Der 3D-Druck zum Erschaffen von Knochen und Knorpeln.

Die Forscherin Nieves Cubo setzt den 3D-Druck ein, um menschliches Gewebe zu erzeugen, das Metallprothesen ersetzen könnte.

Es ist keine Science-Fiction mehr, auf jeden Patienten zugeschnittenes Gewebe und Organe zu generieren, indem eigene Zellen dafür verwendet werden. Es ist, dank des Bioprintings, reine Wissenschaft, nicht mehr und nicht weniger. Der Einsatz von 3D-Druckern auf diesem Gebiet wird bereits untersucht und der Moment für den Einsatz in Krankenhäusern und Laboren rückt immer näher. Der Zeitpunkt für eine personalisierte Medizin ist gekommen.  

Nieves Cubo, Ingenieurin und Forscherin, untersucht das Erstellen von menschlichem Gewebe (unter anderem Knochen und Knorpel) mit 3D-Druckern. Sie unternimmt dies an der Fakultät für Pharmazie an der Universität Complutense Madrid und dem Institut für Polymerwissenschaften und Technik des CSIC.  

„Statt künstlichen Prothesen oder Metallprothesen suchen wir nach etwas, das sich wirklich in den Körper einfügt. Wir sprechen nicht mehr von ersetzen, sondern von regenerieren.“

Nieves Cubo und ihr Team drucken Raster aus Polycaprolacton (PCL) mit einem Hephestos 2 und einem Witbox 2. Diese Drucker verwenden nicht nur den Extruder eines normalen Druckers, der PLA bei mehr als 200 °C zum Schmelzen bringt und auf dem Druckbett ausgibt, um das 3D-Objekt zu erstellen, sondern einen Extruder, dem eine Nadel hinzugefügt wurde, um die Zellen gesteuert einzusetzen.

Nach dem Einsetzen dieser Knochen- oder Knorpelzellen beginnen die ersten mit der Zeit damit, in die Prothese einzudringen und das Material mit einem natürlicheren zu reproduzieren und zu ersetzen, je nachdem entweder durch Knochen oder durch Knorpel. „Wir machen uns das Prinzip der Biologie der Natur zu Nutze und geben den Zellen, was sie zu ihrer Entwicklung benötigen“, erklärt sie.  

Es werden zwei verschiedene Methoden untersucht: Die erste untersucht die Möglichkeit, das in 3D gedruckte Raster mit den Zellen direkt in den beschädigten Teil des Knochens oder Knorpels einzusetzen, damit der Regenerationsprozess direkt im Körper beginnt. Das Polycaprolacton (biologisch abbaubar) würde sich mit der Zeit auflösen und das Gewebe vollständig integrieren. Derzeit werden mechanische Materialtests durchgeführt, um herauszufinden, ob diese Methode machbar ist. Nieves Cubo erklärt weiter: „Das Beste wäre, es so früh wie möglich in den Körper einzusetzen, aber stellen Sie sich vor, dass die Zellen das Material sehr schnell abbauen und es in sich zusammenbricht: diese Option können Sie nicht wählen.“

Bei der zweiten Methode wird deshalb im Labor ein günstiges Ökosystem geschaffen, damit die Zellen dort das menschliche Gewebe wiederherstellen können. Dieses wird anschließend dem Patienten eingesetzt oder kann auch für weitere Forschungszwecke verwendet werden. Das Ergebnis: eine „Prothese“, die gegenüber der Metallprothese viele Vorteile hat, maßgeschneidert ist und leichter vom Körper angenommen wird.

Man muss allerdings bedenken, dass auch die Biologie mal im Irrtum ist und es passieren kann, dass die Zellen im menschlichen Körper Knochen anstelle von Knorpeln bilden. Das nennt man Kalzifizierung. Eines der Ziele von Nieves Cubo und ihrem Team ist es, dies im Labor zu unterbinden.

Tierversuche vermeiden

Das Drucken von menschlichem Gewebe kann zudem Tierversuchen ein Ende setzen. Derzeit sind diese obligatorisch, um eine Medizintechnik oder ein Medikament anerkennen zu lassen.

„Wenn wir in der Lage sind, im Labor eine Umgebung zu schaffen, die sich genauso verhält wie der menschliche Körper, können wir Kosmetikprodukte und Medikamente ausprobieren, ohne dafür Tiere einsetzen zu müssen. So wird ihr Leiden vermieden und es werden Kosten eingespart.“

Die Forscherin hat in der Vergangenheit bereits einen Drucker entworfen, um menschliche Haut anzufertigen. Diese Studie ist jetzt in der klinischen Phase und es wird nicht mehr lange dauern, bis sie in Krankenhäuser und Labore gelangt. Dank dieses Druckers können innerhalb von zwei Wochen mehrere Quadratmeter Haut „angefertigt“ werden, um zum Beispiel große Hautpartien zu ersetzen, die durch Verbrennungen beschädigt wurden.

Außerdem arbeitet sie an der Verbreitung dieser Technologie und hat eine gemeinschaftliche Plattform mit dem Namen OpenBioprinting erstellt, auf der Forscher, Ärzte und alle interessierten Personen voneinander lernen und ihr Wissen teilen können.

2015 erläuterte Nieves Cubo ihre Errungenschaften in einem TEDx Talk. In diesem erinnert sie daran, dass sie ihre Erfolge ihren Professoren verdankt, die sie mit dem 3D-Druck vertraut gemacht haben, als sie an der Universität Carlos III in Madrid studierte.

„All die Menschen, die da waren und uns gezeigt haben, wie 3D-Drucker montiert werden, wie man mit ihnen arbeitet und die, wenn etwas nicht funktionierte, sagten: Mach dir nichts daraus, versuch es einfach noch einmal, du schaffst das schon, auch wenn du nicht am MIT bist. Dank all dieser Menschen sind wir heute in der Lage, menschliche Haut zu drucken. Und, wenn jemand von uns in der Zukunft einen kleinen Körperteil, der mittels dieser Technologie hergestellt worden ist, benötigen sollte, sind wir vielleicht dank ihnen dazu in der Lage.“