3D-Druck-Matrix Engineering

Die einzigartige Kombination zweier komplementärer 3D-Drucktechnologien (Fused Deposition Modeling [FDM] und 2-Photonen-Polymerisation [2PP]) ermöglicht die Herstellung von 3D-Trägerarchitekturen, die außerordentlich variabel an die Erfordernisse von Stammzellen und weiteren Zelltypen im 3D-Zellverbund anpassbar sind:

  • Nahezu unbegrenzte Möglichkeiten für die individuelle Makro- und Mikrostrukturierung eines 3D-Zellträgers (Scaffolds) im Größenbereich von wenigen Mikrometern bis in den Zentimeterbereich
  • Einstellung von Steifigkeiten von 3D-Scaffolds (E-Modulus, Systemsteifigkeit) mit Hilfe einer Toolbox aus einer Kombination geeigneter methacrylierter Copolymere (Lactid-Caprolacton, Kollagen-Hyaluronsäure und Alginat-Gelatine)
  • Individuelle Funktionalisierung von Implantatoberflächen zur Erzielungosteointegrativer (zeitlich und örtlich getriggerte Freisetzung von Zytokinen) und antimikrobieller/antiadhäsiver Eigenschaften (selbstorganisierende Monolayer auf Tetraetherlipidbasis mit superhydrophilen und polyzwitterionischen Funktionsmolekülen zum Aufbau einer stabilen Wasserbarriere)
  • Entwicklung von speziellen Lab-on-a-Chip-Plattformen mit integrierten 3D-Scaffolds
  • Numerische Simulation und Modellierung von dreidimensionalen Gewebestrukturen für die Beschreibung der komplexen und dynamischen Abläufe biologischer Prozessein systembiologischen Ansätzen (Einsatz multivariater Datenanalyse und künstlicher neuronaler Netze (High Performance Rechencluster)

Die für das 3D-Druck - Matrix Engineering zugrundeliegenden Techniken basieren auf Rapid Prototyping-Verfahren. Bei beiden Methoden erfolgt die Strukturgebung in einem Layer-by-Layer Verfahren anhand von CAD Modellen.

Mittels des Bioscaffolders (FDM) ist es möglich, hochviskose Polymere oder Thermoplastezu verdrucken. Das Gerät besteht aus einem Probenareal, einer x,-y-,z-Positioniereinheitsowie einem entsprechenden Druckkopf. Der Aufbau einer 3D-Struktur erfolgt z. B. durch Aufschmelzen eines Thermoplasts und Ablegen der Polymerstränge auf dem Probenareal. Anhand des eingeladenen CAD Models bewegt sich der Druckkopf in x-y- und z-Richtung, wobei im Layer-by-Layer Verfahren eine 3D-Struktur aufgebaut wird. Diese Methode ermöglicht Auflösungen von wenigen Mikrometern.

    Abbildung 1: Bioscaffolder der Firma Gesim, CAD-Modell, sowie rasterelektronenmikroskopische (REM) Aufnahme eines Scaffolds

    Die 2PP basiert auf dem Zweiphotoneneffekt. Das durch ein Objektiv fokussiertes Laserlicht geeigneter Wellenlänge und Intensität wird in ein photosensitives Polymer eingestrahlt. Durch den 2-Photoneneffekt findet eine radikalisch getriggerte Verfestigung des Polymers außchließlich im Fokusvolumen statt. Anhand eines eingeladenen CAD Modells erfolgt die Bewegung des Probentisches (x-y-Bewegung) durch den Laserfokus, wodurch Ebene für Ebene ein 3D-Konstrukt entsteht. Bei der 2PP können diverse Parameter eingestellt werden, wodurch die mechanischen Eigenschaften, die Porosität und Porengröße der Scaffolds gezielt variiert werden können und durch die Wahl der Polymere eine Bioresorption erreicht werden kann. Dieses Verfahren ermöglicht eine Auflösung im Nanometerbereich.

      Abbildung 2: Schematische Darstellung der 2-Photonenpolymerisation, CAD-Modell sowie rasterelektronenmikroskopische (REM) Aufnahme eines Scaffolds

      Mit Hilfe der 3D-Druck-Techniken stehen 3D-Biointerfaces zur Verfügung, die über Eigenschaften gewebenaher Matrices verfügen und eine physiologische Gewebe-Homöostase und -Regeneration gewährleisten. Die 3D-Träger sind für unterschiedliche Anwendungen geeignet:

      • in der Medizin als Implantate für die Unterstützung zellbasierter Therapien, als Scaffolds für das Disease Modeling, die Tumorforschung und das Tissue Engineering
      • in der Pharmazie als Tool für das gewebeanaloge Wirkstoffscreening in Verbindung mit mikrofluidischen Kultivierungslösungen und
      • in der zellbasierten Biotechnologie