Biomedizinische Drucktechnologie

Aus technologischer Sicht steht ein umfangreich ausgestatteter Druckerpark, der Geräte, Anlagen und Systeme zum funktionalen und multidimensionalen Drucken beinhaltet, zur Verfügung. Die Infrastruktur umfasst sowohl labormaßstäbliche Anlagen zur Grundlagenforschung als auch vorindustrielle Produktionsmaschinen für die hochskalierbare Herstellung von Proben.

Das funktionale (2D-) Drucken basiert auf dem planaren Auftrag von Materialien mit besonderen elektrischen oder biochemischen Eigenschaften. Es wird beispielsweise zur Herstellung flexibler Elektronik oder Biosensoren eingesetzt. Beim multidimensionalen Druck (z.B. 3D-Druck) werden Werkstoffe wie Polymere oder Metalle gemäß einem virtuellen Modell schichtweise aufgetragen, um ein dreidimensionales Objekt zu erzeugen. Dieses Verfahren wird im Rahmen der biomedizinischen Drucktechnologie zur Herstellung von Prothesen, Orthesen und chirurgischen Werkzeugen genutzt. Das 3D-Biodrucken (3D-Bioprinting) beschreibt eine Sonderform des 3D-Drucks, bei dem mit lebenden Zellen beladene Hydrogele verarbeitet werden. Die gedruckten Strukturen werden im Nachgang in Bioreaktoren kultiviert, um zu biofunktionalem Gewebe heranzureifen. Die gewonnenen Gewebe können entweder als In-Vitro-Modelle für Wirkstoff- und Toxizitätsstudien eingesetzt oder in Zukunft als Gewebeimplantat zur Wiederherstellung und Funktionssteigerung geschädigter Organe genutzt werden.

Im Fokus der grundlagenwissenschaftlichen Forschung stehen die Modellierung und experimentelle Untersuchung unterschiedlicher Mechanismen und Phänomene für den Transport von Biomaterialien und deren Interaktion mit lebenden Zellen. Eine besondere Herausforderung ergibt sich hierbei aus dem parallelen Drucken von multifunktionalen Materialkompositen mit unterschiedlichen physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften. Darüber hinaus stellt die Untersuchung von rheologischen Mechanismen und der fluidmechanischen Interaktion von lebenden Zellen, viskoelastischen Materialien und Fluiden während der drucktechnischen Verarbeitung sowie während der statischen und dynamischen Kultur in Bioreaktoren oder mikrofluidischen Chips einen wichtigen Forschungsaspekt dar.

Aus anwendungsorientierter Sicht fußt das Forschungsfeld auf vier Säulen, In-Vitro-Gewebemodelle, Biosensorik / Point-of-Care-Diagnostik, chirurgische Implantate / Prothesen / Werkzeuge und biogedruckter Gewebeersatz. Durch die synergetische Überlagerung der beschriebenen Technologien, Grundlagenforschung und Anwendungsfelder ergeben sich drei Leitthemen, die als Leuchtturmprojekte fungieren und die langfristige Forschungsvision skizzieren.

• Das Leitthema Intelligente Prothesen vereint 3D-gedruckte Prothesen mit elektro- und biochemischer Sensorik. Die Sensorik soll die Online-Überwachung der Prothesenfunktion und ihrer mechanobiologischen Beanspruchung (Überlastung, Infektionen, etc.) nach Implantation ermöglichen.
• Biogedruckten Geweben (z. B. Knochen oder Blutgefäße) mangelt es häufig an mechanischer Stabilität, wodurch ihr Einsatz als Implantat gefährdet ist. Das Leitthema Biohybride Implantate setzt an dieser Schwachstelle an. Durch gezielte Integration 3D-gedruckter Verstärkungselemente sollen Gewebeimplantate erforscht werden, die für die Implantation geeignet sind
• Das Leitthema Organs-on-a-Chip umfasst die Verbindung elektrischer, sowie bio-chemischer Sensorik und Aktorik mit 3D-biogedruckten Gewebemodelle auf mikrofluidischen Chips. Ziel ist es, Gewebemodelle zu generieren, deren Funktion gezielt gesteuert und online gemessen werden kann.