Neuartige Tinte zum 3D-Druck von "Knochen" mit lebenden Zellen
3D-Drucker könnten eines Tages zum festen Bestandteil des Operationssaals werden
Wissenschaftler der UNSW Sydney haben eine Tinte auf Keramikbasis entwickelt, die es Chirurgen in Zukunft ermöglichen könnte, Knochenteile komplett mit lebenden Zellen zu 3D-drucken, die zur Reparatur von beschädigtem Knochengewebe verwendet werden könnten.
Wissenschaftler haben herausgefunden, wie man knochenähnliche Strukturen mit einem 3D-Drucker und einem gallertartigen "Bad" mit lebenden Zellen drucken kann.
UNSW
Mit einem 3D-Drucker, der eine spezielle Tinte aus Kalziumphosphat verwendet, haben die Wissenschaftler eine neue Technik entwickelt, die als keramisches omnidirektionales Bioprinting in Zellsuspensionen (COBICS) bekannt ist und es ihnen ermöglicht, knochenähnliche Strukturen zu drucken, die in wenigen Minuten aushärten, wenn sie in Wasser gelegt werden.
Während die Idee, knochenähnliche Strukturen in 3D zu drucken, nicht neu ist, ist dies das erste Mal, dass solches Material bei Raumtemperatur - komplett mit lebenden Zellen - und ohne aggressive Chemikalien oder Strahlung hergestellt werden kann, sagt Dr. Iman Roohani von der School of Chemistry der UNSW.
"Dies ist eine einzigartige Technologie, die Strukturen erzeugen kann, die dem Knochengewebe sehr ähnlich sind", sagt er.
"Sie könnte in klinischen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen ein großer Bedarf an In-situ-Reparaturen von Knochendefekten besteht, wie z. B. bei Traumata, Krebs oder wenn ein großes Stück Gewebe reseziert wird."
Associate Professor Kristopher Kilian, der die bahnbrechende Technologie zusammen mit Dr. Roohani entwickelt hat, sagt, dass die Tatsache, dass lebende Zellen Teil der 3D-gedruckten Struktur sein können, zusammen mit der Portabilität, einen großen Fortschritt gegenüber dem aktuellen Stand der Technik darstellt.
Bislang, so sagt er, muss man zur Herstellung eines Stücks knochenähnlichen Materials zur Reparatur des Knochengewebes eines Patienten zunächst in ein Labor gehen, um die Strukturen mit Hilfe von Hochtemperaturöfen und giftigen Chemikalien herzustellen.
"Dabei entsteht ein trockenes Material, das dann in eine Klinik oder in ein Labor gebracht wird, wo es ausgiebig gewaschen und dann mit lebenden Zellen versetzt wird", sagt Professor Kilian.
"Das Coole an unserer Technik ist, dass man es direkt an eine Stelle extrudieren kann, an der sich Zellen befinden, zum Beispiel in einen Hohlraum im Knochen eines Patienten. Wir können direkt in den Knochen gehen, wo es Zellen, Blutgefäße und Fett gibt, und eine knochenähnliche Struktur drucken, die bereits lebende Zellen enthält, genau in diesem Bereich."
"Derzeit gibt es keine Technologien, die das direkt tun können."
In einer Forschungsarbeit, die kürzlich in Advanced Functional Materials veröffentlicht wurde, beschreiben die Autoren, wie sie die spezielle Tinte in einer Mikrogelmatrix mit lebenden Zellen entwickelt haben.
"Die Tinte nutzt einen Abbindemechanismus durch die lokale Nanokristallisation ihrer Komponenten in wässriger Umgebung und wandelt die anorganische Tinte in mechanisch verzahnte Knochenapatit-Nanokristalle um", sagt Dr. Roohani.
"Mit anderen Worten, es bildet sich eine Struktur, die chemisch den knochenbildenden Blöcken ähnlich ist. Die Tinte ist so formuliert, dass die Umwandlung schnell erfolgt, in einer biologischen Umgebung nicht toxisch ist und erst dann einsetzt, wenn die Tinte den Körperflüssigkeiten ausgesetzt wird, was dem Endanwender, z. B. Chirurgen, eine ausreichende Verarbeitungszeit bietet."
Er sagt, wenn die Tinte mit einer kollagenen Substanz kombiniert wird, die lebende Zellen enthält, ermöglicht sie die in-situ-Herstellung von knochenähnlichem Gewebe, das für Anwendungen im Bereich des Knochengewebe-Engineerings, der Krankheitsmodellierung, des Wirkstoffscreenings und der in-situ-Rekonstruktion von Knochen- und Osteochondraldefekten geeignet sein könnte.
Es gibt bereits reges Interesse von Chirurgen und Medizintechnikherstellern. A/Prof. Kilian ist der Meinung, dass dieser neue Knochendruckprozess, auch wenn er noch in den Kinderschuhen steckt, eine völlig neue Art der Behandlung und Reparatur von Knochengewebe eröffnen könnte.
"Dieser Fortschritt ebnet wirklich den Weg für zahlreiche Möglichkeiten, von denen wir glauben, dass sie sich als transformativ erweisen könnten - von der Verwendung der Tinte zur Herstellung von Knochen im Labor für die Modellierung von Krankheiten, als bioaktives Material für die Zahnrestauration bis hin zur direkten Knochenrekonstruktion bei einem Patienten", sagt A/Prof. Kilian.
"Ich stelle mir einen Tag vor, an dem ein Patient, der ein Knochentransplantat benötigt, in eine Klinik gehen kann, wo die anatomische Struktur seines Knochens abgebildet, in einen 3D-Drucker übersetzt und direkt mit seinen eigenen Zellen in die Kavität gedruckt wird.
"Dies hat das Potenzial, die derzeitige Praxis radikal zu verändern, das Leiden der Patienten zu verringern und letztendlich Leben zu retten."
Als nächstes wird das Duo In-vivo-Tests in Tiermodellen durchführen, um zu sehen, ob die lebenden Zellen in den knochenähnlichen Konstrukten weiter wachsen, nachdem sie in bestehendes Knochengewebe implantiert wurden.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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