Neue synthetische Polymeralternativen für 3D-Biodruck
Bei der Behandlung von Krankheiten oder Verletzungen greift die Medizin häufig auf Gewebegerüste zurück. „Ähnlich wie die beim Hausbau verwendeten Gerüste helfen Gewebegerüste den Zellen beim Aufbau funktioneller Gewebe“, sagt Robert Denis Murphy(öffnet in neuem Fenster), Forschungsstipendiat am Royal College of Surgeons in Ireland(öffnet in neuem Fenster). Um dieses Zellwachstum und die Gewebebildung auf sichere Weise zu realisieren, sind Gewebegerüste in der Regel mikroskopisch klein und nanostrukturiert und müssen stets biokompatibel sein. „Hydrogel-Biopolymere erfüllen alle diese Kriterien“, fügt Murphy hinzu. Hydrogel-Biopolymere sind aus natürlichen Quellen gewonnene Polymere und gelten als ungiftig, biokompatibel, biologisch abbaubar und kostengünstig. Ungeachtet ihres Potenzials hat die derzeitige Bibliothek der Hydrogel-Biopolymere jedoch eher ein begrenztes Angebot. Die Arbeit des EU-finanzierten Projekts BioSMaLL hilft, diese Beschränkung zu überwinden. „Das übergeordnete Projektziel bestand darin, die Einschränkungen der gegenwärtig beim 3D-Drucken verwendeten Hydrogel-Biopolymere zu überwinden, indem neue synthetische Polymeralternativen bereitgestellt werden“, erklärt Murphy, der das Projekt koordinierte. Ein wesentlicher Teil des Projekts war am Labor von Craig J. Hawker(öffnet in neuem Fenster), einem Professor an der University of California, Santa Barbara(öffnet in neuem Fenster), angesiedelt.
Polymerplattformen für den 3D-Druck optimieren
Das Ziel des im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) unterstützten Projekts lautete, Polymere mit definierten chemischen Strukturen zu entwickeln, die eine hohe Reproduzierbarkeit von Charge zu Charge und steuerbare mechanische Eigenschaften aufweisen. Die Forschenden versuchten außerdem, diese Polymere mit lichtempfindlichen Funktionen auszustatten, sodass sie ihre mechanischen Eigenschaften schnell von weich zu hart oder von flüssig zu fest ändern können. Doch wie bei vielen Forschungsprojekten wurde auch dem BioSMaLL-Team schnell klar, dass dies leichter gesagt als getan ist. „Das größte Problem bei der Projektarbeit stellte die Optimierung der Polymerplattformen für den 3D-Druck dar, was keine triviale Aufgabe war“, erklärt Murphy. „Da diese Materialien noch nicht für solche Zwecke erforscht worden sind, mussten wir eine ziemlich steile Lernkurve absolvieren, bis wir in der Lage waren, die Materialien chemisch derart zu gestalten, dass sie sich für das 3D-Drucken eignen.“
Durchbrüche beim Biodrucken mit Bakterien
Insgesamt wurden im Zuge des Projekts zwei innovative Polymerplattformen entwickelt. In Zusammenarbeit mit Fachleuten des U.S. Army Engineer Research and Development Center(öffnet in neuem Fenster) (ERDC) wurde die erste Plattform entwickelt. Sie beinhaltete das Einbetten gentechnisch veränderter Bakterien in Hydrogele, die dann zum 3D-Drucken lebender Biokompositmaterialien verwendet wurden. „Das bakterielle Biodrucken ist ein noch weitgehend unerkundetes Forschungsgebiet, das aber ein enormes Potenzial in Hinsicht auf biotechnologische Anwendungen wie Biosensorik und biologische Sanierung aufweist“, so Murphy. Die Arbeit von BioSMaLL ist eine der wenigen Studien, die bisher zum 3D-Drucken von Biokompositen mit Bakterien durchgeführt wurden, und die erste, in der analysiert wurde, wie sich die mechanische Festigkeit der Hydrogele auf das Bakterienwachstum auswirkt. Bei der zweiten Plattform standen Polymer-Hydrogele im Mittelpunkt, deren mechanische Eigenschaften und damit die 3D-Druckbarkeit durch eine Änderung der Polymerarchitektur maßgeschneidert werden konnten. Beide Plattformen haben sich als biologisch kompatibel mit Lebendzellsystemen erwiesen.
Inspiration für die nächste Generation des Hydrogel-Designs
Nach Projektabschluss hofft Murphy nun, dass seine Arbeit dazu beitragen wird, den Einsatz von Polymerhydrogelen beim 3D-Biodrucken zu erweitern. „Ich bin davon überzeugt, dass die Arbeit des Projekts BioSMaLL die Inspiration für die nächste Generation von Hydrogelen bilden wird, was sich nicht nur auf die Forschung, sondern auch auf die Industrie und insbesondere die Medizin auswirken wird“, schließt er. Angeregt durch seine eigene Arbeit arbeitet Murphy gegenwärtig an neuen Fortschritten im Bereich neuartiger Materialien zum 3D-Drucken, wobei der Blick auf die Kommerzialisierung derartiger Lösungen für den Einsatz in Biomedizinanwendungen gerichtet ist.
Schlüsselbegriffe
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