Additive Fertigung

Cellulose‑Bioinks treiben 3D‑Medikamentenabgabesysteme voran

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Cellulose wandelt sich von einem günstigen, niedrigtechnologischen Papierrohstoff zu einem wesentlichen Baustein der nächsten Generation nachhaltiger medizinischer Fertigung.

When it comes to medicine, natural products have been part of the pharmacopeia since the dawn of civilization, with plants often forming the basis of effective therapies before the invention of chemical drugs.

Ein Vorteil der Verwendung biologischer Verbindungen ist, dass sie tendenziell gut mit dem Körper eines Patienten interagieren. Das ist auch der Grund, warum lange Zeit Materialien wie Holz oder Elfenbein für einige Prothesen verwendet wurden.

In der modernen Zeit erforschen Wissenschaftler das Potenzial von Biomaterialien, erdölbasierte Polymere für medizinische Anwendungen zu ersetzen.

Eine aktuelle Veröffentlichung von Forschern der Gomal University (Pakistan) und der Jiangsu University (China) untersucht, wie Cellulose, eines der Moleküle, aus denen Holz besteht, zusammen mit dem 3D‑Druck verwendet werden könnte, um Bioinks zu erzeugen, die für die Medikamentenabgabe, den 3D‑Druck weicher Gewebe und die Wundheilung eingesetzt werden können.

They publish their results in the journal Next Materials1, under the title “From biomass to biofabrication: The role of cellulose in sustainable 3D-printed drug delivery system and tissue regeneration”.

Cellulose als das ultimative nachhaltige Biomaterial

Während Cellulose von Bäumen in besonders großen Mengen für die strukturellen Elemente von Holz produziert wird, ist sie in den meisten Pflanzen nahezu allgegenwärtig. Damit ist sie extrem nachhaltig, da sie buchstäblich durch Photosynthese aus dünner Luft (CO₂), Wasser und Sonnenlicht hergestellt wird. Deshalb ist sie auch recht günstig, wie die niedrigen Kosten von massenproduziertem Papier, das aus Cellulosefasern besteht, zeigen. Cellulose ist zudem biokompatibel und biologisch abbaubar.

Ein Polymer aus Glukose, Cellulose, kann ebenfalls im 3D‑Druck verarbeitet werden, was den Weg für zahlreiche neue Anwendungen im medizinischen Bereich eröffnet.

Quelle: ScienceFacts

In this study, the researchers explore the potential of 3D-printed cellulose for many applications:

  • Personalisierte Medikamentenabgabesysteme.
  • Gewebeengineering für neue Wege zur Reparatur beschädigter Organe und Gewebe.
  • Testen eines Medikaments in künstlichen, 3D-gedruckten Gewebemodellen, die die in-vivo-Umgebung nachbilden.

Dazu haben sie wissenschaftliche Artikel aus den Jahren 2015 bis 2025 überprüft, die Schlüsselwörter wie „cellulose“, „nanocellulose“, „bacterial cellulose“, „3D bioprinting“, „bioinks“, „drug delivery“, „tissue engineering“, „hydrogels“ und „stimuli-responsive biomaterials“ kombinierten.

Cellulose zu einem medizinischen Biomaterial machen

Manipulation von Cellulosekristallen

Cellulose kann in zwei Formen vorkommen, wobei die meisten Cellulosematerialien eine Mischung beider Molekülformen aufweisen:

  • Kristallin, das höhere Stabilität und mechanische Festigkeit aufweist.
  • Amorph, das weniger strukturiert ist und dadurch Interaktionen mit anderen Molekülen erleichtert.

Je nach beabsichtigter Wirkung können beide Formen von Cellulose für medizinische Anwendungen nützlich sein.

Stabilere kristalline Cellulose zeigt im vivo langsamere Abbauraten, was für Anwendungen nützlich ist, die langfristige mechanische Integrität erfordern, wie Gewebeengineering‑Gerüste, Wundverbände und nachhaltige Medikamentenabgabesysteme.

Amorphe Cellulose kann leichter enzymatischem Angriff und Feuchtigkeitsaufnahme ausgesetzt sein, was zu schnellerem Abbau und verbesserter Bioresorption für die Gewebeumgestaltung führt.

Damit wird die Vorbereitung der Cellulosestruktur gemäß den spezifischen Anforderungen einer Anwendung zu einem wesentlichen Teil jedes Prozesses, der sie für medizinische Zwecke nutzen möchte.

“Die Anpassung der Cellulosechemie und Mikrostruktur ist entscheidend, um die Stabilität von Gerüsten, Zellinteraktionen, therapeutische Freisetzungsprofile und die Gesamtleistung der Biofertigung in Anwendungen des Gewebeengineerings und der regenerativen Medizin zu optimieren.”

Cellulosebasierte Derivate

Neben reiner Cellulose haben auch andere aus Cellulose hergestellte Verbindungen medizinisches Potenzial. Zum Beispiel Carboxymethylcellulose (CMC), Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC), mikrokrystalline Cellulose (MCC) und Nanocellulose:

  • CMC wird als stabilisierender und verdickender Bestandteil in Medikamentenformulierungen verwendet.
  • HPMC wird zur Herstellung von kontrollierten Freisetzungsformulierungen eingesetzt, die Medikamente langsam an den Patienten abgeben.
  • MCC ist bekannt für seine hervorragenden Füll-, Zerstörungs- und Bindungseigenschaften bei der Formulierung von pharmazeutischen Tabletten.
  • Nanocellulose ist ein neues, wertvolles Material für Anwendungen im Gewebeengineering und bei der Medikamentenabgabe, dank seiner größeren Oberfläche.

In jedem Fall wird bakterielle Cellulose häufig gegenüber pflanzlicher Cellulose bevorzugt, da sie eine hohe Reinheit, mechanische Festigkeit, Wasserretention und Biokompatibilität aufweist. Sie kann als Gerüst für den 3D‑Bioprinting sowohl harter als auch weicher Gewebe, von Haut bis Herzmuskel, verwendet werden, da ihre mikroskopische Struktur die nanofasergliedrigen Strukturen der extrazellulären Matrix nachahmt, die die Geweberegeneration unterstützen.

Cellulose im 3D‑Bioprinting

Bioprinting‑Methoden

Das Bioprinting von Cellulose und Geweben mit einem Cellulosegerüst kann mit einer Vielzahl von Methoden durchgeführt werden, die jeweils besser für einen bestimmten Cellulose‑Typ geeignet sind.

Zum Beispiel sind CNF‑reiche Bioinks besonders kompatibel mit extrusionsbasiertem Bioprinting. Im Gegensatz dazu erfordert Inkjet‑Bioprinting eine Optimierung der Viskosität, um mit Cellulose‑Bioinks zu funktionieren.

Cellulose muss zudem nicht die einzige Zutat in Cellulose‑basierten Bioinks sein. Andere Biomaterialien können Teil der Mischung sein, um das Überleben der in den Bioink eingebrachten Zellen zu erhöhen.

“Das Hinzufügen von Cellulose‑Nanokristallen zu Bioinks auf Gelatin‑ und Alginate‑Basis verbesserte deren mechanische Eigenschaften und erhöhte die Zellviabilität, wodurch diese Mischungen für ein breites Spektrum von Anwendungen im Gewebeengineering geeignet sind.”

Anwendungen von Cellulose‑Bioinks

Dank seiner anpassbaren Struktur kann Cellulose eine hervorragende Lösung sein, um die Geschwindigkeit und Dauer der Medikamentenabgabe zu individualisieren.

“Aktuelle Entwicklungen in Verarbeitungstechniken, wie 3D‑Druck und Elektrospritzung, haben neue Möglichkeiten geschaffen, cellulosebasierte Medikamentenabgabegeräte mit verbesserten mechanischen Eigenschaften und anpassbaren Freisetzungsprofilen zu entwickeln.”

Für das Gewebeengineering schafft Cellulose ein wertvolles Gerüst, an dem Zellen anhaften, wachsen und neues gesundes Gewebe bilden können, da ihre poröse Beschaffenheit den Austausch von Nährstoffen und Abfallprodukten ermöglicht und gleichzeitig die Zelladhäsion und -proliferation fördert.

Zum Beispiel kann Cellulose verwendet werden, um die extrazelluläre Matrix in Haut‑ und Knorpelgerüsten zu simulieren, wodurch eine Plattform für Gewebeintegration und zelluläre Infiltration bereitgestellt wird. Sie kann auch bei der Herstellung künstlicher Gewebe aus im Labor kultivierten Zellen eingesetzt werden.

Diese Methode kann auf die Herstellung von „Organ‑on‑Chip‑Modellen“ ausgeweitet werden, einer Plattform für Medikamententests, die in vitro die Funktionsweise menschlicher Organe nachbildet.

Eine weitere Anwendung ist die Wundheilung. In Kombination mit Graphenoxid zeigt Cellulose bemerkenswerte antibakterielle Eigenschaften. Zusammen mit der Gerüstfunktion, die die Zellmigration und -proliferation verbessert, bedeutet dies, dass Cellulose‑Bioinks die Geweberegeneration unterstützen können, insbesondere für die Haut.

Zukünftige Verbesserungen

Zu den zukünftigen Verbesserungen kann die Verwendung von Cellulose als langlebigeres Gerüstmaterial gehören, zusammen mit einer „opferhaften Vorlage“.

“Opfermaterialien wie Gelatin, Pluronic F127 oder Kohlenhydratglas werden zusammen mit Cellulose‑enthaltenden Bioinks mitgedruckt und anschließend durch Temperaturänderung, Auflösung oder Waschprozesse entfernt. Diese konstruierten porösen Architekturen verbessern signifikant das Zellüberleben, die Gewebereifung und die Vaskularisierung in dicken biogedruckten Konstrukten.”

Ein entscheidender Faktor für die Skalierung jeder 3D‑Bioprinting‑Methode mit Cellulose‑Bioinks wird zudem die Schaffung einer großen und konsistenten Celluloseversorgung sein, die vorhersehbare und stabile Reinigungsanforderungen erfüllt, Sterilisationsherausforderungen adressiert und die mikroskopische Zusammensetzung sowie Gleichmäßigkeit beibehält.

Investitionen in Bioprinting

3D Systems

(DDD )

3D Systems ist ein führendes Unternehmen im 3D‑Druck, mit über 1.000 Patenten und der Fähigkeit, 130 Materialien zu 3D‑drucken, wobei täglich mehr als eine Million Teile produziert werden. Es ist eines der weltweit größten 3D‑Druckunternehmen neben Nano Dimension (NNDM ) nach einer Phase der Konsolidierung der Branche.

3D Systems zog früh in das Bioprinting im Jahr 2017 mit einer Forschungspartnerschaft mit United Therapeutics (UTHR) für 3D‑gedruckte Organe und Gewebe. Und es kündigte eine Zusammenarbeit mit CollPlant Biotechnologies (CLGN) im Jahr 2020 sowie die Übernahme des Bio‑Ink‑Herstellers Allevia im Jahr 2021 an.

Die Bioprinting‑Aktivität geht einher mit dem 3D‑Druck von Implantaten für Operationen, wobei insgesamt 3.000.000 serielle medizinische Komponenten produziert wurden, sowie maßgeschneiderte Zahnprothesen.

Bis Ende 2025 machte das Gesundheitssegment fast die Hälfte des Unternehmensumsatzes aus. Der andere Teil wird hauptsächlich durch industrielle Anwendungen getrieben, mit Fokus auf Metall‑3D‑Druck, insbesondere im Luft‑ und Raumfahrtsektor, für insgesamt 95,5 Mio. $ im ersten Quartal 2026.

Dank positivem EBITDA Anfang 2026 ist 3D Systems wahrscheinlich eine der „sichersten“ 3D‑Druck‑Aktien, als Marktführer im boomenden Metall‑3D‑Druck‑Segment und bereits fest im Gesundheitssegment etabliert, mit Potenzial, dass Bioinks und 3D‑Druck zu einem dritten Gewinnbereich ausbauen.

Studie referenziert

1 . Asma Ashgar, et al. From biomass to biofabrication: The role of cellulose in sustainable 3D-printed drug delivery systems and tissue regeneration. Next Materials. Volume 13, October D2026, 102601. https://doi.org/10.1016/j.nxmate.2026.102601

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Jonathan ist ein ehemaliger Biochemiker-Forscher, der in der genetischen Analyse und klinischen Studien tätig war. Er ist jetzt ein Börsenanalyst und Finanzautor mit Fokus auf Innovation, Marktzyklen und Geopolitik in seiner Publikation The Eurasian Century.