Neuartige 3-D-Drucktechnologie für Geweberegeneration

In dem neuen Verfahren, das Bayreuther Forschende entwickelt haben, werden Hydrogele und Fasern erstmals in einem Gerät kombiniert. Es ermöglicht die Herstellung von Geweben mit faserigen Strukturen und einachsiger Zellenausrichtung.

In der Studie von Leonid Ionov, Professor für Biofabrikation, und seinem Team der Universität Bayreuth wurden verschiedene Arten von Hydrogelen ausgiebig für den 3-D-Druck von Geweben getestet. Bei einem Hydrogel handelt es sich um ein wasserenthaltendes und gleichzeitig wasserunlösliches Polymer. Zudem werden die zellenthaltenden Hydrogele, die auch als Bio-Tinte bezeichnet werden, mit Fasern kombiniert, um einen neuartigen Verbundstoff zu erhalten. Dies geschieht durch die Verwendung eines 3-D-Bio-Drucks mit integriertem Touch-Spinning-Verfahren. Touch-Spinning ist ein skalierbares Verfahren zur Herstellung von Fasern aus einer Polymerlösung oder -schmelze, erklärt die Universität Bayreuth. Zum ersten Mal sei die 3-D-(Bio-)Drucktechnologie mit der Touch-Spinning-Technologie in einem einzigen Gerät zusammengeführt worden.

„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 Ionov. In dem nun in der Fachzeitschrift „Advanced Healthcare Materials“ erschienenen Artikel berichten die Bayreuther Forschenden Prof. Elisabetta Ada Cavalcanti-Adam, Lehrstuhlinhaberin für Zelluläre Biomechanik, Ionov, sowie 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 zum Beispiel 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“, so 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.