Ein Verband fürs Herz? Ein neues 3D-Druckverfahren macht dies und mehr möglich

Bei ihrem Bestreben, realistische Materialien zum Ersatz und zur Reparatur von Teilen des menschlichen Körpers zu entwickeln, stehen Wissenschaftler vor einer großen Herausforderung: Echte Gewebe sind oft sowohl stark als auch dehnbar und variieren in Form und Größe.

Ein Team unter der Leitung der University of Colorado Boulder hat in Zusammenarbeit mit Forschern der University of Pennsylvania einen entscheidenden Schritt zur Lösung dieses Problems getan. Sie entwickelten eine neue Methode zum 3D-Drucken von Materialien, die sowohl elastisch genug sind, um dem anhaltenden Herzschlag standzuhalten, als auch stark genug, um der Quetschbelastung der Gelenke standzuhalten, und die sich leicht formen lassen, um den individuellen Defekten eines Patienten gerecht zu werden.

Das Beste ist, dass es leicht auf feuchten Stoffen haftet.

Ihr Durchbruch wird in der Ausgabe der Zeitschrift vom 2. August beschrieben Wissenschafthilft dabei, den Weg für eine neue Generation von Biomaterialien zu ebnen, von inneren Verbänden, die Medikamente direkt zum Herzen transportieren, bis hin zu Knorpelpflastern und nadelfreien Nähten.

„Herz- und Knorpelgewebe ähneln sich darin, dass sie nur eine sehr begrenzte Fähigkeit haben, sich selbst zu reparieren. Wenn sie beschädigt sind, gibt es kein Zurück mehr“, sagte Hauptautor Jason Burdick, Professor für Chemie- und Biotechnik am BioFrontiers Institute der University of Colorado Boulder. „Durch die Entwicklung neuer, stärkerer Materialien zur Verbesserung dieses Reparaturprozesses können wir einen großen Einfluss auf die Patienten haben. »

Wurmkleckse als Inspirationsquelle

In der Vergangenheit wurden biomedizinische Geräte durch Formen oder Gießen hergestellt. Diese Techniken eignen sich gut für die Massenproduktion identischer Implantate, sind jedoch unpraktisch, wenn es darum geht, diese Implantate an bestimmte Patienten anzupassen. In den letzten Jahren hat der 3D-Druck eine Welt voller neuer Möglichkeiten für medizinische Anwendungen eröffnet, indem er Forschern die Herstellung von Materialien in verschiedenen Formen und Strukturen ermöglicht.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Druckern, die einfach Tinte auf Papier auftragen, tragen 3D-Drucker Schicht für Schicht Kunststoff, Metalle oder sogar lebende Zellen auf, um mehrdimensionale Objekte zu schaffen.

Ein spezielles Material, bekannt als Hydrogel (der Stoff, aus dem Kontaktlinsen hergestellt werden), hat sich zu einem erstklassigen Kandidaten für die Herstellung künstlicher Gewebe, Organe und Implantate entwickelt.

Es hat sich jedoch als schwierig erwiesen, sie vom Labor in die Klinik zu bringen, da herkömmliche 3D-gedruckte Hydrogele dazu neigen, bei Dehnung zu brechen, unter Druck zu reißen oder zu steif zu sein, um sich dem Gewebe anzupassen.

„Stellen Sie sich vor, Sie hätten einen starren Kunststoff an Ihrem Herzen. Es würde sich nicht verzerren, wenn dein Herz schlägt“, sagte Burdick. „Es würde einfach kaputt gehen.“ »

Um sowohl Festigkeit als auch Elastizität in 3D-gedruckten Hydrogelen zu erreichen, ließen sich Burdick und seine Kollegen von Würmern inspirieren, die sich immer wieder in dreidimensionalen „Wurmclustern“ mit festen und flüssigen Eigenschaften umeinander verwickeln und entwirren. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass der Einbau von Ketten ähnlich ineinander verschlungener Moleküle, sogenannte „Tangles“, sie stärker machen kann.

Ihre neue Druckmethode, bekannt als CLEAR (für Continuous-curing after Light Exposure Aided by Redox initiation), folgt einer Reihe von Schritten, um lange Moleküle in 3D-gedruckten Materialien zu verschränken, ähnlich wie diese ineinander verschlungenen Verse.

Als das Team diese Materialien im Labor dehnte und Belastungen aussetzte (eine Forscherin zerdrückte sogar eine Probe mit ihrem Fahrrad), stellte sie fest, dass sie exponentiell stärker waren als Materialien, die mit einer Standard-3D-Druckmethode namens Digital Light Processing (DLP) gedruckt wurden. Besser noch: Sie passten sich auch an tierische Gewebe und Organe an und hafteten daran.

„Wir können jetzt Klebematerialien in 3D drucken, die stark genug sind, um Gewebe mechanisch zu stützen“, sagte Matt Davidson, Co-Senior-Autor und wissenschaftlicher Mitarbeiter im Burdick-Labor. „Das ist uns noch nie gelungen. »

Die Pflege revolutionieren

Burdick stellt sich einen Tag vor, an dem solche 3D-gedruckten Materialien verwendet werden könnten, um Herzfehler zu reparieren, geweberegenerierende Medikamente direkt an Organe oder Knorpel abzugeben, Bandscheibenvorfälle zu fixieren oder sogar Menschen im Operationssaal zu nähen, ohne ihren Knochen Schaden zuzufügen wie eine Nadel und eine Naht.

Sein Labor hat ein vorläufiges Patent angemeldet und plant, bald weitere Studien zu starten, um besser zu verstehen, wie Gewebe auf das Vorhandensein solcher Materialien reagieren.

Doch das Team betont, dass ihre neue Methode weit über die Medizin hinaus Auswirkungen haben könnte, auch in Forschung und Produktion. Ihre Methode macht zum Beispiel den Bedarf an zusätzlicher Energie zum Härten von Teilen überflüssig und macht den 3D-Druckprozess umweltfreundlicher.

„Dies ist eine einfache 3D-Verarbeitungsmethode, die Menschen sowohl in ihren eigenen akademischen Labors als auch in der Industrie nutzen könnten, um die mechanischen Eigenschaften von Materialien für eine Vielzahl von Anwendungen zu verbessern“, sagte der Erstautor Abhishek Dhand, Forscher im Burdick-Labor und Doktorand in der Abteilung für Bioingenieurwesen an der University of Pennsylvania. „Damit wird ein großes Problem für den 3D-Druck gelöst. »

Weitere Co-Autoren des Papiers sind Hannah Zlotnick, eine Postdoktorandin im Burdick Lab, und die Wissenschaftler Thomas Kolibaba und Jason Killgore vom National Institute of Standards and Technology (NIST).