Forscher entwickeln revolutionären Hochgeschwindigkeits-3D-Biodrucker

Nach Angaben der Universität Melbourne haben Biomedizintechniker einen Bioprinter erfunden, der in der Lage ist, Strukturen herzustellen, die die verschiedenen Gewebe des menschlichen Körpers – vom weichen Hirngewebe bis hin zu härteren Materialien wie Knorpel und Knochen – genau nachahmen. Diese Technologie bietet Krebsforschern ein fortschrittliches Werkzeug für die Nachbildung spezifischer Organe und Gewebe, wodurch sich die Möglichkeiten zur Vorhersage und Entwicklung neuer pharmazeutischer Therapien erheblich verbessern. Dies würde den Weg für eine fortschrittlichere und ethischere Arzneimittelforschung ebnen, da weniger Tierversuche erforderlich wären.

„Unser Ansatz verbessert nicht nur die Druckgeschwindigkeit drastisch, sondern ermöglicht auch eine gewisse Zellpositionierung innerhalb des gedruckten Gewebes. Die falsche Positionierung der Zellen ist einer der Hauptgründe dafür, dass die meisten 3D-Biodrucker keine Strukturen erzeugen können, die menschliches Gewebe genau darstellen. So wie bei einem Auto die mechanischen Komponenten genau angeordnet sein müssen, um zu funktionieren, müssen auch die Zellen in unseren Geweben richtig angeordnet sein. Derzeitige 3D-Biodrucker sind darauf angewiesen, dass sich die Zellen ohne Anleitung natürlich ausrichten, was erhebliche Einschränkungen mit sich bringt“, so Associate Professor David Collins, Leiter des Collins BioMicrosystems Laboratory an der Universität von Melbourne. „Unser System hingegen nutzt akustische Wellen, die von einer vibrierenden Blase erzeugt werden, um die Zellen innerhalb der 3D-gedruckten Strukturen zu positionieren. Diese Methode verschafft den Zellen den nötigen Vorsprung, damit sie sich zu den komplexen Geweben entwickeln können, die im menschlichen Körper vorkommen.“

Die meisten kommerziell erhältlichen 3D-Biodrucker arbeiten mit einem langsamen, schichtweisen Herstellungsverfahren, das mehrere Herausforderungen mit sich bringt. Diese Methode kann mehrere Stunden in Anspruch nehmen, was die Lebensfähigkeit lebender Zellen während des Druckvorgangs gefährdet. Außerdem müssen die gedruckten Zellstrukturen zur Analyse und Bildgebung vorsichtig in Standard-Laborplatten übertragen werden – ein heikler Schritt, der die Integrität dieser zerbrechlichen Strukturen gefährden kann.

Das Forscherteam der University of Melbourne hat das derzeitige Verfahren auf den Kopf gestellt, indem es einen hochentwickelten Bioprinter auf optischer Basis entwickelt hat. Die innovative Technik nutzt vibrierende Blasen, um zelluläre Strukturen in nur wenigen Sekunden in 3D zu drucken. Das ist etwa 350 Mal schneller als herkömmliche Methoden und ermöglicht es den Forschern, menschliches Gewebe mit zellulärer Auflösung genau nachzubilden.

Durch die drastische Verkürzung der 3D-Druckzeit und den direkten Druck in Standard-Laborplatten konnte das Team die Überlebensrate der Zellen erheblich steigern und gleichzeitig die Notwendigkeit der physischen Handhabung beseitigen, so dass die gedruckten Strukturen während des gesamten Prozesses intakt und steril bleiben.

„Biologen haben das immense Potenzial des Bioprinting erkannt, aber bisher war es auf Anwendungen mit einem sehr geringen Output beschränkt. Wir haben unsere Technologie entwickelt, um diese Lücke zu schließen, und bieten erhebliche Fortschritte in Bezug auf Geschwindigkeit, Präzision und Konsistenz. Damit schlagen wir eine entscheidende Brücke zwischen Laborforschung und klinischen Anwendungen“, so der Doktorand Callum Vidler, der Hauptautor dieser Arbeit. „Bisher haben wir mit rund 60 Forschern aus Einrichtungen wie dem Peter MacCallum Cancer Centre, der Harvard Medical School und dem Sloan Kettering Cancer Centre gesprochen, und das Feedback war überwältigend positiv.“