Wissenschaftler der UNSW in Sydney haben eine 3D-Druckmethode auf Basis einer Keramiktinte entwickelt, die es Chirurgen in Zukunft ermöglichen könnte, mit Hilfe von lebenden Zellen, Knochenanteile mit komplexer Architektur künstlich herzustellen. Die konstruierten Knochen könnten in Zukunft beispielsweise zur in situ Versorgung von Konchenschäden verwendet werden.
Knochen aus dem 3D Drucker
In den letzten Jahren wurden einige Versuche unternommen, knochenähnliche Strukturen mittels 3D-Druck herzustellen. Bisher konnten die hohen Anforderungen an die künstlich hergestellten Materialien jedoch nicht alle erfüllt werden. Die neue Studie zeigt nun erstmals eine vielversprechende Methode, knochenimitierende Stoffe ohne Verwendung aggressiver Chemikalien oder Strahlung anzufertigen. Bei dem Verfahren werden lebende mesenchymale Stammzellen einer Gelatinepartikel-enthaltenden Flüssigkeit zugegeben. Innerhalb dieses stabilisierenden Zell-Suspensions-Bads erfolgt anschließend der 3D-Druckprozess. Die lebenden Zellen in der Suspension lagern sich an das gedruckte Material an und migrieren in Richtung der Tinte. So zeigte sich in der Studie eine robuste Adhäsion und eine hohe Überlebensrate von über 95% der Zellen nach mehreren Wochen. Gleichzeitig wurde bei Zellen, die unmittelbaren Kontakt zur gehärteten Tinte haben, eine gesteigerte Osteogeneseaktivität nachgewiesen. In der Gesamtheit stellten die Forscher so ein künstlich hergestelltes Material vor, das eine ähnlich komplexe und hierarchische Struktur wie ein natürlicher Knochen aufweist.
Die besondere Tinte
Die neu entwickelte Methode wird als keramisches omnidirektionales Bioprinting in Zellsuspensionen (COBICS) bezeichnet. Bei diesem Verfahren ist eine spezielle Tinte aus Kalziumphosphat von essentieller Bedeutung, die in wenigen Minuten aushärtet, nachdem sie in Wasser gelegt wurde. Dieser Prozess erfolgt durch lokale Nanokristallisation von bestimmten Bestandteilen der Tinte in wässriger Umgebung, wodurch die anorganische Tinte in mechanisch verzahnte Knochenapatit-Nanokristalle umgewandelt wird. Mit anderen Worten: Die neuartige Tinte bildet eine Struktur, die in ihrer chemisch-physikalischen Eigenschaft den knochenbildenden Strukturen sehr ähnlich ist. Besondere Vorteile gegenüber bisherigen Materialien sind die schnelle Anwendbarkeit und der nicht-toxische Charakter.
Zukunftsmusik
Das Verfahren befindet sich laut den Forschern noch in den Kinderschuhen. Als nächstes möchte die Forschungsgruppe in Tests daher herausfinden, ob die lebenden Zellen in den gedruckten Knochenstrukturen weiterhin wachsen, nachdem sie in bestehendes Knochengewebe implantiert wurden. Falls dies zutrifft, gehen sie davon aus, dass COBICS eine ganz neue Art der Behandlung und Reparatur von Knochengewebe eröffnet. So könnte das Verfahren zukünftig im Rahmen der Knochenherstellung für die Forschung, als bioaktives Material für Zahnrestaurationen oder zur direkten Rekonstruktion von Knochendefekten, wie z. B. bei Traumata, Krebs oder großflächiger Geweberesektion, genutzt werden. Ferner wäre ein Einsatz zur Erforschung von neuen Arzneimitteln und Knochenerkrankungen denkbar.
Quelle: © S. Romanazzo et. al. / Advanced Functional Materials
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