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Die Grenzen der Biofabrikation verschieben

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Da die personalisierte, regenerative Medizin weiter an Popularität zunimmt, gibt die rasante Entwicklung der 3D-Bioprinting-Technologie Ärzten und Forschern die Werkzeuge an die Hand, um Behandlungen gezielter einzusetzen und die Ergebnisse der Patienten zu verbessern.

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EnvisionTEC mit Hauptsitz in den USA, eines der wenigen 3D-Druckerunternehmen der Welt, dessen Produkte für die Produktion von Endanwendungsteilen verwendet werden, ist ein Marktführer in der Entwicklung von Bioprinting-Lösungen. Der 3D-Bioplotter des Unternehmens ist ein weltweit führender Bioprinter, der für die Forschung in mehr als 300 wissenschaftlichen und medizinischen Fachzeitschriften eingesetzt wird, die von Fachkollegen begutachtet wurden. Das E-Magazin der MedicalExpo traf sich mit Madalyne Ridella, EnvisionTECs Anwendungsingenieurin für Biomedizin und Dienstleistungen, um mehr darüber zu erfahren

Können Sie uns einen schnellen Überblick über Biofabrikation und 3D-Bioprinting geben? Welche Art von medizinischen Herausforderungen können mit diesen Verfahren überwunden werden?

Madalyne Ridella: Biofabrikation ist die automatisierte Herstellung komplexer biologischer Produkte wie Gewebe und Organe zur Bewältigung gesundheitlicher Herausforderungen in der Medizin. Sie nutzt die Prinzipien der additiven Herstellung - oft als 3D-Druck bezeichnet - in einem "Bioprinting"-Prozess, bei dem lebende Zellen, Matrizen, Moleküle und Biomaterialien zu einem einzigen Konstrukt kombiniert werden, das ein krankes oder verletztes Gewebe ersetzen kann.

3D-Bioprinting ist vorteilhaft, da Sie komplexe Gerüste erstellen können, die bei einer Vielzahl von Anwendungen helfen. Eine große Herausforderung im medizinischen Bereich ist das Organversagen, und es gibt nicht so viele verfügbare Spender wie Patienten. Das Bioprinting könnte zur Lösung dieses Problems beitragen, indem funktionalisierte Organe und Medikamente patientenindividuell hergestellt werden.

Können Sie uns etwas über den 3D-Bioplotter erzählen? Wie funktioniert er und was sind seine innovativsten Eigenschaften?

Madalyne Ridella: Der 3D-Bioplotter ist eine Rapid-Prototyping-Maschine, die speziell für die Herstellung von Gerüsten aus biokompatiblen Materialien für biomedizinische Anwendungen entwickelt wurde. Es handelt sich um ein auf Extrusion basierendes System, bei dem eine Flüssigkeit aus einer Spritze mittels Luftdruck dosiert wird, während die Spritze in allen drei Dimensionen bewegt wird. Der 3D-Bioplotter ist einzigartig, weil er eine Vielzahl von Materialien wie Thermoplaste, Keramik-/Metallpasten, Hydrogele und mehr verarbeiten kann. Ein kürzlich durchgeführtes Upgrade des fotohärtenden Kopfes des 3D-Bioplotters ermöglicht jetzt bis zu fünf Wellenlängen oder Kombinationen von Wellenlängen in einem einzigen Druckvorgang, während ein neuer Niedrigtemperatur-Tintenstrahlkopf Hydrogele mit niedriger Viskosität durch einen berührungslosen Prozess aufträgt.

Wie verbessert der 3D-Bioplotter die Gesundheitsversorgung? Können Sie uns einige Anwendungsbeispiele aus der Praxis nennen?

Madalyne Ridella: Der 3D-Bioplotter kann für ein breites Spektrum medizinischer Anwendungen eingesetzt werden, darunter Knochenregeneration, Knorpelregeneration, Biofabrizierung von Weichgewebe, kontrollierte Medikamentenfreisetzung, Zelldruck und Organdruck. Im Jahr 2017 nutzten Forscher der Northwestern University in Illinois den 3D-Bioplotter zur Herstellung künstlicher Eierstöcke von Mäusen. Diese wurden in sterile Tiere eingesetzt, die sich fortpflanzen konnten und deren normale hormonelle Funktionen, die für das Stillen notwendig sind, wiederhergestellt wurden. Dies wird hoffentlich eines Tages zur Bioprinting von menschlichen Eierstöcken führen.

EnvisionTEC entwickelt auch Materialien für 3D-Bioprinter. Können Sie uns ein wenig darüber erzählen? Gibt es etwas besonders Innovatives an ihnen?

Madalyne Ridella: Der Mangel an biologisch aktiven Materialien, auch "Bioinks" genannt, ist ein zentrales Problem, das die Fähigkeit zur Herstellung von manipulierten Geweben, Gewebeoberflächen und funktionellen Organen einschränkt. EnvisionTEC hat Materialien für die Weichteil- und Knochen-/Knorpelzüchtung entwickelt, die die Grenzen der Bioinks überschreiten. Unsere Weichgewebematerialien umfassen ein medizinisches Silikon, das für den kurzfristigen Einsatz im Körper zugelassen ist, eine Hydrogelmischung auf Gelatinebasis für den Zelldruck und ein Zweikomponenten-Silikon für die Forschung. Zu unseren Knochen-/Knorpelmaterialien gehören selbstaushärtender Hydroxylapatit und Polycaprolacton (PCL) in medizinischer und Forschungsqualität.

Wie sehen Sie die Entwicklung des 3D-Bioprinting in naher Zukunft? Haben Sie weitere Produkte oder Produktentwicklungen, über die Sie uns berichten können?

Madalyne Ridella: Das Krankenhaus der nahen Zukunft wird revolutionäre Technologien beinhalten, die das Gesundheitswesen verändern und hoch automatisierte und personalisierte Patientenlösungen liefern werden. Diese werden zu niedrigeren Gesundheitskosten, einem verbesserten Zugang zu den besten Behandlungen und deutlich besseren Gesundheitsergebnissen führen. Die Biofabrikation mit 3D-Bioprinting wird bei dieser Entwicklung eine Schlüsselrolle spielen und patientenspezifische Ersatzgewebskonstrukte herstellen, die die biologischen Funktionen und die Gesundheit auf hocheffiziente und individuelle Weise wiederherstellen.

Mit der Weiterentwicklung des Bioprinting wird es möglich sein, patienteneigene Zellen zum 3D-Druck von Haut- und Knochentransplantaten, Organpflastern und sogar vollständigen Ersatzorganen zu verwenden. Es wird eine Reihe verschiedener 3D-Bioprinting-Ansätze verfolgt: von der extrusionsbasierten Polymerherstellung mit Auflösung auf Zellebene (wie der 3D-Bioplotter) bis hin zu 3D-Laserdruck-Konstruktionen. EnvisionTECs hochmoderne Druckkopftechnologie kann das Drucken funktioneller Organe Wirklichkeit werden lassen, indem sie das Spektrum der Biomaterialien, die Kunden verwenden können, diversifiziert.

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