Additive Fertigung
3D-Druck von menschlichen Organen – Wie realistisch ist das?
Die Welt des 3D‑Drucks expandiert in einem deutlich schnellen Tempo. Schätzungen zufolge wird die globale Marktgröße des 3D‑Drucks — Produkte und Dienstleistungen — zwischen 2020 und 2026 dreimal wachsen. Im Jahr 2020 wurde der Markt mit US$12,6 Milliarden bewertet, bis 2026 könnte er auf über US$37 Milliarden anwachsen.
Der Aufschwung im Markt für Anwendungen wird stark unterstützt durch den Raum, in dem Innovationen stattfinden — sowohl auf institutioneller Ebene als auch bei Unternehmen. Große US‑Tech‑Firmen, zum Beispiel, sind im 3D‑Druck sehr aktiv — wie die Anzahl der seit 2010 veröffentlichten Patente zeigt. General Electric hat beispielsweise zwischen 2010 und 2019 342 Patente veröffentlicht.
Allerdings stand das Gebiet des 3D‑Drucks immer vor der entscheidenden Frage nach der Anwendbarkeit im realen Leben. Während es stets ein wissenschaftlich spannender und verlockender Bereich war, haben viele gefragt: „Wie realistisch ist das?“
Kürzlich zeigte ein erfolgreiches Experiment, wie real es potenziell sein könnte, als ein Forschungsteam der University of Virginia School of Engineering and Applied Science ein Template für die ersten Bausteine für menschlich kompatible Organe entwickelte, das auf Abruf gedruckt werden kann. Im folgenden Abschnitt betrachten wir das Experiment und seine Ergebnisse im Detail.
Biomaterialien mit kontrollierten mechanischen Eigenschaften, die denen verschiedener menschlicher Gewebe entsprechen
Das Experiment wurde von Liheng Cai und Jinchang Zhu geleitet. Liheng Cai ist Assistenzprofessor für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen sowie Chemieingenieurwesen, und Jinchang Zhu ist sein Ph.D.-Student.
Die von ihnen angewandte Bioprinting‑Methode heißt Digital Assembly of Spherical Particles (DASP). Diese Technik lagert Biomaterial‑Partikel in einer wasserbasierten Trägermatrix ab, um 3D‑Strukturen zu bauen, die ein förderliches Umfeld für das Zellwachstum bieten.
Bei der Veröffentlichung ihrer Ergebnisse in der Zeitschrift Nature Communications nannten die Wissenschaftler den Bericht ‘Voxelated bioprinting of modular double-network bio-ink droplets.’ Der Begriff Voxel stammt daher, dass der Druckprozess dem Aufbau von 3D‑Objekten durch „Voxels“ — die 3D‑Version von Pixeln — folgt.
Während er die Durchbruchserklärung ihres Forschungsbeitrags erläuterte, sagte Jinchang Zhu:
„Unsere neuen Hydrogel‑Partikel stellen das erste funktionale Voxel dar, das wir je hergestellt haben. Mit präziser Kontrolle über die mechanischen Eigenschaften könnte dieses Voxel als einer der Grundbausteine für zukünftige Druckkonstruktionen dienen.“
Um es für den durchschnittlichen Nutzer konkreter zu machen, hob Zhu die herausragenden Qualitäten ihrer Technik im Vergleich zu anderen Bioprinting‑Methoden hervor. Er betonte das Element „Kontrolle“ in ihrer Technologie, das es ermöglichte, Organoide zu drucken.
Diese Organoide waren nichts anderes als 3D‑zellbasierte Modelle, die als menschliche Gewebe funktionieren konnten. Sie könnten nutzen, um das Fortschreiten von Krankheiten zu untersuchen, während wir nach Heilungen suchen.
Ein großer Sprung im Vergleich zu bestehenden Bioprinting‑Technologien
Zhu bezeichnete ihre Innovation als einen „großen Sprung“ im Vergleich zu bestehenden Bioprinting‑Technologien, weil sie „robust und zellfreundlich“ sei. Die im Experiment verwendeten Polymer‑Hydrogel‑Partikel konnten menschliche Gewebe nachahmen, indem sie Anordnung und chemische Bindungen einzelner Molekül‑Monomere anpassten, die sich zu Ketten verbinden und Netzwerke bilden.
Im Vergleich zu anderen ähnlichen Lösungen erwies sich die von Cai und Zhu angebotene Lösung zudem als weniger toxisch und biokompatibler.
Das Team erzielte zudem bedeutende Verbesserungen bei der Nutzung des Bioprinters. Die von ihnen entworfene Mehrkanal‑Düse konnte Hydrogel‑Komponenten auf Abruf mischen. Sie half, das Problem des superschnellen Vernetzens zu lösen, das flüssige Tröpfchen innerhalb von 60 Sekunden in ein elastisches, wasseraufgeblähtes Gel verwandelte.
Die DASP‑Technik beseitigt dieses Engpass, indem sie große Tröpfchen aus einer schmalen, schnell bewegenden Düse in die Matrix ablegt und sie sofort suspendiert. Auf diese Weise löst sie ein Kernproblem der weichen Materie‑Wissenschaft und des 3D‑Bioprintings: die präzise Manipulation viskoelastischer Voxels. Beim Zusammenfassen des Erfolgs sagte Cai:
„Wir haben nun das Fundament für voxelbasiertes Bioprinting gelegt. Wenn es vollständig realisiert ist, werden die Anwendungen von DASP künstliche Organtransplantationen, Krankheits‑ und Gewebemodellierung sowie das Screening von Kandidaten für neue Medikamente umfassen. Und es wird wahrscheinlich nicht dort enden.“
Wie bereits gesehen, gibt es seit langem kontinuierliche Innovationen im Bereich des 3D‑Bioprintings. Daher ist es offensichtlich, dass viele renommierte Unternehmen diese Technologie übernommen haben. In den folgenden Abschnitten betrachten wir zwei Unternehmen, die diesen Bereich in der medizinischen Wissenschaft und der Gesundheitstechnologie unterstützen.
#1. Northwell Health
Das Unternehmen behauptet, „100 % darauf ausgerichtet zu sein, das erste Gesundheitssystem zu sein, das Ihre Heilung 3D‑druckt“. Eine der wichtigsten Interventionen von Northwell Health in diesem Bereich war im Bereich der Prothetik.
Das Unternehmen 3D‑druckte ein amphibisches Prothesen‑Glied. Die Lösung ist ein Fin, das dem Amputierten ermöglicht, ohne Wechsel der Prothese ins Wasser zu gehen und wieder herauszukommen.
Die Vorteile des Fins liegen in der Verwendung modernster Kohlefaser‑Materialien und der Nutzung einer ergonomischen Form, um langlebige und effiziente Bewegungen zu gewährleisten. Northwell nutzte kohlefaserverstärktes Nylon, um den Fin zu drucken, was Stärke und Flexibilität vereinte. Darüber hinaus machte seine Haltbarkeit ihn sowohl für den Einsatz an Land als auch im Wasser geeignet.
Der Fin wies einzigartige Materialdynamik auf. Er hatte konisch geformte Löcher, die die Menge des durchströmenden Wassers regulieren konnten. Das Design und die Anordnung der Löcher ermöglichten natürlichen Widerstand und Vortrieb im Wasser. Die Anzahl der Löcher war an die spezifischen Bedürfnisse des Amputierten anpassbar.
Northwell Health ist seit langem Vorreiter bei der Entwicklung von 3D‑gedruckten, detaillierten Modellen von Körperteilen, um Chirurgen bei der Operationsplanung zu unterstützen. Das Unternehmen erkannte das Potenzial des 3D‑Drucks, bevor er zu einem florierenden Trend wurde.
In einem Zitat aus dem Jahr 2018 sagte Todd Goldstein, Direktor des 3D Design and Innovation Center bei Northwell Health, das Folgende:
„Der Einsatz von 3D‑Druck in der Medizin ermöglicht es uns, die Anatomie der Patienten von einem Computerbildschirm zu nehmen und in die Hände des Arztes zu legen. Diese Technologie ist ein Wendepunkt für alle Beteiligten, da sie Ärzten ermöglicht, die Pathologie besser zu visualisieren, Patienten wirklich sehen lässt, welche Behandlung nötig ist, und präzisere, patientenspezifische Therapien in fast allen Fachgebieten ermöglicht.“
Im Jahr 2023 registrierte Northwell Health einen Umsatz von US$16,9 Milliarden und eine EBITDA‑Marge von 6,3 %.
#2. Psyonic
Ein weiteres Unternehmen, das in diesem Feld bemerkenswerte Arbeit leistet, ist Psyonic. Ability Hand, das Flaggschiff‑Produkt von Psyonic, ist die weltweit schnellste und erste berührungsempfindliche bionische Hand. Sie soll das Leben und die Mobilität wiederherstellen, wo sie vorher waren. PSYONIC nutzt 3D‑Druck, um effizient Prototypen zu erstellen, die Erschwinglichkeit und Zugänglichkeit zu erhöhen und die Haltbarkeit sowie die Stoßfestigkeit zu verbessern.
Psyonic hat den Wert seiner Lösung gesteigert, indem es Sensoren in die Fingerspitzen der bionischen Hand integriert hat, die Druck erkennen, wenn der Träger ein Objekt greift, und eine Vibration zum Arm senden, um dieses Gefühl zu kommunizieren.
Folglich kann der Handnutzer die Aktion spüren und mit den empfindlichsten Objekten mit Leichtigkeit, Komfort und Nahtlosigkeit arbeiten. Ihre Robustheit ermöglicht es, stumpfe Aufprallkräfte zu verkraften, ohne zu brechen. Sie ist zudem wasserabweisend und verfügt über verschiedene Griffmuster für den ganztägigen Gebrauch.
Ability Hand bietet insgesamt 32 Griffmuster, von denen 19 vordefiniert und nutzbar sind. Sie ist leicht, wiegt 490 Gramm. Sie ist multi‑artikuliert, wobei alle fünf Finger flexen und strecken können, und der Daumen lässt sich elektrisch und manuell drehen.
Sie kann in einer Stunde über USB‑C aufgeladen werden. Sie ist plattformübergreifend kompatibel und funktioniert mit den meisten Drittanbieter‑EMG‑Mustererkennungssystemen, EMG‑Direktsteuersystemen, linearen Wandlern und druckempfindlichen Widerständen.
Laut den neuesten verfügbaren Finanzinformationen hat die Crowdfunding‑Eigenkapitalkampagne von Psyonic bislang über 1 Million US‑$ eingeworben.
Anhand dieser Beispiele für 3D‑gedruckte menschliche Körperteile wird deutlich, dass das 3D‑Drucken menschlicher Organe in der Realität kein weit hergeholter Traum ist. Während wir bereits einen der bedeutendsten Durchbrüche in diesem Feld diskutiert haben, werden wir weitere relevante Forschungen untersuchen, um das enorme Potenzial der Zukunft zu verstehen.
Die Zukunft des 3D‑Drucks: So nah an der Realität wie möglich
Der Einsatz von Hydrogel ineffizient in der Herstellung von 3D‑gedruckten Organen hat eine gewisse Geschichte. Eine 2022‑Studie berichtete über ein Team unter Leitung von Professor Thomas Scheibel an der Universität Bayreuth, das erfolgreich ein „Bio‑Ink“ bzw. Hydrogel durch Mischen von Spinnenseide mit Maus‑Fibroblasten‑Zellen mittels 3D‑Druck herstellte.
Die Gele konnten sich schnell von einer Flüssigkeit in einen festen Zustand verwandeln, wenn sie durch den Druckkopf auf eine Extrusionsfläche flossen. Das Wissen wurde genutzt, um kardiales Muskelgewebe mithilfe von Spinnenseiden‑Gerüsten und Kardiomyozyten zu replizieren.
Ein 2023‑Bericht, der die Realität des 3D‑Drucks zur Replikation menschlicher Organe umfassend untersuchte, bezeichnete dies als „baldige Realität“. Er zitierte zahlreiche Beispiele, die eine vielversprechende Zukunft in allen wahrscheinlichen Implikationen anzeigen.
Zum Beispiel konnte im Jahr 2022 in San Antonio, Texas, Dr. Arturo Bonilla einem 20‑jährigen Mädchen, das ohne äußeres Ohr geboren wurde, ein äußeres Ohr implantieren, indem er das rechte Ohr exakt in Form und Größe des linken konstruierte. Dieser Fall war von großer Bedeutung, da er das erste Mal war, dass ein implantiertes Ohr das Produkt eines 3D‑Bioprinters war, das die Knorpelzellen der Frau nutzte.
Forscher aus Polen konnten ebenfalls einen funktionalen Prototyp einer Bauchspeicheldrüse mit stabilem Blutfluss drucken. Das Experiment wurde an Schweinen durchgeführt und zwei Wochen beobachtet. Gleichzeitig wurden Anstrengungen unternommen, die Techniken für menschliche Lungen anzupassen. Michal Wszola, der Erfinder der Bionic Pancreas, und United Therapeutics Corporation druckten ein menschliches Lungen‑Gerüst mit 4.000 Kilometern Kapillaren und 200 Millionen Alveolen (kleine Luftsäcke), die in Tiermodellen Sauerstoff austauschen konnten.
Die Wissenschaftler des Wake Forest Institute for Regenerative Medicine entwickelten ein mobiles Haut‑Bioprinting‑System. Sie glauben, dass es bald möglich sein wird, den Drucker direkt zum Krankenbett eines Patienten mit einer nicht heilenden Wunde, etwa einer Verbrennung, zu rollen, die Wunde zu scannen und zu vermessen und die Haut Schicht für Schicht direkt auf die Wundoberfläche zu drucken.
Professor Tal Dvir ist Direktor für Tissue Engineering und Regenerative Medicine an der Tel‑Aviv‑Universität in Israel. Er hat das Projekt eines 3D‑gedruckten „hasen‑großen“ Herzens geleitet, das Zellen, Kammern, die großen Blutgefäße und einen Herzschlag enthält. Während er über die Erfindung und ihr zukünftiges Potenzial sprach, sagte Dvir:
„Wir arbeiten jetzt an den Schrittmacher‑Zellen, den Vorhof‑Zellen und den Ventrikel‑Zellen. Es sieht gut aus. Ich glaube, das ist die Zukunft.“
Gesundheitsexperten glauben, dass die Fähigkeit der menschlichen Zivilisation, Organe zu 3D‑drucken, die Warteliste von 106.000 Personen für Organtransplantationen entlasten würde. Jeden Tag sterben 17 Patienten im Wartestand. Das 3D‑Drucken menschlicher Organe könnte viele Leben retten.
Laut Mark Skylar‑Scott, Assistenzprofessor der Abteilung für Bioengineering an der Stanford University:
„Das Feld hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten sehr schnell entwickelt, von gedruckten Blasen bis hin zu hochzelligen Geweben mit Gefäßen, die an eine Pumpe angeschlossen werden können — und komplexen 3D‑Modellen, die Herzkomponenten mit integrierten Herz‑Zellen ähneln.“
Es ist nun fast sicher, dass das 3D‑Drucken menschlicher Organe unsere Behandlungsverfahren und Pflegesysteme revolutionieren wird. Es muss jedoch einige Herausforderungen überwinden.
Zum Beispiel muss es stressresistenter sein. Produktion und Fertigung müssen inklusiver sein, was die Kompatibilität von Rohmaterialien betrifft. Es muss energieeffizienter werden, damit es schneller skaliert werden kann.
Es muss die flüchtigen organischen Verbindungen, die von 3D‑Druckern häufig emittiert werden und oft krebserregend und toxisch sind, beseitigen, da sie ernsthafte Gesundheitsprobleme wie Organschäden, Rachenreizungen und Übelkeit verursachen können. Schließlich muss es kosteneffektiv und erschwinglich sein, um einen großen Teil unserer unterversorgten Bevölkerung weltweit zu profitieren.
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