Funktionelle Herz-Ersatzteile aus einem neuen hochauflösenden 3D-Drucker

  • Science

  • von Dr. Carola Krause
  • Medizinische Nachrichten
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Kernbotschaft

Forscher haben eine neue Methode zum Druck anatomischer 3D-Kollagenstrukturen entwickelt. Die sogenannte FRESH-Methode kann patientenspezifische anatomische Herzstrukturen mit einer 20 Mikrometer Filament-Auflösung erstellen und so die Form und Funktion geschädigter Herzstrukturen rekonstruieren.

Hintergrund

Kollagen ist der Hauptbestandteil der extrazellulären Matrix im menschlichen Körper. Bis dato war es eine Herausforderung, Kollagengerüste herzustellen, die die Struktur und Funktion von Geweben und Organen nachbilden konnten, da biomedizinische Verfahren fehlten. Auch neue entwickelte 3D-Drucktechniken waren für den klinischen Alltag begrenzt nutzbar, da sie eine geringe Druckauflösung und Gewebetreue aufwiesen.

Ein amerikanisches Forscherteam hat bereits 2015 den sogenannten FRESH-Ansatz entwickelt. Seitdem haben sie an dem Ansatz gearbeitet und seine Parameter verbessert, um nun ein neues kollagenbasiertes 3D-Druckverfahren zu etablieren, welches die Funktion und Form des Herzgewebes sehr genau imitieren kann und so dem menschlichen Herzen sehr ähnlich ist.

Die FRESH-Methode v2.0

Die FRESH (freeform reversible embedding of suspended hydrogels) -Methode ist eine Methode zum 3D-Bioprint von Kollagen zur Entwicklung von Komponenten des menschlichen Herzens in verschiedenen Maßstäben, von den Kapillaren bis zum ganzen Organ.

Mit der neuen FRESH-Methode kann - durch eine pH-gesteuerte Gelierung - eine 20 Mikrometer Filament-Auflösung und eine poröse Mikrostruktur gebildet werden. So können komplexe strukturelle und funktionelle Gewebestrukturen erzeugt werden, die wiederum in lebende Zellen oder komplizierte Gefäße mit Abmessungen von nur 10 Mikrometern eingebettet werden können. So werden eine zelluläre Infiltration und Mikrovaskularisation sowie eine mechanische Festigkeit zur Herstellung und Perfusion von Gefäßen und Tri-Leaflet-Klappen ermöglicht.

Dabei können Mikrocomputertomographie basierte anatomische Strukturen patientenspezifisch nachgebaut werden.  So zeigten erste Untersuchungen, dass so hergestellte Herzkammern mit menschlichen Kardiomyozyten bedruckt werden konnten, die wiederum eine synchronisierte Kontraktion, Ausbreitung des Aktionspotenzials und eine Wandverdickung von bis zu 14 % während der Peak-Systole aufwiesen.

Finanzierung: NIH, NSF, Office of Naval Research grant, Congressional Directed Medical Research Program, College of Engineering at Carnegie Mellon University under the Bioengineered Organs Initiative and the Manufacturing Futures Initiative