3D-gedruckte Haut: Eine vielversprechende Alternative zu Tierversuchen in der Kosmetik

Die meisten Menschen denken nie an die Menge an Forschung und Tests, die in Alltagsgegenstände wie Kosmetika einfließen. Von der Erforschung und Entwicklung neuer Farbtöne und Farben bis hin zu Sicherheitstests ist die Kosmetikindustrie ein hochmoderner Sektor, der auf verschiedene Methoden zurückgreift, um die Sicherheit seiner Produkte zu gewährleisten. So versucht ein Ingenieurteam, Tierversuche auf dem Markt durch die Einführung von 3D‑gedruckter lebender Haut zu reduzieren.

Warum Tierversuche in der Kosmetikindustrie weiterhin eingesetzt werden

In der Vergangenheit waren Tierversuche die primäre Methode, mit der Kosmetik- oder Medizinforscher ihre Produkte an lebenden Lebewesen testen konnten. In den frühen Tagen waren diese Tests so einfach wie das Auftragen des Produkts auf das Tier und die Beobachtung des Verhaltens.

Im letzten Jahrhundert hat die Leistungsfähigkeit von Tierversuchen drastisch zugenommen. Forscher können menschliche Organe und andere wesentliche Körperteile an anderen lebenden Lebewesen züchten, um die Testgenauigkeit zu verbessern.

Zusätzlich ermöglicht fortschrittliches Computer‑Modelling Simulations‑Tests. Dieser Ansatz ist in den meisten Szenarien kostengünstiger, schneller und genauer als Tierversuche. Dennoch gibt es trotz dieser Fortschritte noch viele Kosmetik‑ und Medizinunternehmen, die auf Tierversuche mit ihren Produkten setzen.

Die ethischen und wissenschaftlichen Probleme von Tierversuchen

Es gibt offensichtliche ethische Probleme bei Tierversuchen. Einerseits gibt es eine lange Geschichte von Misshandlung und Grausamkeit gegenüber diesen Versuchstieren. Diese Bedenken erreichten 2010 einen Höhepunkt.

Damals führte die EU eine Reihe von Beschränkungen für Tierversuche ein, mit dem übergeordneten Ziel, die Praxis in den kommenden Jahren zu beenden. Glücklicherweise hat ein Team innovativer Ingenieure möglicherweise eine praktikable Lösung gefunden.

Wie 3D‑gedruckte Haut Tierversuche in Laboren ersetzen könnte

The study “Protocol for the fabrication of self-standing (nano)cellulose-based 3D scaffolds for tissue engineering“¹ untersucht eine neue 3D‑Druck‑Methode, die individuell angepasste Tinte mit proprietärer Drucktechnologie kombiniert, um lebende Imitationshaut zu erzeugen.

Diese künstlich gezogene Haut wird Ingenieuren in Zukunft ermöglichen, In‑vitro‑Tests durchzuführen, etwa die Messung von Absorption und Toxizität von Nanopartikeln aus Kosmetika und Medikamenten, ohne dabei tierische Versuchspersonen zu verwenden.

Verwendung von 3D‑Gerüsten zum Wachstum menschlicher Hautzellen für Tests

Forscher der Technischen Universität Graz (TU Graz) und des Vellore Institute of Technology (VIT) in Indien nutzen einen proprietären 3D‑Drucker und Komponenten, um poröse Gerüste aus nanocellulosebasierten Materialien herzustellen. Diese 3D‑Gerüste sind inzwischen ein kritischer Bestandteil der Testindustrie.

Was 3D‑gedruckte Haut zu einer brauchbaren Testplattform macht

3D‑Gerüste bieten gegenüber Alternativen beim Thema Tierversuche einige deutliche Vorteile. Erstens werden keine Tiere verletzt. Darüber hinaus können sie die extrazelluläre Matrix (ECM) exakt nachahmen. Diese Fähigkeit ermöglicht es Ingenieuren, verschiedene Zelltypen zu züchten, die sich so entwickeln, als befänden sie sich im Körper, wodurch Produkte und Behandlungen effektiv getestet werden können.

Im Gegensatz zu anderen Zellwachstums‑Methoden bietet 3D‑Gerüstung strukturelle Unterstützung und Anpassungsmöglichkeiten. Beispielsweise können Ingenieure die Porenstruktur, Biokompatibilität und weitere Schlüsseldetails anpassen, wie die Fähigkeit, die Adhäsion und Proliferation von Säugetierzellen zu unterstützen.

Das Team entschied sich, pflanzliche Ressourcen in ihren Ansatz zu integrieren. Sie wollten eine hohe mechanische Festigkeit und eine umfangreiche Oberfläche im Nanomaßstab erreichen. Nach umfangreicher Forschung stellten sie fest, dass die Kombination aus nanofibrillierter Cellulose (NFC), Carboxymethylcellulose (CMC) und Zitronensäure (CA) den gewünschten synergistischen Ansatz bieten würde.

3D‑Drucker und Werkzeuge zur Herstellung synthetischer Hautgerüste

Konkret wählte das Team einen BioScaffolder 3.1 3D‑Drucker mit einer angepassten Druckdüse. Die Ingenieure programmierten anschließend wichtige Parameter wie Druck und Fadenabstand mithilfe der GeSiM Robotics BS3.1/3.2‑Software. Dabei wurde der Ausgabedruck auf einen Bereich von 220 kPa–260 kPa eingestellt, der Fadenabstand auf 500 µm–900 µm und die Fadenhöhe auf 0,2 mm festgelegt.

Der Wissenschaftler wählte eine Druckgeschwindigkeit von 15 mm/s und einen Z‑Offset von 0,0 mm. Diese Strategie funktionierte gut mit dem hohen Wassergehalt des Hydrogels. Der hohe Wassergehalt schafft zudem ein ideales Umfeld für das Zellwachstum, erschwert jedoch den Druckvorgang.

Um der zusätzlichen Hydratation entgegenzuwirken, entwickelten die Ingenieure ein Cellulose‑Derivat mit Carboxylgruppen. Diese Chemikalie verbesserte die Wasserbindung und Haftung. Sie steigerte zudem die Wasserretention, Vernetzung, interfaciale Haftung und ionische Vernetzungsfähigkeit, wodurch sie ein ideales Additiv für Gewebe‑Engineering‑Konstrukte darstellt. Bemerkenswert ist, dass Zitronensäure als natürlicher Vernetzer und Verstärker kovalenter Bindungen wirkt, der die Gerüststruktur stabilisiert und gleichzeitig die Biokompatibilität erhält.

Gefriertrocknungsprozess zur Stabilisierung von 3D‑gedruckten Gerüsten

Gefriertrocknung war eine weitere Methode, um unerwünschte Hydratation im Hydrogel zu entfernen. Diese Methode ist ideal, da sie überschüssiges Wasser entfernt und gleichzeitig die poröse Struktur intakt lässt. Der plötzliche Temperaturabfall fördert zudem die Vernetzung von Carboxyl‑ und Hydroxylgruppen.

Quelle – Manisha Sonthalia – Vellore Institute of Technology

Nanocellulose‑basierte Bio‑Tinte: Zusammensetzung und Rolle beim Bioprinting

Ein Teil des neuen 3D‑Druck‑Ansatzes beruht auf der Verwendung von Nanocellulose‑Tinte. Diese Tinte kombiniert nanofibrillierte Cellulose (NFC), Carboxymethylcellulose (CMC) und Zitronensäure (CA). Die Zitronensäure fungiert als abschließender Bindungs­agent in der Lösung. Bemerkenswert ist, dass die Ingenieure vier Tintenvarianten für Tests entwickelten.

Wie 3D‑gedruckte Gerüste echte menschliche Haut nachahmen

Die aus optimiertem Hydrogel gefertigte 3D‑gedruckte Struktur weist viele Ähnlichkeiten mit menschlicher Haut auf. Beispielsweise hat sie dieselbe dreischichtige Struktur und lebende Zelltypen. Das Ausgangsmaterial kann jedoch so gestaltet werden, dass es eine Vielzahl von Hauttypen und -erkrankungen mit lebenden Zellen nachahmt. Außerdem besitzt es dieselbe Biomechanik wie menschliche Haut.

Hydrogele im Tissue Engineering: Unterstützung des Zellwachstums

Das Team begann mit der Herstellung eines speziellen Hydrogels, das in der Lage ist, mit lebenden Zellen zu interagieren und deren Wachstum zu kultivieren. Sie testeten mehrere Mischungen, bis sie eine fanden, die verbesserte mechanische Stabilität und Widerstandsfähigkeit gegen hydrolytische Degradation zeigte.

Bioprinting lebender Zellen für kosmetische und medizinische Tests

Die Ingenieure stellten fest, dass das 3D‑Drucken lebender Zellen über einen Zeitraum von drei Wochen in der Hydrogel‑Lösung wachsen, reifen und überleben kann, während das lebende Hautgewebe entsteht. Das Team erzielte das Wachstum lebender Zellen mittels Vernetzungsmethoden zur Stabilisierung. Bemerkenswert ist, dass keine gefährlichen zytotoxischen Chemikalien eingesetzt werden mussten. Zudem wurden die Nachbearbeitungsaufgaben reduziert.

Wie Gerüste neutralisiert werden für sicheres Zellkultivieren

Die Ingenieure nahmen das 3D‑Gerüst, beschichteten es mit Natriumhydroxid und spülten es anschließend gründlich aus. Dieser Schritt war entscheidend, um sicherzustellen, dass alle Restalkalien entfernt wurden. Zudem ist ein 60‑minütiges Einweichen erforderlich, um vollständige Neutralität zu gewährleisten.

Testen der Lebensfähigkeit von 3D‑gedruckten Hautstrukturen

Die Ingenieure führten mehrere Tests durch, um sicherzustellen, dass die gedruckten Zellen reifen und exakt sind. Das Team untersuchte zunächst das Zellwachstum und die Reifung. Insbesondere wollten sie feststellen, ob die Zellen exakt denen im Körper entsprechen oder ob detaillierte Unterschiede bestehen, die ihre Nutzung für Tests überflüssig machen würden.

Mechanische Stabilität und Biokompatibilität von 3D‑gedruckter Haut

Die Tests zeigten, dass die Struktur dank des proprietären Hydrogels robust und äußerst stabil ist. Die wichtigsten Erkenntnisse der neuen Druckmethode sind, dass die vernetzten Materialien nicht zytotoxisch und mechanisch stabil sind.

Zusätzlich wurde festgestellt, dass niedrigere Temperaturen sowie kürzere oder längere Vernetzungszeiten den Vernetzungsprozess beeinflussen. Forscher der TU Graz bemerkten, dass sie die Vernetzungsrate reduzieren können, um Änderungen der physikochemischen Eigenschaften des Gerüsts zu erzielen.

Vorteile von 3D‑gedruckter Haut zur Reduzierung von Tierversuchen

Diese Studie bringt mehrere Vorteile für den Markt. Erstens lässt sich leicht vorstellen, dass Tierversuche überflüssig werden. Es gibt keinen Grund mehr, an Tieren zu testen, wenn eine kostengünstigere und effektivere Methode existiert. Darüber hinaus sollten diese Daten Unternehmen dabei unterstützen, vom Tierversuch zur Nutzung von im Labor gezüchteten, 3D‑gedruckten lebenden Zellen zu wechseln.

Wann wird 3D‑gedruckte Haut in kosmetischen Tests eingesetzt werden?

Es gibt zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten dieser Technologie, die sowohl menschliche als auch tierische Leben retten könnten. Die offensichtliche Anwendung liegt im Bereich kosmetischer und medizinischer Tests. Der Einsatz von 3D‑gedruckter Haut wird Tierversuche in Zukunft zu einer weniger attraktiven Option machen.

Diese anpassbare Haut kann so hergestellt werden, dass sie eine Vielzahl von menschlichen Hauttypen und -regionen nachbildet. Damit bietet sie die ideale Testlösung für Forscher, die die Auswirkungen ihrer Produkte auf den Körper überwachen wollen. Auf diese Weise liefert das Material einen Einblick in das Rahmenwerk zur Entwicklung vielseitiger und nachhaltiger Biomaterialien für die regenerative Medizin.

Bioprinting im Weltraum: zukünftige Anwendungsfälle für die menschliche Gesundheit

Ein weiterer Anwendungsfall für diese fortschrittlichen Projekte zum Wachstum menschlicher Zellen besteht darin, die Reichweite interstellarer Entdecker zu erweitern. In Zukunft wird die Weltraumerkundung erfordern, dass Menschen von der Erde aus reisen und wahrscheinlich nie zurückkehren.

Im Rahmen ihrer Überlebensstrategie müssen sie in der Lage sein, Millionen von Meilen von zu Hause entfernt eine angemessene Gesundheitsversorgung zu gewährleisten. Der Einsatz eines 3D‑Druckers gilt als beste Lösung für dieses Problem. Zukünftige Astronauten könnten sich auf 3D‑gedruckte Organe, Haut und andere Körperkomponenten verlassen, um zu überleben, bis sie ihre Mission abschließen.

Der Einsatz von 3D‑gedruckter Haut für Tests könnte in den nächsten 3–5 Jahren beginnen, da eine starke Nachfrage nach dieser Technologie besteht. Das Ziel, vollständige Organe zu drucken, liegt jedoch noch 10–20 Jahre in der Zukunft, da sowohl wissenschaftliche, medizinische als auch rechtliche Aspekte der Technologie abgestimmt werden müssen.

Die Wissenschaftler hinter dem Durchbruch der 3D‑gedruckten Haut

Diese Studie wurde von einem Team innovativer Forscher der Technischen Universität Graz (TU Graz) und des Vellore Institute of Technology (VIT) in Indien geleitet. Konkret nennt der Artikel Tamilselvan Mohan, Matej Bračič, Doris Bračič, Florian Lackner, Chandran Nagaraj, Andreja Dobaj Štiglic, Rupert Kargl, Karin und Stana Kleinschek als Mitwirkende.

Was als Nächstes für 3D‑gedruckte Haut in medizinischen und kosmetischen Tests kommt

Jetzt wird das Team seinen Fokus darauf legen, das Hydrogel und das Tinten‑Design zu optimieren, um sie schneller, zuverlässiger und erschwinglicher zu machen. Sie werden zudem verschiedene Mischungen und Ansätze ausprobieren, um das optimale Gleichgewicht zwischen Kosten, Druckbarkeit, struktureller Integrität und biologischer Leistung zu finden.

Ein börsennotiertes Unternehmen, das Bioprinting‑Technologie vorantreibt

Im Bioprinting‑Sektor sind mehrere Unternehmen aktiv. Diese Firmen übernehmen unterschiedliche Aufgaben, von der Bereitstellung von Software zur Entwicklung fortschrittlicher 3D‑Druck‑Layouts bis hin zu Hardware‑ und Druckerherstellern. Jedes dieser Unternehmen spielt eine wesentliche Rolle auf dem Markt. Hier ist ein Unternehmen, das voraussichtlich auch in Zukunft zu den Spitzenreitern gehören wird.

3D Systems

Nur wenige Unternehmen besitzen im Bioprinting‑Sektor einen solchen Einfluss und Ruf wie 3D Systems (DDD ). Dieses Unternehmen wandte sich 2017 erstmals dem Bioprinting‑Sektor zu, nachdem es sich mit einem anderen Marktführer, United Therapeutics, zusammengeschlossen hatte. Seitdem spielt es eine entscheidende Rolle bei der Bereitstellung wichtiger Komponenten für den Markt, darunter Bio‑Tinten und weitere Hardware.

Heute spielt 3D Systems eine entscheidende Rolle im Bereich der Wirkstoffforschung und -entwicklung. Es gilt als eines der größten reinen 3D‑Druck‑Unternehmen nach Umsatz und Marktkapitalisierung. Darüber hinaus tätigt das Unternehmen weiterhin Akquisitionen, um seine Marktposition zu stärken. Konkret erwarb es das Bioprinting‑Unternehmen Allevi, wodurch seine technischen Fähigkeiten erweitert wurden.

Wer nach einer zuverlässigen und bewährten Bioprinting‑Aktie sucht, sollte weitere Recherchen zu 3D Systems anstellen. Das Unternehmen hat sich einen Ruf als Innovator gesichert und verfügt über ein großes Netzwerk von Partnern und Investoren, die seine Forschung unterstützen, einschließlich des Ziels, eines Tages komplette menschliche Organe zu züchten. Obwohl dieses Ziel noch einige Jahre entfernt sein mag, wird diese Forschung zweifellos dazu beitragen, den Prozess zu beschleunigen.

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3D‑gedruckte lebende Haut – Heilung trifft Technologie

Man muss der TU Graz und dem Vellore Institute of Technology in Indien für die Entwicklung ihrer 3D‑gedruckten Haut Anerkennung zollen. Diese verbesserte Methode könnte dazu beitragen, ein Zeitalter ohne Tierversuche und wirksamere Medikamente einzuleiten. Vorläufig sollte diese Studie als ein Hoffnungsschimmer für Tierschützer, medizinische Fachkräfte und die gesamte Kosmetikindustrie betrachtet werden.

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Studien zitiert:

^{1. Mohan, T., Bračič, M., Bračič, D., Lackner, F., Nagaraj, C., Dobaj Štiglic, A., Kargl, R., & Stana Kleinschek, K. (2025). Protokoll zur Herstellung selbsttragender (nano)cellulosebasierter 3D‑Gerüste für das Tissue Engineering. STAR Protocols, 6(2), 103583. https://doi.org/10.1016/j.xpro.2024.103583}