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Künstliche Organe Herz und Niere aus dem Drucker

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Drucken statt züchten

Axel Haverich Quelle: Pressebild

Statt die Zellen wie bisher in der Organzucht von selbst wandern zu lassen und mit biochemischen Signalstoffen an den idealen Ort in dem Organgerüst zu locken, verfielen mehrere Forschergruppen nun darauf, die Zellen mit Druckern an Ort und Stelle zu katapultieren. Als Vorbild dienen hochmoderne 3-D-Druckverfahren, die schon in vielen Produktionsbereichen Einzug gehalten haben.

Das Prinzip ist immer dasselbe: Eine Konstruktionszeichnung wird mithilfe eines Schichtdruckverfahrens computergesteuert in ein dreidimensionales Gebilde übersetzt. Dabei wird zum Beispiel feines Kunststoffgranulat mit einem energiereichen Laserstrahl gezielt dort ausgehärtet, wo feste Strukturen entstehen sollen. Der Laserstrahl arbeitet sich dabei Zeile für Zeile und Schicht für Schicht durch das zu konstruierende Werkstück.

Waren es anfangs nur grobe Prototypen, die so schnell und kostengünstig produziert werden konnten, lässt sich mit 3-D-Druckern heute so ziemlich alles herstellen – von der Designerlampe bis zum Keksrohling. Warum also nicht auch biologische Gewebe und komplexe Organe?

Dasselbe mit lebenden Zellen zu tun, was Konstrukteure sonst mit Kunststoff, Gips oder anderen unbelebten Werkstoffen veranstalten, schien lange Zeit unmöglich. Denn Zellen, die Gewebe aufbauen sollen, sind meist sehr empfindlich.

Massgefertigte Ersatzteile

Zuerst gelangen deshalb starre – und zellfreie – Strukturen wie Zahnersatz und Knochen. So stellten Susmita Bose und ihr Mann Amit Bandyopadhyay von der Washington State University Ende 2011 ihren Knochendrucker vor: Er formt aus Knochenersatzmaterial genau jene Knochenstücke, die bei einem Patienten etwa durch einen Unfall, eine Operation oder einen Tumor verloren gegangen sind. Sobald das Gerät für den Einsatz am Menschen zugelassen ist, können solche Ersatzteile Patienten eingepflanzt werden. Innerhalb weniger Wochen sollen die menschlichen Knochenzellen dann in den Kunstknochen einwandern, der sich selbst allmählich abbaut. Zumindest in Tierversuchen funktioniert das perfekt. In wenigen Jahren schon könnten solche Geräte in Kliniken stehen.

Die Idee ist bestechend: Der Operateur macht ein Röntgenbild vom Patienten und schickt es einem Fachmann, der sich auf das Computer Aided Design (CAD) versteht. Der wiederum erstellt eine Computervorlage für den Knochendrucker. Und der druckt im Handumdrehen das benötigte Knochenstück aus.

Genau so erhoffen sich Chirurgen wie Haverich das auch für Organe und Adern. Sein Plan für die Zukunft sieht so aus: Dem Patienten, der ein Ersatzorgan braucht, werden Stammzellen aus dem Beckenknochen entnommen – und schon in 24 Stunden wäre sein Ersatzorgan nachgedruckt. So lange, schätzen die Hannoveraner, würde es etwa dauern, bis ein Herz Schicht für Schicht aufgebaut wäre. Allerdings stellen flexible Strukturen von Herz oder Leber deutlich größere Hürden dar als Knochen.

Inzwischen haben Polymerforscher aber einen Weg gefunden, mithilfe von Laserstrahlen beliebige 3-D-Strukturen als flexible Kunststoffvorlagen für solche weichen Organe herzustellen. Zwei- oder Multiphotonenpolymerisation nennen sie das. Dabei sorgen Laserpulse, die punktgenau in eine Flüssigkeit aus Kunststoffvorstufen gelenkt werden, dafür, dass einzelne Moleküle sich genau an dieser Stelle zu einem langkettigen Kunststoffmolekül verbinden.

Forscher wie Koch sind sogar schon so weit, dass sie aus biologischen Materialien Organvorlagen kreieren können. Dazu machen sie sich das Prinzip zu eigen, mit dem der Körper Blutungen stoppt. Verantwortlich dafür sind der Blutgerinnungsfaktor Fibrinogen und das Enzym Thrombin. Im Biodrucker wird eine Schicht gelartiges Fibrinogen aufgetragen und darauf das gewünschte Muster mit Thrombin gedruckt. Dort, wo beide Moleküle zusammentreffen, bildet sich ein winziges Blutgerinnsel, das Gelee härtet aus. Schicht für Schicht wird so eine 3-D-Struktur gedruckt.

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