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Die Technik und die Medizin entwickeln sich ständig weiter. Auf der einen Seite revolutioniert der 3D-Druck unseren Schaffensprozess. Auf der Anderen könnte die Kryokonservierung durch kryogene Temperaturen unglaubliche Entwicklungen im medizinischen Bereich ermöglichen. Aber die wahre Magie geschieht, wenn man Technologie und Medizin kombiniert, um etwas völlig Neues zu schaffen. Darf ich vorstellen: Kryogener 3D-Druck. 

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Forschung

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Ziel des kryogenen 3D-Drucks ist die Herstellung gefrorener Hydrogele durch Kryokonservierung, um das gedruckte Objekt in einem idealen Zustand zu stabilisieren. Wenn sie gebraucht werden, können sie dann wieder aufgewärmt werden. Dieses Verfahren wurde erstmals 2015 von der Abteilung für Maschinenbau an der University of California veröffentlicht. Seitdem wurde es als Grundlage für andere Veröffentlichungen und weitere Forschungsstudien verwendet.

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Das Endziel ist die erfolgreiche Herstellung voll funktionsfähiger 3D-gedruckter menschlicher Organe und menschlicher Gewebe für die Transplantation. Um jedoch zu verstehen, wie der kryogene 3D-Druck funktioniert, müssen wir uns zunächst mit den einzelnen Teilen vertraut machen, aus denen er sich zusammensetzt.

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3D-Druck

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Sicherlich weißt du, was "Drucken" bedeutet. Im Jahr 1455 wurde der erste bekannte Drucker von Johann Gutenberg hergestellt. Er löste die Bildungsrenaissance aus, indem er zum ersten Mal Bücher in Massenproduktion herstellte. Vor dieser Erfindung musste jedes Buch von Hand geschrieben werden. wenn du ein zweites Exemplar wolltest, musstest du das gleiche Buch noch einmal schreiben - nach heutigen Maßstäben unvorstellbar. 

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Der 3D-Druck zielt darauf ab, diese Revolution über die zweidimensionale Ebene hinaus auszudehnen, indem er es ermöglicht, jedes beliebige 3D-Objekt zu drucken, das man sich vorstellen kann. Dies hat jedoch seine Grenzen, die verhindern, dass 3D-Drucker in der Massenproduktion eingesetzt werden. Stattdessen werden sie derzeit für den Druck spezieller, schwer herstellbarer Objekte wie Design-Prototypen verwendet. Sie können auch Endprodukte wie Schmuck, Werkzeuge, Spielzeug, Scherzartikel oder sogar Prothesen drucken. 

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Der 3D-Druck ist ein additives Verfahren. Das bedeutet, dass das gewünschte Objekt - anders als bei der Holzschnitzerei oder den meisten Metallarbeiten - von Grund auf aufgebaut und nicht aus einem bestehenden Objekt herausgestanzt wird. Mit Hilfe von Computerprogrammen wird dem Drucker mitgeteilt, was er drucken soll. Mit diesen Programmen können Designer digitale 3D-Modelle oder CAD-Modelle erstellen, die dann an den 3D-Drucker gesendet werden, der die Produktion übernimmt. Autodesk Fusion 360, Autodesk AutoCAD, Ultimaker Cura, TinkerCAD und SketchUp gehören zu den derzeit am häufigsten verwendeten Programmen. Es gibt verschiedene Arten von 3D-Druckern, die unterschiedliche Methoden (und Materialien) verwenden, um das 3D-Objekt zu erstellen. Wenn du einen kompakten Überblick über das Angebot auf dem Markt haben möchtest, schau dir dieses Video an. 

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Bioprinting

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Bioprinting ist eine Unterkategorie des 3D-Drucks, bei der biologische Materialien wie Zellen oder Biomaterialien für die Herstellung biomedizinischer Teile verwendet werden. Anders als das übliche Material für den 3D-Druck, Kunststoff oder Harz, erfordern biologische Komponenten zusätzliche Schritte, um ihre Form (und Funktion) zu erhalten:

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• Pre-Bioprinting - Anders als beim normalen 3D-Druck ist es beim Bioprinting nicht das Ziel, "alles zu bauen, was wir wollen". Stattdessen versuchen die Wissenschaftler, die menschliche Biologie so getreu wie möglich nachzubilden. Um diese Vision zu ermöglichen, müssen sie zunächst einen diagnostischen Test, auch Biopsie genannt, durchführen. Dies geschieht mittels Computertomografie (CT) und Magnetresonanztomografie (MRT). Da 3D-Drucker nur schichtweise drucken können, muss auch eine tomografische Rekonstruktion der entstehenden Bilder vorgenommen werden. Wenn die Bilder für den Drucker bereit sind, werden bestimmte Zellen isoliert, vermehrt und später mit einem speziellen verflüssigten Material vermischt, das diese Zellen mit lebenswichtigen Nährstoffen (z. B. Sauerstoff) versorgt.

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• Bioprinting - Im nächsten Schritt wird der zusammengemischte biologische Cocktail in einer Druckerpatrone gespeichert und zusammen mit den medizinischen Scans des Patienten abgelegt. Dieses biologisch gedruckte Vorläufergewebe wird in einen Inkubator gelegt und reift langsam zu einem normalen Gewebe heran.
  
  Beim Bioprinting werden in der Regel biokompatible Gerüste verwendet, die die einzelnen Schichten an ihrem Platz halten sollen. Diese sind für das Tissue Engineering von entscheidender Bedeutung, da sie ein geeignetes mechanisches und chemisches Umfeld bieten, das das weitere Wachstum zu voll funktionsfähigem Gewebe ermöglicht.
  
  Während sich die Herstellung von Geweben und kleineren Organen als erfolgreich erwiesen hat, fehlen bei größeren Organen wie Lebern und Lungen, die durch 3D-Bioprinting hergestellt werden, einige entscheidende Elemente. Dies ist in erster Linie auf die Grenzen der derzeitigen 3D-Drucker zurückzuführen. Einige komplizierte lebenswichtige Funktionen, wie funktionierende Blutgefäße, besitzen zum jetzigen Zeitpunkt nicht die Stabilität oder Lebensfähigkeit, die für den Einsatz in der angewandten Medizin erforderlich sind.

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• Post-Bioprinting - Um eine stabile, funktionelle Struktur für die Zukunft zu gewährleisten, ist ein gut gepflegter Post-Bioprinting-Prozess erforderlich. Die Wissenschaftler wenden sowohl mechanische als auch chemische Stimulationen auf die biologisch gedruckten Objekte an. Diese senden Signale an die Zellen aus, um den Wachstumsprozess des Gewebes zu steuern. Die Art und Menge der gesendeten Signale hängt von dem jeweiligen Gewebe ab. Diese so genannten Bioreaktoren können zusätzliche Nährstoffe transportieren, spezielle Umgebungen schaffen, den Luftdruck anpassen und vieles mehr.

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Kryogener 3D-Druck

Nehmen wir alles, was wir bisher gelernt haben, und schauen wir uns an, was funktioniert und was nicht.

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Was funktioniert:

• 3D-Objekte aus normalen Baumaterialien drucken
• 3D-Objekte aus biologischen Materialien drucken
• Grundlegendes menschliches Gewebe drucken
• Drucken von voll funktionsfähigen kleinen Organen

Was nicht:

• Drucken Sie voll funktionsfähige große Orgeln
• Gewährleistung der Stabilität beim Drucken komplizierter Strukturen
• Gewährleistung der Funktionalität beim Drucken komplizierter Strukturen

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Wenn wir uns diese Checkliste ansehen, sind wir schon ziemlich weit gekommen. Dennoch stellen die letzten Schritte eine große Hürde dar, die es zu überwinden gilt. Den derzeitigen 3D-Biodrucktechnologien fehlt die Funktionalität, um die Stabilität komplexer biologisch gedruckter Gebilde zu gewährleisten. 

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Aber Moment mal, gibt es nicht ein wissenschaftliches Gebiet, das sich mit der Stabilität und Konservierung (oder besser gesagt Kryokonservierung) von Strukturen beschäftigt? Boris Rubinsky, Forscher und Professor an der UC Berkeley, und Michal Adamkiewicz dachten genau dasselbe und begannen zu experimentieren. Ihr Ergebnis: Der sogenannte kryogene 3D-Druck.

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Beim kryogenen 3D-Druck wird das 3D-gedruckte Objekt ständig in ein flüssiges Kühlmittel (flüssiger Stickstoff) getaucht. Dieses Kühlmittel wird so eingestellt, dass es sich immer auf Höhe der obersten Schicht des Drucks befindet, was einen sehr präzisen Gefrierprozess ermöglicht. Die Temperaturen während des Verfahrens liegen im Allgemeinen zwischen -20°C und -25°C. Das CO2-Gas wird schnell in die Kammer eingespritzt, so dass zu Beginn des Prozesses hohe Kühlraten erreicht werden können. Die Vapor Compression Refrigeration (VCR) sorgt dann für eine anhaltende Wärmeabfuhr für den Rest des Verfahrens.

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Das Endergebnis sind vollständig stabilisierte (durch Einfrieren) biologisch gedruckte Strukturen, die eine deutlich höhere Wahrscheinlichkeit aufweisen, eine bearbeitbare Form zu behalten. Dieser Ansatz hat sich als besonders effektiv erwiesen, wenn es um die Herstellung von biologischen Gerüsten geht, was das Potenzial der Kryokonservierung verdeutlicht.

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Fazit

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Die Wissenschaft braucht noch mehr Zeit, um alle Probleme zu lösen, die mit der Wiederherstellung der menschlichen biologischen Funktionen verbunden sind. Dennoch machen wir in vielen verschiedenen Forschungsbereichen stetige Fortschritte. Wissenschaftlern ist es bereits gelungen, eine voll funktionsfähige Blase zu transplantieren (vor vielen Jahren), die auch heute noch funktioniert. Eines Tages werden wir vielleicht in der Lage sein, uns bei Bedarf neue Lungen, eine neue Bauchspeicheldrüse oder sogar ein neues Herz zu drucken. Die Forschung auf dem Gebiet der Kryotechnik und der Kryokonservierung von Menschen könnte uns helfen, diese Technologie zu entwickeln und dieses Ziel zu erreichen. Umgekehrt könnten Fortschritte auf dem Gebiet des Bioprinting die Behandlung von Organen von Biostase-Patienten ermöglichen, bevor diese in Zukunft wiederbelebt werden.

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Die beiden Wissenschaftszweige hoffen, sich mit diesen medizinischen Fortschritten gegenseitig zu ergänzen. Wenn du mehr über die Biostase erfahren möchtest, ruf uns einfach an.

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Quelle: M. Adamkiewicz, B. Rubinsky, Cryogenic 3D printing for tissue engineering, Cryobiology (2015), http://dx.doi.org/10.1016/j.cryobiol.2015.10.152

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