Das HU3DINKS-Projekt bringt Expertenunternehmen für die Entwicklung von menschlicher 3D-Druck-Tinte zusammen

Drucken von Strukturen mit der menschlichen Tinte. (Alle Bilder: BIO INX)

Derzeit werden die meisten Biotinten aus nichtmenschlichen Materialien (tierischer Basis, z. B. Kollagen oder Gelatine) gewonnen. Im Gegensatz dazu zielt das aktuelle IraSME-Forschungsprojekt „Humane Bioinks für den 3D-Druck“ ( HU3DINKS ) darauf ab, dieses Feld voranzutreiben, indem es auf menschlichem Gewebe basierende Bioinks für mehrere 3D-Biodrucktechnologien entwickelt. Die im 3D-Biodruck am häufigsten verwendeten Materialien stammen immer noch aus tierischen Quellen wie Gelatine oder Kollagen. Daher besteht ein großer Bedarf an tierversuchsfreien Alternativen, nicht nur um Tierversuche zu ersetzen, sondern auch um Prozesse und Bedingungen im menschlichen Gewebe besser nachzubilden. In diesem Zusammenhang wurden auch synthetische Polymere erforscht, und obwohl mehrere dieser Materialien sicher im menschlichen Körper verwendet werden können, stellen diese synthetischen Optionen eine übermäßige Vereinfachung der komplexen natürlichen Situation in vivo dar und schließen die Lücke zwischen den derzeitigen vitro-Tests und Tiermodelle nicht vollständig.

Das HU3DINKS-Projekt zielt darauf ab, diese Einschränkungen durch die Entwicklung leistungsstarker Biotinten auf menschlicher Gewebebasis zu überwinden, die für verschiedene 3D-Biodrucktechnologien geeignet sind, darunter Extrusionsdruck und hochauflösender laserbasierter Druck. Obwohl bereits kommerziell erhältliche Materialien aus menschlichem Gewebe auf dem Markt erhältlich sind, sind ihre Bioaktivität und Druckleistung nach wie vor dürftig. Daher zielt das HU3DINKS-Konsortium darauf ab, kommerziell erhältliche Materialien aus menschlichem Gewebe in Biotinten umzuwandeln, die auf einfache Weise gedruckt werden können.

Zukünftige Anwendungen der Biofabrikation umfassen die Regeneration menschlichen Gewebes und den „Organdruck“. „Obwohl noch viele Hürden zu überwinden sind, um diese Anwendungen in die klinische Realität umzusetzen, bietet die Bioprinting-Technologie bereits Lösungen im Bereich tierversuchsfreier Tests. Hier können die „menschlichen 3D-Tinten“ einen großen Unterschied machen, um Bioprinting wirklich tierversuchsfrei zu machen“, sagt Jasper Van Hoorick, CEO von BIO INX.

Hochauflösende 2PP-gedruckte Strukturen in Gegenwart lebender Zellen.

Tierfreier 3D-Biodruck

Dadurch können Medikamente oder Kosmetika an 3D-gedruckten menschlichen Gewebemodellen getestet werden, die im Vergleich zu herkömmlichen 2D-Zellkulturtechniken eine bessere Nachahmung nativer 3D-Gewebe darstellen. Dieser Ansatz steht im Einklang mit dem 3R-Prinzip der Reduzierung, Ersetzung und Veredelung von Tieren, die für wissenschaftliche Zwecke verwendet werden (3R-Richtlinie 2010/63/EU).

Um dieses Ziel zu erreichen, kann insbesondere das hochauflösende Bioprinting auf Basis der 2-Photonen-Polymerisation (2PP) von entscheidender Bedeutung sein, um das Gebiet auf die nächste Ebene zu heben, da es die einzige Technologie ist, die das Drucken mit subzellulärer Auflösung ermöglicht und damit die Nachahmung komplizierter mikrozellulärer Architektur ermöglicht. Es ist außerdem eine der wenigen Technologien, die das direkte Drucken in Mikrofluidik-Chips ermöglicht, um ein unkompliziertes Arzneimittelscreening zu ermöglichen. „Die Technologie hat einige enorme Leistungsfortschritte gemacht, wird jedoch heute hauptsächlich durch das Fehlen leistungsstarker biologischer Materialien eingeschränkt. Das HU3DINKS-Projekt kann einen Paradigmenwechsel auf diesem Gebiet herbeiführen, indem es die menschliche Zellumgebung sowohl hinsichtlich der Architektur als auch der Zusammensetzung wirklich nachahmt“, erklärt Markus Lunzer, Materialspezialist bei UpNano.

Das Projekt wurde im Rahmen der Initiative „International Research Activities by Small and Medium-sized Enterprises“ (IraSME) gefördert, die darauf abzielt, grenzüberschreitende Kooperationen zwischen Mitgliedsländern zu fördern. Das HU3DINKS-Konsortium vereint Partner mit einer einzigartigen komplementären Expertise aus Belgien (gefördert durch VLAIO) und Österreich (gefördert durch FFG). THT Biomaterials (Wien, Österreich) wird mit seinem einzigartigen Fachwissen über aus menschlicher Plazenta gewonnene Materialien beitragen. BIO INX (Gent, Belgien) ist Experte auf dem Gebiet der Entwicklung von Biotinten für verschiedene Drucktechnologien und verantwortlich für die Umwandlung der aus menschlicher Plazenta gewonnenen Materialien von THT Biomaterials in gebrauchsfertige, druckbare Formulierungen für verschiedene Drucktechnologien. Das Projekt wird auch von Morphomed (Wien, Österreich) und ihrer medizinischen Seidentechnologie unterstützt sowie von UpNano (Wien, Österreich), Spezialisten für die Entwicklung hochauflösender 2PP (Bio)-Bio-3D-Drucktechnologien. Darüber hinaus wird das Ludwig Boltzmann Institut für Traumatologie (das Forschungszentrum in Zusammenarbeit mit der AUVA) für die biologische Validierung der neu entwickelten Bioinks verantwortlich sein.

Mikrovaskuläre Struktur, gedruckt mit einer aus Human Placenta Substrat® gewonnenen Bio-Tinte.

Der 2-Photonen-Polymerisations-Druck

UpNano ist ein in Wien (Österreich) ansässiges Hightech-Unternehmen mit dem Schwerpunkt auf der Entwicklung, Herstellung und Vermarktung hochauflösender 3D-Drucker. Die Systeme basieren auf der 2-Photonen-Polymerisation (2PP) und bieten branchenführende Geschwindigkeit und Auflösung bis hinunter zu 0,2 µm. UpNano ist bestrebt, seinen Kunden ein ganzheitliches Paket aus Hardware, Software und optimierten Druckmaterialien für die Herstellung polymerer Mikroteile sowie die einzigartige Möglichkeit des Bioprintings in einer nativen Zellumgebung anzubieten. Mit der hochmodernen Technologie von UpNano ist es möglich, Objekte mit Größen im Submikrometer- bis Zentimeterbereich und bis zu 40 mm Höhe zu drucken – und das in einer noch nie dagewesenen Zeit und Präzision.

UpNano wurde im September 2018 als Spin-off der TU Wien gegründet und hat sich seitdem zu einem etablierten Anbieter von 3D-Drucksystemen für Forschungseinrichtungen, Universitäten und Unternehmen weltweit entwickelt.

Konsortialpartner

BIO INX® Ludwig Boltzmann Institut für Traumatologie THT Biomaterials GmbH Morphomed GmbH