Was ist FRESH-Bioprinting und wie funktioniert es?

Haben Sie schon einmal von der Science-Fiction-Vorstellung geträumt, die Verletzungen eines Patienten in einem schwebenden Verjüngungstank zu behandeln? Das Phänomen, das diese Schwebezustände ermöglicht – der neutrale Auftrieb –, scheint Forscher dazu inspiriert zu haben, eine Lösung für den 3D-Druck mit weichen, flüssigkeitsähnlichen Materialien zu finden, bei denen es äußerst schwierig wäre, die Druckgenauigkeit an der Luft aufrechtzuerhalten, da die Schwerkraft sie zusammenfallen lassen würde. Obwohl wasserbasierte Stützflüssigkeiten (wie sie in Schwebebädern verwendet werden) mit den in der Gewebezüchtung weit verbreiteten wasserbasierten Hydrogelen niemals funktionieren würden, entwickelte sich diese Idee des 3D-Drucks in einem Stützbad weiter, um die Auswirkungen der Schwerkraft durch den Einsatz gelartiger Materialien zu minimieren, die reversibel festes und flüssigkeitsähnliches Verhalten zeigen können und so die Ablagerung von Hydrogel in ihrem Inneren ermöglichen.

In diesem Monat November haben wir uns mit dem Bioprinting-Verfahren „Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels“ (FRESH) befasst, einem eingebetteten Bioprinting-Ansatz, der speziell für den Druck weicher und niedrigviskoser, flüssigkeitsähnlicher Bio-Tinten optimiert wurde, die in der Gewebezüchtung weit verbreitet sind. Allgemein lässt sich das eingebettete 3D-Bioprinting als eine mit einem Stützmaterial gefüllte Baukammer beschreiben, in der Biomaterialien und Zellen mithilfe eines spritzenbasierten Extruders im 3D-Raum abgelegt werden. Das FRESH-Verfahren ermöglicht somit das Drucken von unmodifizierten biologischen Hydrogelen wie Kollagen Typ I und dezellularisierter extrazellulärer Matrix (ECM) mit hochdichten, zellhaltigen Bio-Tinten zur Herstellung funktioneller, künstlich hergestellter Gewebe.

Die zentrale technische Herausforderung bei diesem Ansatz besteht darin, ein Stützbadmaterial zu entwickeln, das die weichen, gedruckten Strukturen während des Extrudierens und Aushärtens stützen kann und gleichzeitig eine reibungslose Bewegung der Extrudernadel durch das Stützbad während des Druckvorgangs ermöglicht. Konkret besteht die rheologische Anforderung an das Stützbadmaterial darin, dass es unterhalb einer Schwelle der aufgebrachten Scherspannung – d. h. der Fließgrenze – als Feststoff wirken muss; ab dieser Schwelle wechselt es von einem festen zu einem flüssigkeitsähnlichen Verhalten. Im Bereich um die Nadel herum ermöglicht das flüssigkeitsähnliche Verhalten des Stützbads (aufgebrachte Scherspannung höher als die Fließgrenze) eine reibungslose Bewegung der Nadel. Sobald sich die Nadel zurückzieht, verfestigt sich das Stützbad wieder (aufgebrachte Scherspannung niedriger als die Fließgrenze). Die optimale Fließgrenze des Stützbads hängt von den zu druckenden Materialien, dem Nadeldurchmesser und der Nadelänge sowie von Prozessparametern wie der Druckgeschwindigkeit ab [1].

Das FRESH-Druckverfahren bietet mehrere herausragende Vorteile. An erster Stelle steht seine Vielseitigkeit. Obwohl FRESH ursprünglich unter Verwendung eines Trägerbads auf Gelatinebasis beschrieben wurde [2], hat die Entwicklung verschiedener Bäder den Druck weicher Materialien mit einem breit gefächerten Spektrum an Gelierungsmechanismen ermöglicht (Abbildung 1). Da zudem die Vernetzungsmittel in das Bad eingemischt werden, wird das extrudierte Bio-Tintenfilament sofort von allen Seiten mit der Flüssigkeit in Kontakt gebracht, wodurch umgehend ein gleichzeitiger Gelierungsprozess ausgelöst wird. Dies steht im Gegensatz zum Drucken an der Luft, bei dem die Möglichkeiten zur Auslösung der Gelierung begrenzt sind. Zweitens bietet das Stützbad eine Umgebung, die den Zelltod verhindert und während des Druckvorgangs eine hohe Zellviabilität aufrechterhält. Neben der Temperaturregelung kann der wässrige Anteil des Stützbads aus Zellkulturmedien, Wachstumsfaktoren oder anderen Biomolekülen bestehen, die das Überleben der Zellen sichern sollen. Daraus ergibt sich der dritte wesentliche Vorteil der Technik: die Größe der Konstrukte, die gedruckt werden können. Bislang waren die meisten biogedruckten 3D-Gewebekonstrukte im Vergleich zu den Geweben oder Organen, die sie ersetzen sollen, relativ klein. FRESH wurde bereits eingesetzt, um auf der Grundlage von MRT-Bilddaten ein physikalisches Modell des menschlichen Herzens im Neugeborenenmaßstab aus Kollagen Typ I zu erstellen [3]. Und Forscher bestätigen, dass diese Technik das Potenzial hat, eine skalierbare additive Fertigungstechnologie zu werden, mit der Gewebe in Originalgröße auf der Grundlage patientenspezifischer anatomischer Daten hergestellt werden können.