Menschliche Gewebe aus dem Drucker: Ergebnisse des Projekts 3D-Bio-Net sind zukunftsweisend

In dem Projekt 3D–Bio–Net forschten und entwickelten in den letzten drei Jahren neun Partner aus Industrie und Forschung. Das Herzstück des Projektes ist die Entwicklung eines 3D-Bioprinter-Prototyps, der das Drucken funktionaler menschlicher Gewebe mit Blutgefässen ermöglicht und dabei innovative Softwarekonzepte nutzt. Weiterhin wurde eine umfassende generische Plattform für das dreidimensionale Drucken menschlicher Zellen und Gewebe etabliert, die Materialien, Prozesse, Hard- und Software und Testsysteme für z.B. Medikamente umfasst sowie regulatorische Anforderungen berücksichtigt.
Um solche komplexen Vorhaben realisieren zu können, müssen Biologie, Medizin, Materialwissenschaften, Informatik und Mikrosystemtechnik eng zusammenarbeiten. Die hohe Komplexität und Interdisziplinarität des Vorhabens spiegelt sich auch in der Zusammensetzung der Projektpartner wider: In dem Verbund arbeiteten sowohl hochspezialisierte mittelständische Unternehmen, innovative Start-Ups als auch exzellente Forschungsinstitute, Universitäten und Universitätskliniken, die sowohl Grundlagenforschung als auch angewandte und klinische Forschung betreiben.

Knochen aus dem Drucker
Eines der vielen erfolgreichen Projektergebnisse ist der gelungene Druck von Knochenkonstrukten, die vital und durchblutet in der Gewebeersatzforschung zum Einsatz kommen können. Weiterhin wurden funktionale Miniatur-Organmodelle für die Niere und Blut-Hirn-Schranke entwickelt (sogenannte Organ-on-Chip-Systeme), die zukünftig in der Wirkstoffforschung Tierversuche verzichtbar und die Entwicklung von Medikamenten sicherer und schneller machen.

Die zukunftsweisenden Erkenntnisse aus dem Projekt werden in weiteren Forschungs- und Entwicklungsprojekten fortgesetzt.

Beteiligte Partner
Biofluidix GmbH, Freiburg (Hardwareentwicklung), Cellgenix GmbH, Freiburg (regulatorische Anforderungen), ibidi GmbH, Gräfelfing (Perfusionsplattform und mikrofluidische Chips), infoteam Software AG, Bubenreuth (Softwareentwicklung), Kunststoff-Institut Südwest GmbH & Co. KG, Villingen-Schwenningen (Charakterisierung von Kunststoffen), vasQlab am Karlsruher Institut für Technologie, Karlsruhe (Biotinten).
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Institut für Mikrosystemtechnik IMTEK (Prozessentwicklung), Klinik für Plastische und Handchirurgie am Universitätsklinikum Freiburg (Gewebekonstrukte Knochen und Knorpel), Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen NMI (“Organ-on-Chip”-Anwendungen). Der Spitzencluster microTEC Südwest koordinierte das Projekt über die gesamte Projektlaufzeit.

Das Projekt 3D-Bio-Net (FKZ 03VNE1034) wurde von 2017-2020 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) in der Förderlinie KMU-NetC gefördet. Weitere Informationen finden Interessierte auf der Projektseite unter www.3d–bio–net.de sowie im Imagefilm auf youtube.

Hintergrund Bioprinting / 3D-Bio-Druck
Der konventionelle 3D-Druck, auch häufig als additive Fertigung bezeichnet, verwendet in erster Linie Kunststoffe, aber auch Metalle als Ausgangsmaterialien, die im Druckprozess Schicht für Schicht zu einer dreidimensionalen Struktur zusammengesetzt, d.h. gedruckt werden. Im 3D-Bioprinting ist der Ansatz dreidimensionale Strukturen zu drucken derselbe, nur mit dem Unterschied, dass lebende Gewebe hergestellt werden sollen. Daher werden als Ausgangsmaterial sogenannte „Bio-Tinten“ verwendet, die aus biokompatiblen Materialien und lebenden funktionalen Zellen bestehen. Dabei werden die Zellen, oftmals eingebettet in Hydrogele, auf sogenannte Scaffolds, d.h. Gerüststrukturen aus biokompatiblen Kunststoffen (Polymeren), gedruckt. Die so platzierten Zellen fusionieren zu funktionalen dreidimensionalen Gewebekonstrukten und können in verschiedenen Anwendungen zum Einsatz kommen, z.B. als Gewebeersatz in klinischen Anwendungen oder für die Entwicklung und Testung von Medikamenten in sogenannten Organ-on-Chip-Systemen unter weitgehender Vermeidung von Tierversuchen. Das 3D-Bioprinting ist eine der Zukunfts-Technologien, die Medizin und pharmazeutische Forschung fundamental verändern können. Eine große Herausforderung besteht in der hohen Komplexität dieser Methode: Beim Drucken von lebendem Gewebe und (Mikro-) Organmodellen müssen eine große Vielfalt von lebenden Zellen, verschiedene Biomaterialien wie z.B. Hydrogele oder Biopolymere sowie eine Vielzahl verschiedener Verarbeitungs- und Druckverfahren verwendet und beherrscht werden. Ein wesentlicher Bestandteil im Prozess ist auch die Berücksichtigung strenger regulatorischer Anforderungen für klinische Anwendungen. Das Projekt 3D-Bio-Net befasste sich mit der Gesamtheit dieser Herausforderungen.