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Neuartige 3D-Tinte druckt knochenähnliche Strukturen mit lebenden Zellen

Neuartige 3D-Tinte druckt knochenähnliche Strukturen mit lebenden Zellen
  • Eine Tinte auf Keramikbasis könnte es Ärzten ermöglichen, Knochen mit lebenden Zellen in 3D zu drucken, um beschädigte Knochen zu reparieren. 

  • Die Tinte besteht aus Kalziumphosphat und verwendet eine neuartige Technik, die knochenähnliche Strukturen in eine Mikrogelmatrix druckt, die innerhalb von Minuten aushärtet.

  • Dies ist das erste Mal, dass dieses knochenähnliche Material mit lebenden Zellen, bei Raumtemperatur und ohne aggressive Chemikalien oder Strahlung hergestellt wurde. 

Dieser Artikel wurde auf EurekAlert.org veröffentlicht:

Wissenschaftler der UNSW Sydney haben eine Tinte auf Keramikbasis entwickelt, die es Chirurgen in Zukunft möglicherweise ermöglichen könnte, Knochenteile mit lebenden Zellen in 3D zu drucken, die zur Reparatur von beschädigtem Knochengewebe verwendet werden könnten.

Mit einem 3D-Drucker, der eine spezielle Tinte aus Kalziumphosphat verwendet, entwickelten die Wissenschaftler eine neue Technik, das so genannte Ceramic Omnidirektionale Bioprinting in Zellsuspensionen (COBICS), mit der sie knochenähnliche Strukturen drucken können, die innerhalb von Sekunden aushärten Minuten, wenn sie in Wasser gelegt werden.

Während die Idee, knochenähnliche Strukturen im 3D-Druck herzustellen, nicht neu ist, ist dies das erste Mal, dass ein solches Material bei Raumtemperatur hergestellt werden kann – komplett mit lebenden Zellen – und ohne aggressive Chemikalien oder Strahlung, sagt Dr. Iman Roohani von der School of Chemistry der UNSW .

„Dies ist eine einzigartige Technologie, die Strukturen erzeugen kann, die dem Knochengewebe sehr nahe kommen“, sagt er.

„Es könnte in klinischen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen ein großer Bedarf für die In-situ-Reparatur von Knochendefekten besteht, wie sie beispielsweise durch ein Trauma oder Krebs verursacht wurden oder bei denen ein großes Gewebestück reseziert wird.“

Der außerordentliche Professor Kristopher Kilian, der die bahnbrechende Technologie gemeinsam mit Dr. Roohani entwickelt hat, sagt, dass die Tatsache, dass lebende Zellen Teil der 3D-gedruckten Struktur sein können, zusammen mit ihrer Tragbarkeit einen großen Fortschritt gegenüber dem aktuellen Stand der Technik darstellt .

Bislang, sagt er, erforderte die Herstellung eines Stücks knochenähnlichen Materials zur Reparatur des Knochengewebes eines Patienten zunächst den Gang in ein Labor, um die Strukturen mithilfe von Hochtemperaturöfen und giftigen Chemikalien herzustellen.

„Dadurch entsteht ein trockenes Material, das dann in eine klinische Umgebung oder in ein Labor gebracht wird, wo es gründlich gewaschen und dann mit lebenden Zellen versetzt wird“, sagt Professor Kilian.

„Das Coole an unserer Technik ist, dass man sie einfach direkt an eine Stelle extrudieren kann, an der sich Zellen befinden, beispielsweise in einen Hohlraum im Knochen eines Patienten. Wir können direkt in den Knochen vordringen, wo sich Zellen, Blutgefäße und Fett befinden, und eine drucken.“ knochenähnliche Struktur, die genau in diesem Bereich bereits lebende Zellen enthält.

„Es gibt derzeit keine Technologien, die das direkt können.“

In einem kürzlich veröffentlichten Forschungsbericht in Fortschrittliche Funktionsmaterialienbeschreiben 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 Bestandteile in wässrigen Umgebungen und wandelt die anorganische Tinte in mechanisch verzahnte Knochenapatit-Nanokristalle um“, sagt Dr. Roohani.

„Mit anderen Worten, es bildet eine Struktur, die chemisch den Knochenbausteinen ähnelt. Die Tinte ist so formuliert, dass die Umwandlung schnell erfolgt, in einer biologischen Umgebung ungiftig ist und nur dann in Gang gesetzt wird, wenn die Tinte dem ausgesetzt wird.“ Körperflüssigkeiten, was dem Endanwender, zum Beispiel Chirurgen, ausreichend Arbeitszeit 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 der Knochengewebezüchtung, Krankheitsmodellierung, Medikamentenscreening und In-situ-Rekonstruktion von Knochen geeignet sein könnte osteochondrale Defekte.

Es besteht bereits großes Interesse seitens Chirurgen und Medizintechnikherstellern. A/Prof. Kilian glaubt, dass dieses neue Knochendruckverfahren, obwohl es noch in den Kinderschuhen steckt, eine völlig neue Möglichkeit zur 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 zur Krankheitsmodellierung, als bioaktives Material für Zahnrestaurationen 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, auf einen 3D-Drucker übertragen und direkt mit seinen eigenen Zellen in den Hohlraum 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 nach der Implantation in vorhandenes Knochengewebe weiter wachsen.

Diese Studie wurde veröffentlicht in Fortschrittliche Funktionsmaterialien im Januar 2021. 



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