazelluläre Matrix – eine netzartige Struktur zwischen den Zellen, die oft verhindert, dass sich verschiedene Zellkugeln auf die gewünschte Weise verbinden.

Wenn die 3D-gedruckten porösen Sphäroide auf die gewünschte Weise mit Zellen besiedelt werden, können die Sphäroide in beliebiger Form angeordnet werden. Die Forschung hat gezeigt, dass sich die Zellen unterschiedlicher Sphäroide auch zu einem einheitlichen, homogenen Gewebe verbinden.

Die winzigen 3D-gedruckten Gerüste geben der Gesamtstruktur mechanische Stabilität, während das Gewebe weiter heranreift. Über einige Monate hinweg bauen sich die Kunststoffstrukturen ab und hinterlassen das fertige Gewebe in der gewünschten Form.

Medizinische Anwendung
Grundsätzlich ist der neue Ansatz nicht auf Knorpelgewebe beschränkt, sondern könnte auch zur Anpassung verschiedener Arten von größeren Geweben wie Knochengewebe verwendet werden. Es gibt jedoch noch Arbeit zu tun, um dieses Stadium zu erreichen, vor allem dann, wenn es darum geht, Blutgefäße für diese Gewebe über einer bestimmten Größe einzubauen.

“Ein erstes Ziel wäre es, kleine maßgeschneiderte Stücke von Knorpelgewebe herzustellen, die nach einer Verletzung in vorhandenes Knorpelmaterial eingesetzt werden können”, sagt Oliver Kopinski-Grünwald. “Auf jeden Fall konnten wir nun zeigen, dass unsere Methode zur Herstellung von Knorpelgewebe mit sphärischen Mikrogerüsten grundsätzlich funktioniert und entscheidende Vorteile gegenüber anderen Technologien hat.”

FAQ:

Frage: Was ist die bahnbrechende 3D-Drucktechnik, die an der TU Wien entwickelt wurde?
Antwort: Die Forscher haben eine 3D-Drucktechnik entwickelt, die die Herstellung von Ersatzgewebe im Labor ermöglicht, um geschädigten Knorpel zu ersetzen.

Frage: Wie funktioniert diese Technik?
Antwort: Bei dieser Technik werden winzige, poröse Kugeln aus biokompatiblem und abbaubarem Kunststoff mit Zellen besiedelt und in beliebiger Geometrie angeordnet. Die Zellen verbinden sich zu einem gleichmäßigen, lebenden Gewebe.

Frage: Was war bisher die Herausforderung bei der Herstellung von Knorpelgewebe?
Antwort: Die größte Herausforderung lag darin, wenig Kontrolle über die Form des resultierenden Gewebes zu haben und dass die Stammzellklumpen im Laufe der Zeit ihre Form verändern und schrumpfen.

Frage: Mit welcher Methode wird dies verhindert?
Antwort: Das Forschungsteam verwendet laserbasierte hochauflösende 3D-Drucksysteme, um käfigartige Strukturen herzustellen. Diese dienen als Stützstruktur und ermöglichen die gleichmäßige Verteilung der Zellen.

Frage: Welche Art von Stammzellen wurden verwendet?
Antwort: Differenzierte Stammzellen wurden verwendet, die bereits dazu bestimmt sind, Knorpelgewebe zu bilden. Solche Zellen sind für medizinische Anwendungen besonders interessant.

Frage: Was geschieht, wenn die Sphäroide mit Zellen besiedelt werden?
Antwort: Die Zellen unterschiedlicher Sphäroide verbinden sich zu einem einheitlichen, homogenen Gewebe.

Frage: Wie lange dauert es, bis das Gewebe fertig ist?
Antwort: Über einige Monate hinweg bauen sich die Kunststoffstrukturen ab und hinterlassen das fertige Gewebe in der gewünschten Form.

Frage: Ist diese Methode nur auf Knorpelgewebe beschränkt?
Antwort: Nein, der neue Ansatz könnte auch zur Anpassung verschiedener Arten von größeren Geweben wie Knochengewebe verwendet werden. Es gibt jedoch noch Arbeit zu tun, um dieses Stadium zu erreichen.

Quelle: Technische Universität Wien (TU Wien)