Wie 3-D-Bioprinting funktioniert

Zukünftige Victor Frankensteins müssen keine Grabräuber werden, um Körperteile zu erhalten. Sie werden nicht einmal Leichen brauchen. Stattdessen wetten wir, dass sie sich eine sich schnell entwickelnde Technologie namens Bioprinting zunutze machen werden . Dieser Ableger des 3-D-Drucks soll es Wissenschaftlern und medizinischen Forschern ermöglichen, mithilfe von Scannern und Druckern, die traditionell dem Autodesign, dem Modellbau und dem Produktprototyp vorbehalten sind, Schicht für Schicht ein Organ zu bauen.

Um ein Spielzeug mit dieser Technik herzustellen, lädt ein Hersteller eine Substanz, normalerweise Plastik, in eine Maschine in der Größe eines Mini-Kühlschranks. Er lädt auch ein 3-D-Design des Spielzeugs, das er herstellen möchte. Wenn er der Maschine sagt, dass sie drucken soll, heizt sie sich auf und extrudiert eine Schicht geschmolzenen Kunststoffs durch eine Düse auf eine Plattform, wobei er das Design als eine Reihe von Anweisungen verwendet. Wenn der Kunststoff abkühlt, beginnt er sich zu verfestigen, obwohl er selbst nichts weiter als eine einzelne Scheibe des gewünschten Objekts ist. Die Plattform bewegt sich dann nach unten, sodass eine zweite Schicht auf der ersten abgelegt werden kann. Der Drucker wiederholt diesen Vorgang, bis er ein festes Objekt in Form des Spielzeugs bildet.

In Industriekreisen wird dies als additive Fertigung bezeichnet, da das fertige Produkt durch Hinzufügen von Material zum Aufbau einer dreidimensionalen Form entsteht. Es unterscheidet sich von der traditionellen Fertigung, bei der häufig ein Material durch maschinelle Bearbeitung abgezogen wird, um eine bestimmte Form zu erreichen. Hersteller von Additiven sind nicht darauf beschränkt, Kunststoff als Ausgangsmaterial zu verwenden. Einige verwenden Pulver, die durch Klebstoff zusammengehalten oder erhitzt werden, um das Pulver miteinander zu verschmelzen. Andere bevorzugen Lebensmittel wie Käse oder Schokolade, um essbare Skulpturen herzustellen. Und wieder andere – moderne Versionen von Victor Frankenstein – experimentieren mit Biomaterialien, um lebendes Gewebe und, wenn sie richtig in biotischen Umgebungen geschichtet werden, voll funktionsfähige Organe zu drucken.

Richtig, die gleiche Technologie, die Star Wars-Actionfiguren produzieren kann, kann auch menschliche Lebern, Nieren, Ohren, Blutgefäße, Haut und Knochen produzieren. Das Drucken einer 3D-Version von R2-D2 ist jedoch nicht genau dasselbe wie das Drucken eines Herzens, das sich wie ein echter Herzmuskel ausdehnt und zusammenzieht. Schneiden Sie eine Actionfigur durch, und Sie werden Plastik durch und durch finden. Wenn Sie ein menschliches Herz durchschneiden, finden Sie eine komplexe Matrix aus Zellen und Geweben, die alle richtig angeordnet sein müssen, damit das Organ funktioniert. Aus diesem Grund entwickelt sich Bioprinting langsamer als andere additive Fertigungsverfahren, schreitet aber voran. Forscher haben bereits modifizierte 3-D-Drucker gebaut und perfektionieren nun die Prozesse, die es ihnen ermöglichen werden, Gewebe und Organe für pharmazeutische Tests und schließlich für die Transplantation zu drucken.

1. Die 3D-Geschichte des Bioprinting
2. Genau wie ein Tintenstrahldrucker, sozusagen
3. Bioprinter-Komponenten
4. Auf Bestellung gefertigte Orgeln
5. Eins, zwei, drei, drucken!
6. Verwendung für 3-D-Orgeln

Das Versprechen, menschliche Organe zu drucken, begann 1983, als Charles Hull die Stereolithographie erfand . Diese spezielle Art des Druckens stützte sich auf einen Laser, um ein aus einer Düse extrudiertes Polymermaterial zu verfestigen. Die Anweisungen für das Design kamen von einem Ingenieur, der die 3D-Form eines Objekts in einer CAD-Software (Computer Aided Design) definierte und die Datei dann an den Drucker schickte. Hull und seine Kollegen entwickelten das als .stl bekannte Dateiformat, das Informationen über die Oberflächengeometrie des Objekts enthielt, dargestellt als eine Reihe dreieckiger Flächen.

Zunächst waren die in der Stereolithographie verwendeten Materialien nicht robust genug, um langlebige Objekte herzustellen. Infolgedessen nutzten Ingenieure den Prozess in den frühen Tagen ausschließlich dazu, ein Endprodukt zu modellieren – zum Beispiel ein Autoteil – das schließlich mit traditionellen Techniken hergestellt werden sollte. Eine ganze Branche, bekannt als Rapid Prototyping, wuchs um diese Technologie herum, und 1986 gründete Hull 3D Systems, um 3D-Drucker und die Materialien für sie herzustellen.

In den frühen 1990er Jahren hatte 3D Systems damit begonnen, die nächste Generation von Materialien einzuführen – Nanoverbundwerkstoffe , gemischte Kunststoffe und Pulvermetalle. Diese Materialien waren langlebiger, was bedeutete, dass sie starke, robuste Objekte herstellen konnten, die als fertige Produkte fungieren konnten, nicht nur als Sprungbrett für fertige Produkte.

Es dauerte nicht lange, bis medizinische Forscher dies bemerkten. Was ist ein Organ anderes als ein Objekt, das eine Breite, Höhe und Tiefe besitzt? Könnte eine solche Struktur nicht dreidimensional abgebildet werden? Und könnte ein 3-D-Drucker nicht eine solche Karte erhalten und dann die Orgel genauso rendern wie eine Kühlerfigur oder ein Schmuckstück? Ein solches Kunststück könnte leicht erreicht werden, wenn die Druckerpatronen Biomaterialien anstelle von Kunststoffen versprühen würden.

Wissenschaftler machten sich auf die Suche nach solchen Materialien und hatten Ende der 1990er Jahre praktikable Techniken und Prozesse entwickelt, um den Orgelbau Wirklichkeit werden zu lassen. 1999 nutzten Wissenschaftler des Wake Forest Institute for Regenerative Medicine einen 3-D-Drucker, um ein synthetisches Gerüst einer menschlichen Blase zu bauen. Anschließend beschichteten sie das Gerüst mit Zellen, die ihren Patienten entnommen wurden, und züchteten erfolgreich funktionierende Organe. Dies hat die Voraussetzungen für echtes Bioprinting geschaffen. Im Jahr 2002 druckten Wissenschaftler in einem Tiermodell eine funktionale Miniaturniere, die Blut filtern und Urin produzieren kann. Und 2010 druckte Organovo – ein Bioprinting-Unternehmen mit Hauptsitz in San Diego – das erste Blutgefäß.

Heute geht die Revolution weiter. Im Mittelpunkt stehen die Drucker selbst sowie die spezielle Mischung aus lebendigen Tinten, die sie enthalten. Wir werden beide als nächstes behandeln.

Die Idee des 3-D-Drucks entstand direkt aus einer Technologie, die jeder kennt: dem Tintenstrahldrucker . Sehen Sie zu, wie Ihr HP- oder Epson-Gerät eine gedruckte Seite ausgibt, und Sie werden feststellen, dass sich der von einem Motor angetriebene Druckkopf in horizontalen Streifen über ein Blatt Papier bewegt. Während er sich bewegt, spritzt die in einer Patrone gespeicherte Tinte durch winzige Düsen und fällt in einer Reihe feiner Tropfen auf die Seite. Die Tropfen bauen sich auf, um ein Bild zu erzeugen, wobei Einstellungen mit höherer Auflösung mehr Tinte auftragen als Einstellungen mit niedrigerer Auflösung. Um eine vollständige Abdeckung von oben nach unten zu erreichen, rollt sich das Papierblatt, das sich unter dem Druckkopf befindet, vertikal auf.

Die Einschränkung von Tintenstrahldruckern besteht darin, dass sie nur in zwei Dimensionen drucken – entlang der x- und y-Achse. Ein 3-D-Drucker überwindet dies, indem er einen Mechanismus zum Drucken entlang einer zusätzlichen Achse hinzufügt, die in mathematischen Anwendungen normalerweise als Z-Achse bezeichnet wird. Dieser Mechanismus ist ein Aufzug , der eine Plattform auf und ab bewegt. Bei einer solchen Anordnung kann der Tintenkopf Material von einer Seite zur anderen ablegen, aber er kann auch Schichten vertikal ablegen, wenn das Hebewerk die Plattform nach unten und weg von dem Druckkopf zieht. Füllen Sie die Patrone mit Kunststoff und der Drucker gibt ein dreidimensionales Kunststoff-Widget aus. Füllen Sie es mit Zellen, und es wird eine Masse von Zellen ausgegeben.

Konzeptionell ist Bioprinting wirklich so einfach. In Wirklichkeit ist es etwas schwieriger, weil eine Orgel mehr als eine Art von Material enthält. Und da es sich bei dem Material um lebendes Gewebe handelt, muss es mit Nährstoffen und Sauerstoff versorgt werden. Um dem Rechnung zu tragen, haben Bioprinting-Unternehmen ihre 3-D-Drucker modifiziert, um der medizinischen Gemeinschaft besser zu dienen.

Wo finde ich einen Bioprinter?

Wie Sie sich vorstellen können, ist die Bioprinting-Technologie noch nicht an dem Punkt, an dem Sie eine bei Amazon bestellen können, aber Sie können beispielsweise den Bioprinter NovoGen MMX von Organovo an Institutionen wie der Harvard Medical School, der Wake Forest University und dem Sanford Consortium for finden Regenerative Medizin. Wenn Sie nicht wirklich ein institutioneller Typ sind, sollten Sie sich das Instructable für einen DIY-Bioprinter von den Leuten bei BioCurious ansehen .

Wenn Sie einen Bioprinter auseinandernehmen würden, wie wir es gerne tun würden, würden Sie auf diese grundlegenden Teile stoßen:

Druckkopfhalterung – Bei einem Biodrucker sind die Druckköpfe an einer Metallplatte befestigt, die entlang einer horizontalen Schiene läuft. Der X-Achsen-Motor bewegt die Metallplatte (und die Druckköpfe) von Seite zu Seite, wodurch Material in beiden horizontalen Richtungen aufgebracht werden kann.

Aufzug -- Eine vertikal an der Rückseite der Maschine verlaufende Metallschiene, der Aufzug, der vom Z-Achsen-Motor angetrieben wird, bewegt die Druckköpfe auf und ab. Dadurch ist es möglich, aufeinanderfolgende Materiallagen übereinander zu stapeln.

Plattform – Ein Regal am Boden der Maschine bietet eine Plattform, auf der das Organ während des Produktionsprozesses ruhen kann. Die Plattform kann ein Gerüst, eine Petrischale oder eine Wellplatte tragen, die bis zu 24 kleine Vertiefungen enthalten könnte, um Organgewebeproben für pharmazeutische Tests aufzunehmen. Ein dritter Motor bewegt die Plattform entlang der y-Achse von vorne nach hinten.

Vorratsbehälter – Die Vorratsbehälter werden an den Druckköpfen befestigt und enthalten das während des Druckvorgangs aufzubringende Biomaterial. Diese entsprechen den Patronen in Ihrem Tintenstrahldrucker.

Druckköpfe/Spritzen – Eine Pumpe drückt Material aus den Reservoirs nach unten durch eine kleine Düse oder Spritze, die direkt über der Plattform positioniert ist. Wenn das Material extrudiert wird, bildet es eine Schicht auf der Plattform.

Triangulationssensor – Ein kleiner Sensor verfolgt die Spitze jedes Druckkopfs, während er sich entlang der x-, y- und z-Achse bewegt. Die Software kommuniziert mit der Maschine, sodass die genaue Position der Druckköpfe während des gesamten Prozesses bekannt ist.

Mikrogel – Anders als die Tinte, die Sie zu Hause in Ihren Drucker laden, ist Biotinte lebendig, also braucht sie Nahrung, Wasser und Sauerstoff, um zu überleben. Diese pflegende Umgebung wird durch ein Mikrogel bereitgestellt – denken Sie an Gelatine, die mit Vitaminen, Proteinen und anderen lebenserhaltenden Verbindungen angereichert ist. Die Forscher mischen vor dem Drucken entweder Zellen mit dem Gel oder extrudieren die Zellen aus einem Druckkopf und das Mikrogel aus dem anderen. In jedem Fall hilft das Gel den Zellen, suspendiert zu bleiben und verhindert, dass sie sich absetzen und verklumpen.

Bioink – Organe bestehen aus Geweben und Gewebe bestehen aus Zellen. Um ein Organ zu drucken, muss ein Wissenschaftler in der Lage sein, Zellen zu deponieren, die spezifisch für das Organ sind, das sie zu bauen hofft. Um zum Beispiel eine Leber zu bauen, würde sie mit Hepatozyten – den essentiellen Zellen einer Leber – sowie anderen unterstützenden Zellen beginnen. Diese Zellen bilden ein spezielles Material namens Bioink , das in das Reservoir des Druckers gegeben und dann durch den Druckkopf extrudiert wird. Wenn sich die Zellen auf der Plattform ansammeln und in das Mikrogel eingebettet werden, nehmen sie eine dreidimensionale Form an, die einem menschlichen Organ ähnelt .

Alternativ könnte der Wissenschaftler mit einer Biotinte beginnen, die aus Stammzellen besteht , die nach dem Druckprozess das Potenzial haben, sich in die gewünschten Zielzellen zu differenzieren. So oder so, Bioink ist einfach ein Medium und ein Bioprinter ist ein Ausgabegerät. Als Nächstes sehen wir uns die Schritte an, die erforderlich sind, um ein Organ zu drucken, das speziell für einen einzelnen Patienten entwickelt wurde.

Als Forscher 3-D-Drucker bauten, die in der Lage sind, Biotinte abzuscheiden und lebende Zellmassen zu bilden, feierten sie einen großen Erfolg. Dann begannen sie sofort, das nächste große Problem anzugehen: Wie kann Bioprinting ein Organ für eine bestimmte Person herstellen? Um dies zu erreichen, muss ein medizinisches Team Daten über das betreffende Organ sammeln – seine Größe, Form und Platzierung im Körper des Patienten. Dann müssen die Teammitglieder eine Biotinte aus Zellen herstellen, die dem Patienten entnommen wurden. Dadurch wird sichergestellt, dass das gedruckte Organ genetisch kompatibel ist und nach der Transplantation in den Körper des Patienten nicht abgestoßen wird.

Bei einfachen Organen wie Blasen drucken die Forscher das lebende Gewebe nicht direkt. Stattdessen drucken sie ein 3-D-Gerüst aus biologisch abbaubaren Polymeren oder Kollagen. Um die genaue Form des Gerüsts zu bestimmen, erstellen sie zunächst ein 3D-Modell mit Hilfe von CAD-Software (Computer Aided Design). Sie definieren normalerweise die genauen x-, y- und z-Koordinaten des Modells, indem sie Scans des Patienten mit Computertomographie- (CT) oder Magnetresonanztomographie-Technologie (MRT) machen.

Als nächstes erhalten die Forscher die benötigten Zellen, indem sie eine Biopsie der Blase des Patienten entnehmen. Dann legen sie die Zellproben in eine Kultur, wo sie sich zu einer Population vermehren, die groß genug ist, um das Gerüst zu bedecken, das den Zellen ein temporäres Substrat bietet, an dem sie sich festhalten können, während sie sich organisieren und stärken. Das Aussäen des Scaffolds erfordert zeitraubende und mühevolle Handarbeit mit einer Pipette. Es dauert in der Regel etwa acht Wochen, bis solche künstlichen Blasen zur Implantation bereit sind. Wenn die Ärzte das Organ schließlich in den Patienten einsetzen, ist das Gerüst entweder verschwunden oder verschwindet bald nach der Operation.

Das obige Verfahren funktioniert, weil Blasengewebe nur zwei Arten von Zellen enthält. Organe wie Nieren und Lebern haben eine weitaus komplexere Struktur mit einer größeren Vielfalt an Zelltypen. Während es einfach genug wäre, ein Gerüst zu drucken, wäre es fast unmöglich, die dreidimensionale Struktur des Gewebes manuell nachzubilden. Ein Bioprinter ist jedoch ideal geeignet, um eine solche zeitaufwändige, detailorientierte Aufgabe zu erledigen.

Hier sind die Schritte zum Drucken eines komplexen Organs:

Der letzte Schritt dieses Prozesses – gedruckte Organzellen dazu zu bringen, sich wie native Zellen zu verhalten – war eine Herausforderung. Einige Wissenschaftler empfehlen, dass Bioprinting mit den Stammzellen eines Patienten durchgeführt wird. Nachdem sie in ihrem erforderlichen dreidimensionalen Raum abgelegt wurden, würden sie sich dann in reife Zellen differenzieren, mit allen Anweisungen, wie sie sich „verhalten“ sollten. Dann gibt es natürlich noch das Problem, alle Zellen in einem gedruckten Organ mit Blut zu versorgen. Derzeit bietet das Bioprinting keine ausreichenden Auflösungen, um winzige, einzelzelldicke Kapillaren zu erzeugen. Aber Wissenschaftler haben größere Blutgefäße gedruckt, und wenn sich die Technologie verbessert, wird der nächste Schritt voll funktionsfähige Ersatzorgane sein , komplett mit der Vaskularisierung, die notwendig ist, um am Leben und gesund zu bleiben.

Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung hatten Chirurgen noch kein von Grund auf neu gedrucktes Organ in einen Menschen implantiert. Das heißt nicht, dass es keine Erfolge gab. Der Austausch von Teilen des Skeletts ist ein Bereich, der durch den 3D-Druck revolutioniert wird. Einige Zahnärzte machen jetzt einen intraoralen Scan der Zähne eines Patienten und senden den Scan an ein Labor, das mit einem 3-D-Drucker eine Porzellanbrücke herstellt. Prothesenhersteller haben auch ihre Herangehensweise an das Entwerfen künstlicher Gliedmaßen geändert. Jetzt sind viele in der Lage, Verkleidungen – Prothesenabdeckungen – zu drucken, die sich perfekt an die Anatomie einer Person anpassen und dem Träger eine bequemere Passform verleihen. Dies sind nur Vorboten dessen, was die Zukunft bringen könnte: das Drucken ganzer Knochen zum Einsetzen in den Körper.

Wissenschaftler haben auch erfolgreich Knorpelstrukturen wie Ohren und Luftröhren gedruckt. Um Ersteres herzustellen, machen Bioingenieure einen 3-D-Scan des Ohrs eines Patienten, entwerfen eine Form mit einer CAD-Software und drucken sie dann aus. Dann injizieren sie die Form mit Knorpelzellen und Kollagen. Nachdem Sie einige Zeit in einem Inkubator verbracht haben, kommt das Ohr heraus und kann am Patienten befestigt werden. Eine Luftröhre kann auf ähnliche Weise hergestellt werden. Im Jahr 2012 druckten Ärzte an der University of Michigan eine Hülle aus einem 3-D-Modell, das aus einem CT-Scan erstellt wurde, um die Luftröhre eines Babys zu umhüllen und zu stützen, die durch einen seltenen Defekt schwach und schlaff geworden war.

Der heilige Gral ist natürlich ein biogedrucktes Organ, und die Haut – das größte Organ des Körpers – könnte der erste Punkt auf der Liste sein. Forscher des Wake Forest Institute for Regenerative Medicine haben bereits ein komplettes System zum Drucken von Hauttransplantaten entwickelt. Das System umfasst einen Scanner zur Kartierung der Wunde eines Patienten und einen speziell entwickelten Tintenstrahldrucker, der die Zellen, Proteine ​​und Enzyme aufträgt, die zur Bildung menschlicher Haut erforderlich sind. Das Ziel ist es, tragbare Drucker für den Einsatz in Feldkrankenhäusern zu bauen, wo Ärzte Haut direkt auf Patienten ausgeben können.

Bis diese Wunderwerke online gehen, werden 3-D-Organe eine wichtige Rolle in der Bildung und Arzneimittelentwicklung spielen. Sie könnten sogar in die Entwicklung von Nahrungsmitteln und Bekleidungsprodukten (Fleisch und Leder aus dem Labor) einfließen. Einige medizinische Fakultäten haben in die 3D-Drucktechnologie investiert, um chirurgische Modelle von Organen aus CT- oder MRT-Bildern zu erstellen. Auf diese Weise können die Schüler an Herzen, Lebern und anderen Strukturen üben, die genauso aussehen und sich anfühlen wie das Original. Der Zugang zu solchen lebensechten Geweben kommt auch Pharmaunternehmen zugute, die Kandidatenmedikamente auf ihre Wirkung testen können. Organovo beherbergt mehrere Drucker, die dreidimensionale Modelle von Leber-, Nieren- und Krebsgewebe ausdrucken können. Dies sind keine vollen Organe, die dazu bestimmt sind, auf unbestimmte Zeit zu leben. Stattdessen sind sie "Organe auf einem Chip" - kleine,

Vielleicht wird Bioprinting eines Tages jeden zu einem Victor Frankenstein machen, der in der Lage ist, Organe, Knochen und Muskeln auszudrucken und alles zu einem vernünftigen Abbild eines Menschen zusammenzusetzen. Dann gibt es wieder das Problem eines Nervensystems. Selbst die besten Scanner, Drucker, Tinten und Gele reichen nicht aus, wenn es darum geht, ein denkendes, träumendes Gehirn nachzubilden. Und ohne das würden unsere Bemühungen uns eine Sammlung anatomisch korrekter, dreidimensional genauer Organe hinterlassen, aber nichts, um sie zu kontrollieren.

Wer ist der Boss des Bioprinting?

In den USA würde diese Rolle der Food and Drug Administration zufallen, aber auch dies ist Neuland für die Behörde. Laut einem Blogbeitrag vom 15. August 2013 sind zwei Labors im Office of Science and Engineering Laboratories (OSEL) der Agentur mit dem Fall befasst. Das Labor für Festkörpermechanik ist damit beschäftigt, zu evaluieren, „wie sich verschiedene Drucktechniken und -verfahren auf die Festigkeit und Haltbarkeit der in Medizinprodukten verwendeten Materialien auswirken“. Das Functional Performance and Device Use Laboratory hat „Computermodellierungsmethoden entwickelt und angepasst, um uns dabei zu helfen, die Auswirkungen von Konstruktionsänderungen auf die Sicherheit und Leistung von Geräten bei der Verwendung in verschiedenen Patientenpopulationen zu bestimmen“ [Quelle: Pollack und Coburn ].

Anmerkung des Autors: Wie 3-D-Bioprinting funktioniert

Ich erinnere mich an meinen ersten Drucker: eine Brother-Schreibmaschine, die an einen Commodore 64 angeschlossen war, gefolgt von einem Daisy-Wheel-Drucker, der von einem IBM-PC angetrieben wurde. Kaum zu glauben, dass wir eines Tages Biodrucker auf unseren Schreibtischen haben werden. Wenn ja, frage ich mich, wo wir neue Bioink-Kartuschen bekommen?

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