Additive Fertigung US-Forscher entwickeln 3D-Druckverfahren für Blutkapillarnetzwerke

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Seit mehreren Jahrzehnten versuchen Forscher Organe im 3D‑Druck herzustellen. Größtes Hindernis bisher: den Maßstab und die Komplexität der Gefäßnetzwerke des menschlichen Körpers nachzubilden. Nun hat ein Team der University of Notre Dame Blutkapillarnetzwerke im 3D‑Druck hergestellt.

Allein in den USA warten mehr als 100.000 Menschen auf eine Transplantation, während die Zahl der verfügbaren Organe weiterhin nicht ausreicht. Der 3D‑Druck von Organen aus den körpereigenen Zellen eines Patienten könnte nicht nur dazu beitragen, diesen Mangel zu beheben, sondern möglicherweise auch das Risiko einer Abstoßung durch den Körper ausschließen. Deshalb versuchen Forschende seit mehreren Jahrzehnten, Organe im 3D‑Druck herzustellen. Eines der größten Hindernisse besteht jedoch darin, den Maßstab und die Komplexität der Gefäßnetzwerke des menschlichen Körpers – insbesondere der Kapillaren – nachzubilden. Ein Blutkapillarnetzwerk bildet ein Geflecht aus den kleinsten Blutgefäßen des Körpers. Diese mikroskopisch kleinen Leitungen versorgen die Zellen mit Sauerstoff und Nährstoffen und transportieren zugleich Abfallstoffe ab. Damit sind sie für jedes biogedruckte Gewebemodell unverzichtbar.

Die kleinsten Gefäße korrekt nachzubilden, ohne dabei die Skalierbarkeit oder die strukturelle Integrität zu beeinträchtigen, bleibt eine der größten Herausforderungen der fortschrittlichsten Bioprinting-Technologien.

Yanliang Zhang

Forschende der University of Notre Dame haben mithilfe einer durchaus überraschenden Technik 3D‑gedruckte Blutkapillarnetzwerke hergestellt. „Blutgefäße zu drucken, die natürliche lebende Systeme nachbilden, ist sehr schwierig, da ihre Größe variiert“, erklärt Yanliang Zhang, Advanced Materials and Manufacturing Collegiate Professor am Department of Aerospace and Mechanical Engineering. „Die kleinsten Gefäße korrekt nachzubilden, ohne dabei die Skalierbarkeit oder die strukturelle Integrität zu beeinträchtigen, bleibt eine der größten Herausforderungen der fortschrittlichsten Bioprinting-Technologien.“

Zwei 3D‑Druckverfahren kombiniert

Um Gefäßnetzwerke mit Kapillaren von weniger als 10 Mikrometern Durchmesser zu drucken – also mit einem geringeren Durchmesser als selbst die feinsten menschlichen Haare –, kombiniert das Team zwei Verfahren, die jeweils für ein anderes Element eingesetzt werden. Die Matrix, ein weiches, gelartiges Gerüst, das die Eigenschaften echten Gewebes nachbildet, wird zunächst im Extrusionsverfahren gedruckt: Dabei werden Biomaterialien unter Druck Schicht für Schicht aufgetragen.Sobald ein Abschnitt der Matrix gedruckt ist, werden mithilfe des Aerosol-Jet-Drucks (AJP) feine Gelatinestränge aufgebracht. Diese Elemente werden anschließend entfernt, um Kanäle in der Matrix freizulegen. Durch den Einsatz einer Mantelströmung ermöglicht das AJP eine aerodynamische Fokussierung und damit eine präzise Einstellung der Kanalgröße. 
Der erzielte Größenbereich ist besonders breit: Der Durchmesser der Gelatinestränge kann von mehreren hundert Mikrometern bis hin zu wenigen Mikrometern reichen. Auf diese Weise lässt sich die vielfältige Architektur natürlicher Blutgefäße nachbilden.„Wir haben einen bedeutenden Schritt im Bereich des Bioprintings gemacht“, fügt Zhang hinzu. „Eine Auflösung im Kapillarbereich zu erreichen, ist beim Bioprinting ein wichtiger Fortschritt auf dem Weg zur Entwicklung vollständig funktionsfähiger Gewebe und ganzer Organe.“

Maschinelles Lernen ist ein äußerst leistungsfähiges Werkzeug. Es hilft uns, die optimalen Parameter deutlich schneller zu bestimmen als mit der klassischen Trial-and-Error-Methode.

Yanliang Zhang

Maschinelles Lernen für optimale Druckparameter

Das Team integrierte außerdem maschinelles Lernen, um die Druckparameter für jede gewünschte Gefäßkonfiguration autonom zu optimieren. Das entwickelte System passt den Materialdurchfluss und den Durchfluss des Mantelgases an und bestimmt anschließend die ideale Parameterkombination, um eine vorgegebene Kanalgröße zu erzielen.„Maschinelles Lernen ist ein äußerst leistungsfähiges Werkzeug. Es hilft uns, die optimalen Parameter deutlich schneller zu bestimmen als mit der klassischen Trial-and-Error-Methode“, betont Zhang. „Die Integration einer autonomen Optimierung hat die Effizienz des Verfahrens bei der Erreichung der gewünschten Qualität und Präzision der gedruckten Kanäle erheblich gesteigert.“
Durch die Kombination dieses hybriden Druckansatzes mit maschinellem Lernen gelang es den Forschenden, hierarchisch strukturierte Gefäßnetzwerke in ein-, zwei- und dreidimensionaler Form herzustellen. Einige der Kanäle wurden anschließend mit Endothelzellen besiedelt. Diese bilden das Endothel – eine dünne, einschichtige Zellschicht, die das Innere aller Blutgefäße, der Herzhöhlen und der Lymphgefäße auskleidet. Die Zugabe dieser Endothelzellen führte zur Bildung einschichtiger Zellverbände, die mit den in lebendem menschlichem Gewebe beobachteten Strukturen vergleichbar sind. „Wir freuen uns sehr darüber, dass sich die lebenden Zellen schnell an die Innenwände der Kanäle anheften und dort ausbreiten, bis sie die Barrierefunktion echter menschlicher Kapillaren nachbilden“, erklärt Zhang. „Dies ist ein wichtiger Fortschritt und zeigt, dass unsere durch hybriden 3D‑Druck hergestellten Netzwerke lebende Gewebestrukturen aufnehmen können, ohne undicht zu werden.“

Welche Anwendungen bieten 3D‑gedruckte Blutkapillarnetzwerke?

Als Bestandteil biomimetischer Gewebemodelle könnten diese Strukturen in der regenerativen Medizin und der Organtechnik eingesetzt werden. Darüber hinaus eignen sie sich für Organ-on-a-Chip-Modelle, mit denen die Sicherheit und Wirksamkeit von Medikamenten bewertet werden kann.Die Herstellung solcher Modelle aus patienteneigenen Zellen könnte außerdem zur Entwicklung der personalisierten Medizin beitragen. So ließen sich therapeutische Reaktionen zunächst im Modell untersuchen, bevor eine Behandlung in größerem Umfang verabreicht wird.Langfristig besteht Zhangs wichtigstes Ziel laut Notre Dame darin, einen autonomen und intelligenten Bioprinter zu entwickeln, der vollständig funktionsfähige Gewebe und Organe wie Herz, Niere und Leber herstellen kann. Kurzfristig haben seine Forschungsgruppe und ihre Partner in Harvard eine neue Finanzierung durch die National Institutes of Health erhalten. Damit soll eine noch leistungsfähigere Version von Zhangs hybridem Bioprinter entwickelt und gebaut werden, um anschließend die Herstellung im Labor gezüchteter Organe weiter voranzutreiben.Die Studie wurde von den National Institutes of Health unterstützt und erschien im Magazin von Nature Chemical Engineering.