„Menschliche Bio-Materialien" für den 3D-Druck menschlichen Gewebes
Tierfreies 3D-Bioprinting: Projekt HU3DINKS vereint Spezialfirmen
Die Biofabrikation oder das 3D-Bioprinting zielt darauf ab, Gewebestrukturen für zahlreiche Anwendungen wie tierversuchsfreie Tests, Arzneimittel-Screening und regenerative Medizin herzustellen. Ein entscheidender Aspekt der Technologie ist die Verwendung geeigneter Materialien, die den 3D-Druck mit lebenden Zellen ermöglichen und als Bio-Materialien bezeichnet werden. Diese "Bio-Materialien" müssen auf die Bedürfnisse von Zellen abgestimmt sein und sie während und nach dem Druckprozess am Leben erhalten. Derzeit werden die meisten Bio-Materialien aus nicht-menschlichen Materialien (auf tierischer Basis, z.B. Kollagen oder Gelatine) hergestellt. Das IraSME-Forschungsprojekt „Human bioinks for 3D printing (HU3DINKS)“ zielt dagegen darauf ab, diesen Bereich durch die Entwicklung von Materialien auf der Basis von menschlichem Gewebe für verschiedene 3D-Biodrucktechnologien voranzutreiben.
Printing of structures using the ‘human ink’
© BIO INX
Die beim 3D-Bioprinting am häufigsten verwendeten Materialien wie Gelatine oder Kollagen stammen immer noch aus tierischen Quellen. Daher besteht ein enormer Bedarf an tierfreien Alternativen, nicht nur um Tierversuche zu ersetzen, sondern auch um die Prozesse und Bedingungen in menschlichem Gewebe besser abzubilden. In dieser Hinsicht wurden auch synthetische Polymere erforscht, und obwohl mehrere dieser Materialien im menschlichen Körper sicher verwendet werden können, stellen diese synthetischen Optionen eine zu starke Vereinfachung der komplexen natürlichen Situation in vivo dar und können die Lücke zwischen den derzeitigen In-vitro-Tests und Tiermodellen nicht vollständig schließen.
Das HU3DINKS-Projekt zielt darauf ab, diese Nachteile durch die Entwicklung hochleistungsfähiger Bio-Materialien auf der Basis von menschlichem Gewebe zu überwinden. Dabei werden diese Bio-Materialien für verschiedene 3D-Biodrucktechnologien geeignet sein, darunter Extrusionsdruck und hochauflösender Laserdruck. Es gibt zwar bereits kommerzielle Materialien aus menschlichem Gewebe auf dem Markt, aber ihre Bioaktivität und Druckleistung ist nach wie vor gering. Ziel des HU3DINKS-Konsortiums ist es daher, kommerziell erhältliche Materialien aus menschlichem Gewebe in Bio-Materialien umzuwandeln, die sich problemlos drucken lassen.
Zu den künftigen Anwendungen der Biofabrikation gehören die Regeneration von menschlichem Gewebe und der Druck von Organen. "Während noch viele Hürden überwunden werden müssen, um diese Anwendungen in die klinische Realität umzusetzen, bietet die Bioprinting-Technologie bereits Lösungen im Bereich der tierfreien Tests. Hier können die 'menschlichen Materialien' einen großen Unterschied machen, um Bioprinting wirklich tierfrei zu machen", sagt Jasper Van Hoorick, CEO von BIO INX.
So können Medikamente oder Kosmetika an 3D-gedruckten menschlichen Gewebemodellen getestet werden, die im Vergleich zu herkömmlichen 2D-Zellkulturtechniken ein besseres Abbild von nativen 3D-Geweben darstellen. Dieser Ansatz steht im Einklang mit dem 3R-Prinzip (reduce – replace – refine) zur Reduzierung, Ersetzung und Verbesserung der für wissenschaftliche Zwecke verwendeten Tiere.
Um dieses Ziel zu erreichen, kann insbesondere das hochauflösende Bioprinting auf der Grundlage der 2-Photonen-Polymerisation (2PP) entscheidend sein, um das Feld auf die nächste Stufe zu heben, da es die einzige Technologie ist, die das Drucken mit subzellulärer Auflösung ermöglicht und damit die komplizierte mikrozelluläre Architektur nachahmen kann. Sie ist auch eine der wenigen Technologien, die einen direkten Druck innerhalb von Mikrofluidik-Chips ermöglicht, um ein einfaches Wirkstoffscreening zu ermöglichen. "Die Technologie hat enorme Leistungsfortschritte gemacht, wird aber derzeit hauptsächlich durch das Fehlen leistungsfähiger biologischer Materialien eingeschränkt. Das HU3DINKS-Projekt kann einen Paradigmenwechsel in diesem Bereich herbeiführen, indem es die menschliche zelluläre Umgebung sowohl in Bezug auf die Architektur als auch auf die Zusammensetzung wirklich nachahmt." - (Markus Lunzer - Teamleiter der Materialentwicklung bei UpNano)
Das Projekt wurde im Rahmen der Initiative für internationale Forschungsaktivitäten kleiner und mittlerer Unternehmen (IraSME) bewilligt, die darauf abzielt, grenzüberschreitende Kooperationen zwischen den Mitgliedsländern zu fördern. Das HU3DINKS-Konsortium vereint Partner mit einzigartigem komplementärem Fachwissen aus Belgien (finanziert durch VLAIO) und Österreich (finanziert durch FFG). THT Biomaterials (Wien, Österreich) wird mit seinem einzigartigen Fachwissen über aus menschlicher Plazenta gewonnene Materialien beitragen. BIO INX (Gent, Belgien) ist Experte auf dem Gebiet der Entwicklung von Bio-Materialien für verschiedene Drucktechnologien und verantwortlich für die Umwandlung der aus menschlicher Plazenta gewonnenen Materialien von THT Biomaterials in gebrauchsfertige druckbare Formulierungen für verschiedene Drucktechnologien. Das Projekt wird auch von Morphomed (Wien, Österreich) und ihrer medizinischen Seidentechnologie sowie von UpNano (Wien, Österreich), einem Spezialisten für die Entwicklung von hochauflösenden 2PP (Bio)-3D-Drucktechnologien, unterstützt. Zusätzlich wird das Ludwig Boltzmann Institut für Traumatologie (das Forschungszentrum in Zusammenarbeit mit der AUVA) für die biologische Validierung der neu entwickelten Biotinten verantwortlich sein.
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