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3D-Druck geschrumpft Mikro-3D-Drucke für die biomedizinische Zellkultur

| Autor / Redakteur: Denise Mandt* / Dr. Ilka Ottleben

Ein junges Wiener Hightech-Unternehmen schrumpft den 3D-Druck auf Mikroformat und ermöglicht so völlig neue Anwendungen in der biomedizinischen Forschung. Denn egal ob präklinische Studien oder neue Ansätze in der regenerativen Medizin – in einer 3D-Umgebung lässt sich das Verhalten von Zellen besser studieren.

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Abb. 1: Derzeit werden viele Zellversuche in zweidimensionalen Petrischalen durchgeführt. Die Ergebnisse lassen sich oft nur bedingt auf den menschlichen, dreidimensionalen Organismus übertragen.
Abb. 1: Derzeit werden viele Zellversuche in zweidimensionalen Petrischalen durchgeführt. Die Ergebnisse lassen sich oft nur bedingt auf den menschlichen, dreidimensionalen Organismus übertragen.
(Bild: ©Sven Hoppe - stock.adobe.com)

Eine Burg auf der Spitze eines Bleistifts – keine Fotomontage, sondern bereits jetzt Realität (s. Abb. 2). Mit bloßem Auge kaum erkennbar, hat sie jedoch alles was eine echte Burg braucht. Die zwei Türmchen faszinieren auf den ersten Blick, v.a. der rechte Turm mit seinen freistehenden Säulen sorgt bei näherer Betrachtung für Staunen. Jeweils 16 dieser Säulen mit einem Durchmesser von weniger als einem Mikrometer ergeben eines der beiden Stockwerke. 100-mal dünner als ein menschliches Haar, tragen die Säulen trotzdem das Gewicht der Turmspitze und sind dabei kerzengerade und parallel. Kaum zu glauben, aber gedruckt wurde dieses imposante Bauwerk in weniger als sechs Minuten.

Eine neue Dimension im 3D-Druck

„Ein spezielles 3D-Druckverfahren macht's möglich“, sagt einer der Gründer und Entwickler des Drucksystems Peter Gruber von Upnano. Dem 33-jährigen ist es in jahrelanger Forschungsarbeit gelungen, die bestehende Technologie weiterzuentwickeln und die Herstellung von mikroskopisch kleinen Bauteilen aus Kunststoff zu beschleunigen. Im Zuge seiner Doktorarbeit hat er so drei Generationen an hochauflösenden Drucksystemen entwickelt und aufgebaut.

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Ziel des Spin-Offs der Technischen Universität Wien war es dabei, lebendige Zellen direkt in mikrometergenaue 3D-Strukturen einbetten zu können, denn wie Zellen beispielsweise auf einen neuen pharmazeutischen Wirkstoff reagieren, hängt auch von den mechanischen und chemischen Eigenschaften ihrer Umgebung ab, erklärt Aleksandr Ovsianikov Upnano-Mitgründer und Leiter der Forschungsgruppe „3D Printing and Biofabrication“ am Institut für Werkstoffwissenschaften und Werkstofftechnologie der Technischen Universität Wien. Die Herstellung von feinst aufgelösten Strukturen ist heutzutage grundsätzlich kein Problem mehr, die Arbeit mit lebendigen Zellmaterial beschäftigt die Wissenschaft jedoch seit Jahren.

Jede Zelle des Objekts ist „glücklich“

Zellen brauchen ideale Bedingungen, um sich wohlzufühlen und normal zu entwickeln. Eine konstante Temperatur und eine zellverträgliche Umgebung sind dabei von enormer Bedeutung. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, bedarf es für die genanten 3D-Strukturen eines exakten Zusammenspieles von Soft- und Hardware in Kombination mit neu entwickelten Druckmaterialien.

Die speziellen Bio-Tinten entwickelt Upnano in Zusammenarbeit mit einer belgischen Forschungsgruppe rund um Jasper Van Hoorick und Sandra Van Vlierberghe. Das Material muss sehr reaktiv sein und punktgenau aushärten, darf aber dabei natürlich nicht schädlich für die Zellen sein.

Die Geschwindigkeit ist hierbei ein essenzieller Punkt – mit dem neu entwickelten 3D-Drucker „Nano­One“ (s. Abb. 3) können Druckgeschwindigkeiten von 600 mm pro Sekunde erreicht werden, bis zu 100-mal schneller als der aktuelle Standard am Markt. Zudem kann das Drucksystem mit einem Inkubationssystem ausgestattet werden. 37 °C, ein Kohlenstoffdioxidgehalt von 5% und eine konstante Luftfeuchte – die Wohlfühlbedingungen für Zellen. „So können wir auch während des Drucks eine ideale Zell­umgebung sicherstellen“, erläutert Upnano-Geschäftsführer Bernhard Küenburg.

3D-Druck für präklinische Studien oder Therapie

Egal ob präklinische Studien in der pharmazeutischen Entwicklung oder neue Ansätze in der patientenspezifischen Therapie, in einer dreidimensionalen Umgebung lässt sich das Verhalten von Zellen viel besser studieren. Derzeit werden viele Zellversuche in zweidimensionalen Petrischalen durchgeführt, weshalb die Ergebnisse sich oft nicht auf den menschlichen, dreidimensionalen Organismus übertragen lassen.

Mit der Technologie von Upnano können sterile 3D-Strukturen in herkömmlichen Zellkultur- oder Mikrotiterplatten gefertigt werden. Die Zellen können in das Druckmaterial eingemischt und direkt verdruckt oder auf steril vorgefertigten Strukturen angesiedelt werden. Die komplexen Strukturen spiegeln die natürliche Mikroumgebung der Zelle wider und beeinflussen so ihr Verhalten. Bettet man Zellen vollständig in Material ein, muss dieses zudem durchlässig für Nährstoffe sein, um das Überleben und die Vermehrung der Zellen sicher zu stellen.

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