HU3DINKS: Expertenteam schafft Biotinten für 3D-Druck mit menschlichem Gewebe
3D-gedruckte Organe, kompatibel, jederzeit zugänglich und niemand kommt dabei zu Schaden: Das ist die Utopie der Medizinwelt. Utopien sollen aber kein Wunschdenken bleiben und deshalb arbeiten Wissenschaftler und Unternehmen auf der ganzen Welt daran, diese Vorstellungen Wirklichkeit werden zu lassen. Gemeinsam ist man bekannterweise stärker, deshalb sind Kollaborationen in diesem Gebiet besonders wünschenswert und zielführend. Ein neues Konsortium aus belgischen und österreichischen Partnern, will sich nun dafür einsetzen, im Bereich der Biomaterialien für den 3D-Druck entscheidende Fortschritte zu erzielen. Das Projekt Human Bio Inks For 3D Printing (HU3DINKS) wurde von IraSME (International research activities by small and medium-sized enterprises) gegründet und zielt darauf ab, durch die grenzüberschreitende Zusammenarbeit von Spezialfirmen und Forschungseinrichtungen, Materialien auf Basis von menschlichem Gewebe zu entwickeln. Unterstützt wird das Projekt außerdem von der österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) und der belgischen Agentur für Innovation und Unternehmertum Flandern (VLAIO).
Menschliches Gewebe weist eine komplexe Mixtur aus verschiedenen Bausteinen auf, zum Beispiel die extrazelluläre Matrix (ECM), Glycosaminoglycane und Polysaccaride. Das derzeit bekannteste ECM-Material ist Matrigel®, welches in einem ethisch fragwürdigen Prozess aus Maustumormodellen gewonnen wird und auch nicht hinreichend in klinischen Kontexten verwendet werden kann. Ziel des Konsortiums ist es daher, zunächst ein humanes Bioink-Portfolio zu erstellen, das ethisch korrekt und auf den Menschen angepasst ist und auch für den 3D-Druck geeignet ist. Denn das Biomaterial muss vor, während und nach dem Druckprozess am Leben bleiben.
Gebündeltes Fachwissen soll zu HU3DINKS-Erfolg führen
Durch das konzentrierte Know-How mehrerer Spezialisten aus verschiedenen Sparten sollen im Rahmen des HU3DINKS-Projekts nun bedeutende Fortschritte in der Entwicklung von Biotinten und deren Verwendung für den 3D-Druck gemacht werden. Das Wiener Unternehmen THT Biomaterials GmbH trägt so durch sein Fachwissen mit menschlicher Plazenta zum Konsortium bei. HUMAN PLACENTA und andere Produkte des Unternehmens werden ohne Tierversuche entwickelt und bilden die Grundlage neuer Biotinten. THT Biomaterials verschreibt sich dafür dem 3R-Prinzip für ethische Nutzung und Tierversuche:
- Replace – Alternativen Methoden einsetzen
- Reduce – Anzahl der Versuchstiere verringern
- Refinement – Schmerzen und Leiden von Versuchstieren in Laboren verringern
Dadurch soll menschliches Material für den Einsatz am Menschen, beziehungsweise in der Humanmedizin hergestellt werden. THT Biomaterials arbeitet auch mit verschiedenen 3D-Druckern, um Gewebe- und Organkonstrukte in größerem Maßstab herzustellen. Für jeden Drucker sind andere Technologien nötig, welche wiederum verschiedene Anforderungen an ein Biomaterial stellen. Aus diesem Grund ist auch BIO INX aus Ghent am Projekt HU3DINKS beteiligt. BIO INX ist ein Startup, das sich auf die Entwicklung von Biotinten für verschiedene Drucktechnologien spezialisiert hat. Das Substrat der HUMAN PLACENTA wird dank des Fachwissens von BIO INX neu formuliert oder angepasst, um das Biomaterial für verschiedene Technologien kompatibel zu machen. BIO INX liefert somit Biotinten für Extrusions-Verfahren (FDM), Multiphoton-Lithographie und SLA.
Auch entscheidend in der Anpassung der HUMAN PLACENTA-Substrate ist die Expertise des Unternehmens MorphoMed aus Wien, welches ebenfalls am Projekt HU3DINKS beteiligt ist. MorphoMed widmet sich der medizinischen Seidentechnologie und sorgt dafür, dass das flüssige HUMAN PLACENTA-Substrat mit seinen schlechten mechanischen Eigenschaften durch Seidenfasern verstärkt wird. Durch die patentierte Seidentechnologie des Unternehmens kann sich das körpereigene Funktionsgewebe regenerieren und wiederherstellen, was einen entscheidenden Mehrwert für zukünftige Bioinks liefert.
Neben fundiertem Wissen im Tissue Engineering sind auch umfassende Kenntnisse im Bereich Biodruck und Biodrucker notwendig. Diese bringt UpNano aus Wien mit ins Projekt. UpNano bietet derzeit mit dem NanoOne den schnellsten und genausten Drucker für die hochauflösende 2PP-Technologie (Zwei-Photonen-Polymerisation) an. UpNano trägt auch dazu bei, biokompatible und schwach fluoreszierende 2-Photonen-Photoinitiatoren zu entwickeln, die für den 3D-Druck von lebenden Zellen bedeutend sind. Abgesehen von den genannten Unternehmen ist auch das Ludwig Boltzmann Institut für Traumatologie in Zusammenarbeit mit AUVA beteiligt und sorgt für die biologische Validierung und die in-vitro Proof-Of-Concept-Anwendungen der neuen Biotinten. HU3DINKS wird noch bis Ende 2024 laufen und soll ein umfassendes Portfolio an humanen Biotinten bereitstellen, welche bedeutenden Einfluss auf die weiteren Entwicklungen in Biofabrikation und Bio-3D-Druck haben werden.
„Die Technologie hat enorme Leistungsfortschritte gemacht, wird aber derzeit vor allem durch das Fehlen von hochleistungsfähigen biologischen Materialien eingeschränkt. Das HU3DINKS-Projekt kann einen Paradigmenwechsel in diesem Bereich herbeiführen, indem es die menschliche zelluläre Umgebung sowohl in Bezug auf die Architektur als auch auf die Zusammensetzung nachahmt“, meint Markus Lunzer, Materialspezialist bei UpNano.
HU3DINKS will Anforderungen des 3D-Drucks in die Entwicklung von Biotinten miteinbeziehen
Derzeit bestehen Tinten für Bioprinting noch häufig aus Materialien, die auf tierischer Basis beruhen, wie Kollagen und Gelatine. Auch synthetische Polymere wurden aus tier-ethischen Gründen herangezogen, konnten aber der Komplexität von in-vivo-Situationen nicht standhalten und auch die Lücke zwischen in-vitro-Tests und Tiermodellen nicht schließen. Obwohl einige kommerzielle Materialien aus menschlichem Gewebe angeboten werden, können sie nicht durch hinreichende Bioaktivität und Eigenschaften für den 3D-Druck überzeugen. Es besteht daher eine dringende Nachfrage an Biotinten, die auf menschlichem Gewebe basieren und sich besser für den Menschen eignen. Diese Notwendigkeit wird gestützt durch die ethische Anforderung, Tierversuche zu vermeiden und tierfreie Alternativen zu finden.
HU3DINKS zielt vorrangig darauf ab, die Nachteile der derzeitig kommerziell verfügbaren Biomaterialen zu überwinden, indem hochleistungsfähige Biomaterialien auf Basis von menschlichem Gewebe entwickelt werden. Die Biotinten sollen zudem den Anforderungen an verschiedene Drucktechnologien gerecht werden und ein möglichst breites Spektrum an Einsatzmöglichkeiten im 3D-Druck abdecken. So sollen sie für Extrusion und hochauflösende Laser-Verfahren verwendet werden. Multiphotonen-Lithographie ist eine solche laserbasierte Technologie, die den 3D-Druck mit Auflösungen im Mikro- und Nanometer-Bereich ermöglicht. Durch die hohe Auflösung ahmt die Technologie die komplexe mikrozelluläre Architektur wirksam nach. Darüber hinaus ist 2PP eine der wenigen Methoden, die den direkten Druck auf mikrofluidische Chips ermöglichen und damit das Wirkstoffscreening vereinfachen. Biotinten sollen schließlich nicht nur für Gewebe-Transplantationen, sondern auch für tierversuchsfreie Tests, Arzneimittel-Screening und in der regenerativen Medizin eingesetzt werden können. Das Konsortium HU3DINKS arbeitet nun daran, Biomaterialien herzustellen, die all diesen Herausforderungen gewachsen sind.
Obwohl bereits Fortschritte im Bereich der Bioinks zu verzeichnen sind, soll man den Tag bekanntlich nicht vor dem Abend loben, hebt Jasper Van Hoorick, CEO von BIO INX, hervor: „Während noch viele Hürden überwunden werden müssen, um diese Anwendungen in die klinische Realität umzusetzen, bietet die Bioprinting-Technologie bereits Lösungen im Bereich der tierfreien Tests. Hier können die ‚menschlichen Materialien‘ einen großen Unterschied machen, um Bioprinting wirklich tierfrei zu machen.“ Mehr zum Projekt HU3DINKS finden Sie HIER.
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*Bildnachweise: BIO INX
