Additive Fertigung Täuschend echt: 3D‑gedrucktes Gehirnmodell

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Forschende der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der University of Missouri haben erfolgreich ein künstliches Modell eines menschlichen Gehirns im 3D-Druck hergestellt. Dieser Fortschritt könnte die Art und Weise revolutionieren, wie Wissenschaftler neurologische Störungen untersuchen, Gesundheitsfachkräfte ausbilden und personalisierte therapeutische Werkzeuge entwickeln.

Seit Jahren versuchen Wissenschaftler herauszufinden, wie das Gehirn auf mechanische Kräfte und elektromagnetische Wellen reagiert. Computermodelle liefern hilfreiche Simulationen, erfassen jedoch nicht vollständig, was in einem lebenden Gehirn geschieht. Nun arbeitet das Team des College of Engineering der University of Missouri (Mizzou) daran, diese Lücke zu schließen – mit 3D‑gedruckten Modellen eines künstlichen menschlichen Gehirns.
Neu an ihrem Ansatz ist, dass diese 3D‑Modelle nicht nur wie echtes Gewebe aussehen und sich so anfühlen, sondern sich auch entsprechend verhalten. Das eröffnet Wege für sichereres Training, präzisere Forschung und Fortschritte in der personalisierten Medizin. Die Forschenden haben bereits ein verkleinertes Modell im Maßstab von etwa 15 % der tatsächlichen Gehirngröße gedruckt und arbeiten daran, innerhalb des nächsten Jahres eine lebensgroße Version zu erstellen.

Ein neuer Ansatz: eingebetteter 3D‑Druck

Die meisten Modelle von Weichgeweben werden mit Methoden hergestellt, die zu einer homogenen inneren Struktur führen – damit lässt sich die heterogene Natur von realem Hirngewebe nicht adäquat abbilden. Um diese Einschränkung zu überwinden, nutzte das Team der University of Missouri eine Technik namens „eingebetteter 3D‑Druck“.Anders als beim konventionellen 3D‑Druck, bei dem jede Schicht an der Luft aufgebaut wird, stützt hier ein gelartiges Bad das weiche Material während des Drucks. Dieser Prozess liefert die nötige Stabilität, um die regional unterschiedlichen Steifigkeiten des Gehirns zu reproduzieren und dessen weiche Falten und Furchen zu drucken.

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Maßgeschneiderte „Tinte“ imitiert Hirngewebe

Eine der wichtigsten Innovationen dieser Arbeit ist die Entwicklung einer maßgeschneiderten Drucktinte: eines modifizierten, gängigen Polymers, dessen Eigenschaften die Forschenden präzise einstellen können, um die mechanischen, thermischen und dielektrischen Eigenschaften von Hirngewebe nachzuahmen.Durch Anpassung der chemischen Zusammensetzung der Tinte kann das Team Bereiche drucken, die sich wie graue oder weiße Substanz verhalten:

• Graue Substanz befindet sich im Gehirn und Rückenmark. Sie unterstützt Denken, Bewegung und Gedächtnis und spielt eine Schlüsselrolle bei Informationsverarbeitung, Handlungssteuerung und Emotionsregulation.
• Weiße Substanz leitet, verarbeitet und überträgt Nervensignale entlang des Rückenmarks und interpretiert sensorische Informationen aus dem Körper.

Menschliches Gewebe ist unglaublich heterogen, zusammengesetzt aus unterschiedlichen Materialien mit variierenden Eigenschaften. Unser 3D‑Druckansatz ermöglicht es uns, diese Komplexität in einer bislang nicht möglichen Weise nachzubilden.

Christopher O’Bryan, Assistant Professor für Maschinenbau und Luft‑ und Raumfahrttechnik

Anwendungen in der Praxis

Die potenziellen Auswirkungen dieser Technologie sind breit gefächert.Ärzte und Medizinstudierende könnten eines Tages an 3D‑gedruckten Gehirnmodellen trainieren, die Aussehen und Haptik des Originals realistisch wiedergeben – und so vor der Arbeit am Patienten sicher und wiederholt üben.Auf Basis der Ergebnisse individueller MRT‑ oder CT‑Scans ließen sich maßgeschneiderte Gehirnmodelle drucken, um Behandlungen zu planen und zu personalisieren. Diese Modelle könnten auch genutzt werden, um zu untersuchen, wie sich Erkrankungen wie Alzheimer, zerebrale Aneurysmen oder Schädel‑Hirn‑Traumata entwickeln.Ingenieure könnten mit diesen Modellen zudem beobachten, wie Medizinimplantate oder Alltags‑Elektronik mit Hirngewebe interagieren – und so Forschung genauer und verlässlicher machen.„Es geht darum, der medizinischen und wissenschaftlichen Gemeinschaft ein Werkzeug an die Hand zu geben, das sowohl realistisch als auch personalisiert ist“, sagt Mujtaba Rafique Ghoto, Doktorand und leitender Forscher der Studie. „Die Möglichkeiten, Gesundheit und Sicherheit zu verbessern, sind enorm.“
Die Studie „3D‑printing soft tissue phantom models from photo‑crosslinkable poly(vinyl alcohol) methacrylate“ wurde im Journal Materialia veröffentlicht. Mitautoren sind Brett Ulery, B. Hayden Daubert und August J. Hemmerla (Mizzou); Deborah ParraCervantes und Stephan Young (University of Missouri–Kansas City) sowie W. David Hairston und Christopher G. Sinks (U.S. Army Research Laboratory).