3D-Drucktechnologie für Geweberegeneration

Bayreuther Forschende vereinen Hydrogele und Fasern in neuem Verfahren.

Prof. Dr. Leonid Ionov und sein Team der Universität Bayreuth haben eine neuartige 3D-Drucktechnologie entwickelt, die Hydrogele und Fasern kombiniert. Das innovative Verfahren, erstmals in einem Gerät vereint, ermöglicht die Herstellung von Geweben mit faserigen Strukturen und einachsiger Zellenausrichtung. Die Forschungsergebnisse, veröffentlicht in der Fachzeitschrift „Advanced Healthcare Materials“, bergen Potenzial für die künstliche Herstellung von biologischem Gewebe.

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Die Biofabrikation, ein Spezialgebiet der Medizintechnik, die sich mit der Herstellung biologisch relevanter Gebilde befasst, zielt darauf ab, die komplexe Architektur menschlicher Gewebe und Organe nachzubilden. Ein vielversprechender Ansatz, um dem weltweiten Mangel an Spenderorganen entgegenzuwirken, ist der Einsatz des 3D-Bio-Drucks, einer fortschrittlichen Biofabrikationstechnik. Diese Technologie wurde mit einer Faserspinntechnologie namens Touch-Spinning innerhalb eines einzelnen Gerätes integriert. Dieses Verfahren wird seit 2018 an der Universität Bayreuth entwickelt und ermöglicht die Herstellung gewebeähnlicher Strukturen. In Bayreuth wurde nun ein innovatives Gerät hierfür entwickelt, patentiert und könnte einen bedeutenden Fortschritt in der Herstellung von organischem Gewebe darstellen. Zudem wurden im Bereich der einfacheren Herstellung der Fasern und Verbundstoffe große Fortschritte erzielt.

Dies geschieht durch die Verwendung eines 3D-Bio-Drucks mit integriertem Touch-Spinning-Verfahren. Touch-Spinning ein skalierbares Verfahren zur Herstellung von Fasern aus einer Polymerlösung oder –schmelze. Die Bayreuther Wissenschaftler*innen haben nun zum ersten Mal die 3D-Bio-Drucktechnologie mit der Touch-Spinning-Technologie in einem einzigen Gerät zusammengeführt. „Die in dieser Studie gewonnenen Erkenntnisse sind von großer Bedeutung für die Herstellung von Geweben und insbesondere von Geweben mit faserigen Strukturen und einachsiger Ausrichtung der Zellen wie Binde- und Muskelgewebe“, erläutert Prof. Dr. Leonid Ionov.

In einem nun in der Fachzeitschrift „Advanced Healthcare Materials“ erschienenen Artikel berichten die Bayreuther Forschenden Prof. Dr. Dr. Elisabetta Ada Cavalcanti-Adam, Lehrstuhlinhaberin für Zelluläre Biomechanik, Prof. Dr. Leonid Ionov, Professor für Biofabrikation, Waseem Kitana, Doktorand am Lehrstuhl für Biofabrikation und ihre Kollegin Dr. Victoria Levario-Diaz vom Max-Planck-Institut für medizinische Forschung, über einen neuartigen Ansatz für die Herstellung von mehrschichtigen Bio-Tinte-Fasern-Verbünden.

Die Bayreuther Wissenschaftler*innen haben bei den Versuchen verschiedene Hydrogele genutzt und deren Eigenschaften verglichen. Hydrogele finden seit Jahrzehnten breite Anwendung in den Bereichen Tissue Engineering und Biofabrikation als Gerüstmaterialien. Tissue Engineering ist der Überbegriff für die künstliche Herstellung biologischer Gewebe und wird auch Gewebezucht genannt.

Durch die Kombination eines Hydrogel-Systems mit einem Faser-System verringern sich die Anforderungen an die Verarbeitung von Hydrogelen, wie z. B. die Vernetzung zur Verbesserung ihrer mechanischen Eigenschaften, da bei diesen Verbundwerkstoffen die mechanischen Eigenschaften durch das Fasersystem abgedeckt werden. Außerdem ist die Forderung nach einem niedrigen Vernetzungsgrad vorteilhaft für die anschließende Gewebebildung. „Das Hydrogel bietet den Zellen eine wässrige Umgebung, die das gute Funktionieren der Zellen fördert, während die Fasern die Ausrichtung der Zellen entlang der Hauptrichtung der Faser steuern sollen“, sagt Prof. Ionov.

Aufbauend auf die Erfindung des neuen und bereits patentierten Gerätes, das diese beiden Techniken kombiniert, haben die Bayreuther Wissenschaftler*innen das Start-up-Unternehmen „biovature GmbH“ unter der Leitung von PD Dr. habil. Alla Synytska (Mitbegründerin und CEO) gegründet.

Der Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) Sonderforschungsbereich SFB/TRR 225 hat die Forschung finanziell unterstützt.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Leonid Ionov
Professor für Biofabrikation
E-Mail: Leonid.Ionov@uni-bayreuth.de
Tel.: +49 (0) 921 / 55-5543

Originalpublikation:

W. Kitana, V. Levario-Diaz, E. A. Cavalcanti-Adam, L. Ionov, Biofabrication of Composite Bioink-Nanofiber Constructs: Effect of Rheological Properties of Bioinks on 3D (Bio)Printing and Cells Interaction with Aligned Touch Spun Nanofibers. Adv. Healthcare Mater. 2023, 2303343. https://doi.org/10.1002/adhm.202303343

https://www.uni-bayreuth.de/pressemitteilung/3d-drucktechnolgie-fuer-geweberegeneration