3-D-Druck Gewebe mit Biotinte auf Basis von Spinnenseide herstellen

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Forscher aus Bayreuth und Würzburg haben eine Biotinte entwickelt, die Spinnenseideproteine und lebende Zellen enthält. Damit lassen sich gewebeähnliche Strukturen mit einem 3-D-Drucker herstellen.

Die außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften von Spinnenseide faszinieren Wissenschaftler schon lange. So sind die Fäden, die etwa zehn Mal dünner sind als ein menschliches Haar fünf Mal reißfester als Stahl und drei Mal dehnbarer. Bereits in der Antike wurden positive wundheilungsfördernde Effekte beschrieben. Denn Spinnenseide hat keine zelltoxischen Wirkungen, wird nur langsam im Körper abgebaut und löst keine Immunreaktionen aus.

Spinnenseidemoleküle eignen sich auch als Material für Biotinte, mit der gewebeähnliche Strukturen im 3-D-Druck hergestellt werden können. Die dabei verwendeten lebenden Zellen von Menschen oder Tieren bleiben in der Regel funktionstüchtig. So eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten für die Regeneration von Herzmuskel-, Haut- oder Nervengewebe.

Zu diesem Ergebnis kommen Forschungsarbeiten, die aus der Zusammenarbeit von Prof. Dr. Thomas Scheibel (Lehrstuhl für Biomaterialien, Universität Bayreuth) und Prof. Dr. Jürgen Groll (Lehrstuhl für Funktionswerkstoffe der Medizin und der Zahnheilkunde, Universität Würzburg) hervorgegangen sind und in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht wurden.

„Biofabrikation“ ist der Name dieses jungen Forschungsgebiets, das weltweit mit zunehmender Intensität bearbeitet wird. Es geht dabei insbesondere um die Produktion von gewebeähnlich aufgebauten Strukturen durch 3-D-Drucktechniken. Solche Strukturen, wie sie für die Wiederherstellung von beschädigtem Gewebe benötigt werden, setzen sich aus zwei Bestandteilen zusammen: Zum einen aus einem porösen Gerüst, zum anderen aus lebenden Zellen, die sich in den Zwischenräumen dieses Gerüsts befinden und dort wachsen.

Spinnenseideproteine ermöglichen 3-D-Druckverfahren

Bisher hat man derartige Strukturen hauptsächlich in aufeinander aufbauenden Verfahren entwickelt. Dabei wird zunächst das Gerüst mit den gewünschten molekularen Strukturen vorgefertigt und anschließend mit lebenden Zellen „beladen“. Bei der Optimierung der Materialien, die als Gerüst zum Einsatz kommen, konnten bisher deutliche Erfolge erzielt werden. Dennoch sind diese Verfahren nur eingeschränkt tauglich, um Zellen in den Gerüsten gezielt gewebeartig anzuordnen.

Erheblich vorteilhafter für solche medizinischen Anwendungen sind 3-D-Druckverfahren, bei denen Biotinte – bestehend aus den Bausteinen des Gerüsts und aus lebenden Zellen – zum Einsatz kommt.

So arbeiten Forscher am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) in Stuttgart an Gelatine-basierten Tinten. Diese müssen zum Aushärten mit UV-Licht bestrahlt werden.

Bei der Entwicklung einer neuartigen Biotinte auf der Basis von Spinnenseidemolekülen ist den Wissenschaftlern um Professor Scheibel und Professor Groll nun ein Durchbruch gelungen.

Vor allem aber konnte das Forschungsteam in Bayreuth und Würzburg nachweisen, dass eine Biotinte auf der Basis von Spinnenseide allen anderen bisher getesteten Materialien überlegen ist.

Bei dem Verfahren „fließt“ ein Gel, in dem Spinnenseidenmoleküle und lebende Zellen gemischt sind, im Druckkopf des 3-D-Druckers, so dass auch feine Gerüststrukturen auf einer Oberfläche aufgetragen werden können. Auf der Oberfläche aber verfestigt sich das Gel sofort.

Der Grund für diesen schnellen Wechsel vom flüssigen zum festen Aggregatzustand liegt darin, dass sich die Spinnenseidenmoleküle in ihrer Mikrostruktur umlagern – ein Mechanismus, den auch die Spinne bei der Faserproduktion nutzt.

Der 3-D-Druck bei dem in Bayreuth entwickelten Verfahren erfolgt durch robotergesteuerte Dosierung: Der Druckkopf arbeitet in y-z-Richtung, während die Kollektorplatte in der x-Achse agiert. Das Material befindet sich in einer unter Druck stehenden Spritze. Die Dosierung erfolgt durch ein elektromagnetisches Ventil, dessen Öffnungszeiten zwischen 700 und 900 μs liegen. Der Materialfluss wird über den Druck reguliert. Das Ausgangsmaterial liefert die Firma AMSilk aus Martinsried bei München.

Reparieren von Herzmuskel-, Nerven- oder Hautgewebe

Als lebende Zellen wurden zunächst Fi­broblasten (im Bindegewebe vorkommende bewegliche Zellen, die nach der Reifung zu Fibrozyten bewegungsunfähig werden) von Mäusen und anschließend – mit gleichem Erfolg – menschliche Zellen verwendet.

„Die bisher erzielten Forschungsergebnisse machen uns deshalb zuversichtlich, dass sich durch den Einsatz von Spinnenseide als Biotinte langfristig völlig neue Perspektiven für die regenerative Medizin erschließen“, erklärt Professor Scheibel. „Es wäre beispielsweise möglich, Zellstrukturen zu züchten, die funktionsunfähiges Herzmuskelgewebe ersetzen. Und auch im Hinblick auf die Reparatur zerstörter Nervenbahnen oder Hautpartien zeichnen sich hochinteressante Möglichkeiten ab, die wir in unseren Forschungsarbeiten zur Biofabrikation weiter ausloten wollen.“

Professor Groll ergänzt: „Die Biofabrikation braucht dringend neue Biotinten mit variablen Eigenschaften, um funktionale Gewebestrukturen züchten zu können. Mit dem neuen 3-D-Druckverfahren auf der Basis von Spinnenseide konnten wir das Forschungsfeld um eine vielversprechende Möglichkeit erweitern.“

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