Faszination Technik Das Ohr aus dem 3D-Drucker

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: Ein künstliches Ohr, das aus menschlichen Ohrknorpelzellen und Bio-Tinte im 3D-Drucker erstellt wurde.

Immer wieder verlieren Menschen bei Bränden und Unfällen Teile eines Ohres oder es ganz. Auch leiden einige Kinder unter einer angeborenen Fehlbildung des äußeren Ohrs. Diese sogenannte Mikrotie betrifft etwa ein bis vier von 10'000 Kindern. Bis heute gilt die Rekonstruktion mit körpereigenem Rippenknorpel als Standard. Doch das rekonstruierte Ohr ist häufig steifer als ein natürliches. Eine Herausforderung für die Forschenden. Seit über dreißig Jahren versuchen Forschende, aus lebendem Zellmaterial von Patienten ein Ohr im Labor herzustellen. Schon 2016 überraschte das Team von ETH-Professorin Marcy Zenobi-Wong mit einem Ohr aus dem 3D-Drucker. Nun ist Forschenden der ETH Zürich, des Friedrich Miescher Institutes in Basel und des Luzerner Kantonsspitals ein weiterer wichtiger Schritt zum Ziel gelungen. Sie konnten aus menschlichen Ohrknorpelzellen im Labor elastischen Ohrknorpel herstellen, dessen mechanische Eigenschaften nahe an das natürliche Gewebe heranreichen. Der künstliche Knorpel ist ähnlich stabil wie ein echtes Ohr und behielt im Tiermodell auch nach sechs Wochen Form und Elastizität. 

Vom Gewebestück zum gedruckten Ohr

Als Ausgangsmaterial gewannen die Forschenden Zellen aus kleinen Knorpelresten, die bei Operationen zur Korrektur der Ohrform anfallen. Aus einem kleinen Gewebestück von ungefähr drei Millimeter Durchmesser lassen sich zunächst Einhunderttausend Zellen isolieren. Für ein gedrucktes Ohr werden jedoch mehrere hundert Millionen benötigt. Deshalb ließen die Forschenden die Zellen in einer speziellen Nährlösung im Labor weiterwachsen. Damit das Gewebe gleichmäßig reift, entwickelten die Forschenden zusätzlich eine spezielle Kulturumgebung, sodass auch das Innere des gedruckten Ohrs ausreichend mit Nährstoffen und Sauerstoff versorgt wird.
Die vermehrten Zellen betteten die Forschenden anschließend in eine sogenannte Bio-Tinte ein, ein gelartiges Material, das als Träger dient. Mithilfe eines 3D-Druckers formten sie daraus Ohrstrukturen. Unmittelbar nach dem Druck war das Gewebe noch sehr weich. „Entscheidend ist nicht nur, was man hineingibt, sondern wie sich das Gewebe entwickeln kann“, erklärt Philipp Fisch, Erstautor der kürzlich in der Zeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlichten Studie und wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe Gewebetechnologie und Biofabrikation von ETH-Professorin Marcy Zenobi-Wong. Die gedruckten Ohren reiften deshalb mehrere Wochen in einem Inkubator, einem Brutkasten, und wurden kontinuierlich mit Nährstoffen versorgt. Ziel war die Bildung von Kollagen Typ II, Elastin sowie Glykosaminoglykanen – zuckerartigen Molekülen, die Wasser binden und zur Festigkeit des Knorpels beitragen.

Mechanische Eigenschaften nahe am natürlichen Knorpel

Entscheidend für ihren Erfolg sei eine Kombination von vier Faktoren gewesen, sagt Fisch: „Wir haben die Zellvermehrung optimiert, die Materialeigenschaften angepasst, die Zelldichte erhöht und die Reifungsumgebung besser kontrolliert.“ Nach rund neun Wochen Vorreifung im Labor implantierten die Forschenden die Ohrkonstrukte unter die Haut von Ratten. Dort beobachteten sie das Gewebe über mehrere Wochen. Das Resultat: Die Form blieb nach sechs Wochen stabil, und die mechanischen Eigenschaften lagen nahe am natürlichen Knorpel. „Trotz des großen Erfolgs bleibt das noch nicht vollständig herangereifte Elastin eine Herausforderung für uns“, sagt Fisch. „Wir sehen Veränderungen im Gewebe. Das zeigt uns klar, dass wir dies noch weiter stabilisieren müssen.“
Das Interesse an künstlichem Ohrknorpel ist groß. „Kaum war die Studie erschienen, erhielt ich eine Nachricht von Eltern eines Kindes mit Mikrotie“, erzählt Fisch. Sie wollten wissen, wie weit die Forschung sei und wann mit klinischen Studien zu rechnen sei.
Fisch bleibt vorsichtig: „Wenn alles gut läuft, finden wir innerhalb der nächsten fünf Jahre hoffentlich den Bauplan für das Elastin-Netzwerk.“ Danach folgen klinische Studien, strukturierte Prüfverfahren und formale Zulassungsprozesse. Erst wenn diese regulatorischen Hürden überwunden sind, kann der künstliche Ohrknorpel seinen Weg vom Labor in die Klinik finden.