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 Bereich von (wenigen) Mikrometern bis Zentimeter
  • Steifigkeiten von 3D-Scaffolds (E-Modul, Systemsteifigkeit) können mit Hilfe einer Toolbox eingestellt und durch verschiedene methacrylierte Copolymere kombiniert werden (Lactid-Caprolacton, Kollagen-Hyaluronsäure und Alginat-Gelatine)
  • individuelle Funktionalisierung von Implantatoberflächen zur Erzielung osteointegrativer (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 Prozesse in systembiologischen Ansätzen (multivariate Datenanalyse und künstliche neuronaler Netze)

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

Mittels des Bioscaffolders (FDM) ist es möglich, hochviskose Polymere oder Thermoplaste zu verdrucken. Das Gerät besteht aus einem Probenareal, einer x-y-z-Positioniereinheit und 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-Modells 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 – rasterelektronenmikroskopische (REM) Aufnahme eines Scaffolds

    Die zweite Drucktechnologie, die 2PP, basiert auf dem Zweiphotoneneffekt. Das durch ein Objektiv fokussierte Laserlicht mit 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. Dadurch entsteht Ebene für Ebene ein 3D-Konstrukt. Bei der 2PP können diverse Parameter eingestellt werden, wodurch die mechanischen Eigenschaften, die Porosität und Porengröße der Scaffolds gezielt variiert 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 (links) – CAD- Modell (rechts oben) – rasterelektronenmikroskopische (REM) Aufnahme eines Scaffolds (rechts unten)

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

      • in der Medizin: als Implantate für die Unterstützung zellbasierter Therapien und 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
      • in der zellbasierten Biotechnologie