AUSGEBUCHT - Wie man mit 3D Biodruckern lebendes Gewebe baut

Das 3D Biodruck Labor der Medizinischen Universität Innsbruck ist das einzige Forschungslabor in ganz Österreich, das sich mit dem 3D Druck von lebendem Gewebe beschäftigt. Zum Forschungslabor gehört auch ein Rapid Prototyping Bereich, in dem wir Bauteile und Geräte für den 3D Biodruck selbst herstellen, sowie ein Molekularbiologie- und ein Zellkulturlabor. Unsere Forschungsinteressen liegen seit vielen Jahren im Bereich kindlicher Krebserkrankungen und haben das Ziel, neue Medikamente an 3D biogedrucktem künstlichem Gewebe bzw. künstlichem Tumorgewebe zu testen, ohne dass man dafür Tierexperimente machen muss. Zu diesem Zweck haben wir verschiedene Geräte selbst entwickelt bzw. setzen in Österreich einzigartige 3D Biodrucker ein.

3D Biodrucker und durch Elektrospinning hergestellte Membranen eröffnen für mikrobiologische und medizinische Forschungsfragen und Experimente unheimlich vielversprechende und innovative Möglichkeiten:

Beim Elektrospinning werden Bindegewebsproteine in einem organischen Lösungsmittel gelöst und dann durch eine Nadel gepumpt. Indem man zwischen der Nadel und einer wenige Zentimeter entfernten Metallplatte Hochspannung anlegt, tropft die Lösung nicht an der Nadelspitze heraus, der Tropfen wird stattdessen durch das elektrische Feld in die Länge gezogen und an seiner Spitze werden ultrafeine Protein-Fasern mit einem Durchmesser von ca. 100-200 nm herausgerissen, die dann auf der Kollektorplatte ein feines, papierartiges Gewebe aus z.B. Gelatine bilden. Auf und in diesen Membranen kann man dann verschiedenste Zelltypen züchten und damit lebende Membranen herstellen.

In 3D Biodruckern wird statt Druckertinte oder Plastik eine sogenannte Bioink verwendet, die Bindegewebsproteine und spezielle Substanzen enthält, damit diese Biotinte sofort nach Verlassen der Druckerdüse erstarrt. In diese Biotinte mischen wir unterschiedliche menschliche Zelltypen, z.B. Stammzellen und Gefäßzellen hinein, damit diese nach dem Drucken zusammen eine Struktur bilden können, die einem bestimmten menschlichen Gewebe, z.B. der Haut, entspricht. Kombiniert man die richtigen Zelltypen, Wachstumsfaktoren und Bindegewebsproteine, dann organisieren sich die Zellen selbst, d.h. sie bilden beispielsweise haarfeine Blutgefäße aus, oder es entsteht wie im Falle von künstlicher Haut eine Hornschicht an der Oberfläche. Durch den 3D Biodrucker kann man zusätzlich die Form dieser künstlichen Gewebe vorgeben, unterschiedliche Schichten mit unterschiedlichen Zelltypen kombinieren, eine Wunde simulieren oder auch feine Versorgungskanäle durch die Gewebeschichten drucken, damit diese dann mit Zellmedium durchströmt werden. Um diese 3D-gedruckten Gewebe richtig zu kultivieren, bauen wir auch selbst mikroprozessor-gesteuerte Geräte, die genau auf die benötigten Kultivierungsbedingungen abgestimmt sind. Die Bauteile dafür stellen wir mit FDM- und DLP-3D Druckern unseres Rapid Prototyping Labors her. Im Workshop beschäftigen wir uns mit 3D Biodruck von lebenden, fluoreszierenden Muskelzellen.

Wir geben eine Einführung über das Thema 3D Druck im Allgemeinen und über die Herausforderungen des 3D Biodruckens / Druckens von lebenden Zellen im Speziellen, sowie über das Thema Elektrospinning.

Anschließend wird die Gruppe in 3 Teams aufgeteilt und durchläuft folgende Stationen im Wechsel:

• Team 1 startet in der Zellkultur mit Muskelzellen (grün fluoreszierend, damit man sie im 3D gedruckten Gewebe wiederfindet) und sät Muskelzellen auf schon vorher elektrogesponnenen Membranen aus
• Team 2 beginnt mit dem 3D Druck von Muskelzellen in eine thermoreversible Gelatine Matrix
• Team 3 analysiert am live cell Fluoreszenzmikroskop schon vorbereitete gereifte Muskelringe bzw. Membranen und produziert dann „Gelatinepapier“ mittels Elektrospinning.

Erwünschte Vorkenntnisse:
Grundlegendes Wissen zum Thema GFP (green fluorescent protein), Fluoreszenzmikroskopie und menschliche Zellen