Revolutionizing Tissue Engineering: 3D Ice Printing for Artificial Blood Vessels

In den USA allein stehen mehr als 100.000 Menschen auf Wartelisten für Organtransplantationen. Wenn es Forschern gelingen würde, im Labor gezüchtete Organe und Gewebe herzustellen, könnten jedes Jahr Tausende von Menschen gerettet und ein großes Gesundheitsproblem gelindert werden. Aber die Herstellung von Organen ist keine einfache Aufgabe.

Ein Teil der Herausforderung besteht darin, die Blutgefäßnetzwerke in künstlichen Organen zu schaffen. Von den kleinsten Kapillaren bis zu größeren Arterien verfügen Organe über ein robustes Netzwerk von Blutgefäßen, und die Nachbildung davon ist eine der zentralen Herausforderungen.

Aus diesem Grund suchen Forscher zunehmend nach innovativen Techniken wie dem 3D-Eisdruck.

3D-Eisdruck ist eine Form des 3D-Drucks, bei dem ein Wasserstrahl auf eine sehr kalte Oberfläche gerichtet wird. Das Wasser friert teilweise ein, während gleichzeitig eine flüssige Schicht oben erhalten bleibt. Dies vermeidet den Schichteffekt, der bei anderen 3D-Drucktechniken häufig auftritt und führt zu glatteren, natürlicher geformten Strukturen.

Feimo Yang, eine Doktorandin in den Labors von Philip LeDuc und Burak Ozdoganlar an der Carnegie Mellon University, präsentierte ihre Forschung auf der 68. Jahrestagung der Biophysical Society und erklärte, wie sie dazu verwendet werden kann, bessere Blutgefäße von Organen zu erstellen.

“Was unsere Methode von anderen Arten des 3D-Drucks unterscheidet, ist, dass wir das Wasser während des Drucks nicht vollständig einfrieren lassen, sondern eine flüssige Phase oben erhalten lassen. Dieser kontinuierliche Prozess, den wir als Freeform bezeichnen, hilft uns, eine sehr glatte Struktur zu erhalten. Wir haben keinen Schichteffekt, wie er bei vielen 3D-Drucken typisch ist”, erklärte Yang.

Der 3D-Druck-Ansatz wird verwendet, um das gewünschte Netzwerk von Blutgefäßen zu erstellen. Die Forscher verwenden außerdem schweres Wasser, dessen Gefrierpunkt aufgrund der Ersetzung von normalen Wasserstoffatomen durch Deuterium höher liegt. Dieser Ansatz ermöglicht die Herstellung von komplexen Designs mit gesteigerter Präzision.

Nachdem die gewünschte Eisform erstellt wurde, wird diese Vorlage in ein stützendes Material eingebettet, das um das Eis herum verhärtet. Dann schmilzt das Eis weg und lässt die Kanäle zurück, die die Blutgefäße im Körper nachahmen. Obwohl noch in den Anfängen, könnte dieser Ansatz die Gewebezüchtung revolutionieren, insbesondere bei der Erstellung von Blutgefäßen innerhalb von im Labor gezüchteten Organen.

Darüber hinaus bietet die Möglichkeit, die Wirkung von Medikamenten an diesen gedruckten Gefäßen zu testen und Behandlungen durch Beschichtung mit den eigenen Zellen des Patienten anpassen zu können, eine neue Ära in der Präzisionsmedizin und therapeutischen Interventionen.

Obwohl es noch einen langen Weg bis zur praktischen Anwendung dieser Technik gibt, bieten Fortschritte in der Gewebezüchtung, insbesondere durch den innovativen Einsatz der 3D-Eisdrucktechnologie, einen Hoffnungsschimmer bei der Bewältigung dieser Krise. Die Herausforderung, menschliche Organe im Labor für Transplantationen zu erschaffen, mag nach Science Fiction klingen, ist aber vielleicht gar nicht mehr so weit entfernt – und damit die Möglichkeit, viele Patienten zu retten.

Häufig gestellte Fragen (FAQ) zu 3D-Eisdruck zur Herstellung von Organen und Gewebe:

Frage 1: Wie viele Menschen in den USA stehen auf Wartelisten für Organtransplantationen?
Antwort: In den USA stehen allein mehr als 100.000 Menschen auf Wartelisten für Organtransplantationen.

Frage 2: Warum ist die Herstellung von Organen schwierig?
Antwort: Die Herstellung von Organen ist eine komplexe Aufgabe, da unter anderem die Schaffung von Blutgefäßnetzwerken eine Herausforderung darstellt.

Frage 3: Was ist 3D-Eisdruck?
Antwort: 3D-Eisdruck ist eine Form des 3D-Drucks, bei dem ein Wasserstrahl auf eine sehr kalte Oberfläche gerichtet wird, wodurch eine glattere Struktur entsteht.

Frage 4: Wie kann der 3D-Eisdruck für die Herstellung von Blutgefäßen verwendet werden?
Antwort: Der 3D-Eisdruck-Ansatz wird verwendet, um ein gewünschtes Netzwerk von Blutgefäßen zu erstellen. Dabei wird schweres Wasser verwendet, um komplexe Designs mit gesteigerter Präzision zu ermöglichen.

Frage 5: Wie funktioniert die 3D-Eisdrucktechnologie?
Antwort: Nachdem die gewünschte Eisform erstellt wurde, wird sie in ein stützendes Material eingebettet. Anschließend wird das Eis geschmolzen, und die Kanäle, die die Blutgefäße im Körper nachahmen, bleiben zurück.

Frage 6: Welche Vorteile bietet die 3D-Eisdrucktechnologie für die Gewebezüchtung?
Antwort: Die 3D-Eisdrucktechnologie ermöglicht die Herstellung von Organen mit präzisen Blutgefäßnetzwerken. Zusätzlich bietet sie die Möglichkeit, die Wirkung von Medikamenten an den gedruckten Gefäßen zu testen und Behandlungen an die spezifischen Zellen des Patienten anzupassen.

Frage 7: Wann kann die 3D-Eisdrucktechnologie in der Praxis angewendet werden?
Antwort: Obwohl noch in den Anfängen, könnten Fortschritte in der Gewebezüchtung durch den Einsatz der 3D-Eisdrucktechnologie in Zukunft dazu führen, dass menschliche Organe im Labor für Transplantationen hergestellt werden können.

Frage 8: Was ist die Hoffnung für die Zukunft der Organgewinnung?
Antwort: Durch Fortschritte in der Gewebezüchtung, insbesondere durch den innovativen Einsatz der 3D-Eisdrucktechnologie, besteht die Hoffnung, dass die Herstellung von Organen im Labor zur Realität wird und damit vielen Patienten geholfen werden kann.

Weitere Informationen:
Carnegie Mellon University Website
Biophysical Society Website