Additive Fertigung Biologisches Pflaster für Astronauten aus dem 3D-Drucker

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Forschende des Berlin Institute of Health in der Charité (BIH) haben gemeinsam mit der Firma Cellbricks einen 3D-Drucker entwickelt, der ein biologisches Pflaster drucken kann. In der Schwerelosigkeit getestet, kann das Pflaster auch für Astronauten auf künftigen Langzeitmissionen individuell versorgen. 

Für Astronauten sind Einsätze im All nicht nur eine technische Herausforderung – die medizinische Versorgung ohne die klinische Infrastruktur auf der Erde ist entscheidend für den Erfolg langer Raummissionen. Forschende des Berlin Institute of Health in der Charité haben einen 3D-Drucker in Schwerelosigkeit getestet, der biologische Wundpflaster drucken und so großflächige Brand- und Schürfwunden versorgen kann. Ihre Ergebnisse haben sie jetzt im Journal Advanced Science veröffentlicht.
 

Alternative zu Eigenhauttransplantation

Brandwunden sind oftmals sehr tief und dehnen sich über eine große Fläche aus. Da Hautwunden von den Rändern her nach innen heilen, kann der Wundverschluss sehr lange dauern und das Risiko für Infektionen ist hoch. Bisher wurde zur Behandlung von Brandwunden die Eigenhauttransplantation angewendet, damit die Wunde abgedeckt ist und auch von der Mitte aus heilen kann. Doch sowohl beim Entnehmen als auch beim Verpflanzen stellen sich Probleme, erklärt Professor Georg Duda, Letztautor der Studie und Direktor des Julius Wolff Instituts für Biomechanik und Muskuloskelettale Regeneration im BIH. „Es treten hierbei leider oft Vernarbungen auf, die sowohl medizinisch als auch kosmetisch weder Arzt noch Patient zufriedenstellen.“ Auf der Suche nach einer Alternative stießen die Forscher um Duda auf die Firma Cellbricks: Das Unternehmen lieferte die technischen Voraussetzungen für den 3D-Druck. Das Forschungsteam kümmerte sich um die biologische Tinte.

Die Konsistenz des Drucks ähnelt einem Gummibärchen. Die Technologie ermöglicht dabei auch das Hineindrucken kleiner Kanäle, sodass auch eine Integration von Blutgefäßen möglich ist.

Hautpatches direkt aus dem 3D-Drucker

„Die Druckertinte basiert auf einem Gemisch aus lebenden Hautzellen und einer modifizierten Gelatine, die bei UV-Belichtung aushärtet“, erklärt Bianca Lemke, Erstautorin der Studie und Doktorandin von Professor Duda. Im sogenannten Digital Light Processing (DLP) wird die Biotinte in der vom UV-Licht vorgegeben Form Schicht um Schicht fest. Form und Größe des erforderlichen Wundverschlusses lassen sich individuell einstellen.  „Die Konsistenz des Drucks ähnelt einem Gummibärchen. Die Technologie ermöglicht dabei auch das Hineindrucken kleiner Kanäle, sodass auch eine Integration von Blutgefäßen möglich ist.“
Die Wundpflaster aus dem 3D-Biodruck sind nahezu sofort verfügbar: Der Druck dauert nur maximal eine Stunde, unabhängig von der Größe der Wunde. Zudem lassen sich die Pflaster persönlich auf die Patienten abstimmen, indem sie für die Biotinte ihre eigenen Haut- oder Stammzellen liefern.

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Druckergebnisse bleiben auch in Schwerelosigkeit stabil

„So eine individuelle Lösung für Brandwunden wäre auch für Astronauten auf der ISS oder auf dem Weg zum Mars praktisch”, sagt Georg Duda. „Und so kam auf einem Symposium des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) die Frage auf, ob man 3D Bioprinting nicht auch für die Raumfahrt nutzen könnte.” Deshalb haben die BIH-Forschenden im Parabelflug getestet, ob der Druck auch in Schwerelosigkeit funktioniert: Lässt sich die flüssige Tinte genauso wie auf der Erde drucken? Härtet die Gelatine präzise in der geplanten Form aus? Bleiben Hautzellen darin gleichmäßig verteilt?
„Schwerelosigkeit würde an sich perfekte Bedingungen liefern, weil keine Kräfte auf den Druck wirken”, schätzt Bianca Lemke ein. “Beim Parabelflug besteht diese aber nur für 21 Sekunden pro Parabel und daher untersuchten wir, wie robust ein Druck bei sehr stark wechselnden Gravitationsbedingungen des Parabelflugs ist.” Im Laufe eines Parabelflugs treten Gravitationskräfte von Schwerelosigkeit (0G) über Erdschwerkraft (1G) bis zu fast doppelter Erdschwerkraft, auch Hypergravitation (1,8G) auf.

Im Ergebnis zeigt der Biodruck über den gesamten Parabelflug hinweg stabile Druckfähigkeiten. Sowohl im Hinblick auf die Genauigkeit als auch die Zellviabilität - also wie viele Hautzellen es lebend von der Biotinte in das Wundpflaster schaffen – lieferte der Druck gute Ergebnisse. Lediglich die Verteilung der Zellen variierte: In den Phasen der Hypergravitation haben sich die Zellen stark auf einer Seite des Drucks konzentriert. Hier gebe es noch Potenzial, das Verfahren zu verbessern, so Bianca Lemke. Doch das sei auch dem Parabelflug geschuldet. In Schwerelosigkeit sollten sich die Zellen in der Biotinte gleichmäßig verteilen. Die Forschenden sind überzeugt: Wenn der Druck unter stark wechselnden Bedingungen funktioniert, tut er das auch in der Schwerelosigkeit im Weltall.