Wissenschaftler entwickeln 3D-Drucker, der künstlichen Knorpel produziert

Ein neuer Hybriddrucker hat den Prozess der Herstellung von implantierbarem Knorpel vereinfacht, berichteten Forscher vom Wake Forest Institute für regenerative Medizin in der Zeitschrift Biofabrikation.
Die Autoren erklärten, dass sie beim Drucken von 3D-Gewebe einen großen Durchbruch erzielt haben. Mit ihrem System wird Knorpel "gedruckt".
Der Drucker wurde verwendet, um Knorpelkonstrukte herzustellen, die schließlich in bestimmte Bereiche von verletzten Patienten, wie zum Beispiel Gelenke, implantiert werden konnten, um den Knorpel nachwachsen zu lassen.
Sie entwickelten einen Druckerhybrid, der eine Kombination aus zwei kostengünstigen Herstellungstechniken darstellt:

• Eine Elektrospinnmaschine
• Ein Tintenstrahldrucker

Ihr Material ist stärker und härter als andere Arten von künstlichem Knorpel

Die Wissenschaftler sagten, dass sie durch die Kombination dieser beiden Systeme eine Struktur aus synthetischen und natürlichen Materialien aufbauen konnten. Während die natürlichen Gelmaterialien eine Umgebung bereitstellen, in der Zellen wachsen können, gewährleistet das synthetische Material die Stärke des Konstrukts.


Dieser Hybriddrucker wurde angepasst, um Knorpel zu drucken. Die Wissenschaftler hoffen, dass diese Art von Knorpel möglicherweise verletzten Patienten implantiert werden kann. Foto vom Institut für Physik (veröffentlicht in der Zeitschrift Biofabrication).Es gelang ihnen, in diesem Hybridsystem Knorpelkonstrukte herzustellen, die im Vergleich zu denen, die ein Tintenstrahldrucker nur mit Gelmaterial herstellen konnte, viel mechanisch stabiler waren.
Sie fanden auch, dass die Konstrukte ihre funktionellen Eigenschaften sowohl im Labor als auch in einem realen System beibehielten.
Die Elektrospinnmaschine verwendet einen elektrischen Strom, um extrem feine Fasern aus einer Polymerlösung zu erzeugen. Beim Elektrospinnen kann die Zusammensetzung der Polymere leicht kontrolliert werden, wodurch poröse Strukturen entstehen, die die Zellen in das umgebende Gewebe einbeziehen.
Co-Autor, James Yoo, M. D., Ph.D., sagte:

"Dies ist eine Proof-of-Concept-Studie und zeigt, dass eine Kombination von Materialien und Fertigungsmethoden langlebige implantierbare Konstrukte erzeugt. Andere Fertigungsverfahren wie Robotersysteme werden derzeit entwickelt, um die Produktion von implantierbaren Gewebekonstrukten weiter zu verbessern."

Flexible Matten, hergestellt aus elektrogesponnenem synthetischem Polymer, wurden mit einer Lösung von Knorpelzellen aus einem Kaninchenohr kombiniert. Die Matten wurden Schicht für Schicht mit den Knorpelzellen kombiniert, die mit einem herkömmlichen Tintenstrahldrucker aufgebracht wurden. Die Matten waren 0,4 mm dick und hatten eine Diagonale von 10 cm.
Sie messen ihre Stärke, indem sie sie mit unterschiedlichen Gewichten laden. Eine Woche später testeten sie, ob die Knorpelzellen noch am Leben waren.

Testen der Konstrukte in einem realen System

Die Wissenschaftler fügten die Konstrukte zwei, vier und acht Wochen lang in Mäuse ein, um zu bestimmen, wie gut sie in einem realen System funktionieren. Innerhalb von acht Wochen nach der Implantation hatten die Konstrukte die Strukturen und Eigenschaften entwickelt, die typischerweise in elastischem Knorpel gefunden werden, was ihr Potenzial für den Einsatz bei verletzten Menschen demonstriert.
Die Knorpelkonstrukte könnten schließlich klinisch unter Verwendung eines Bauplans aus einer MRI-Untersuchung eines Knies zum Beispiel verwendet werden, aus dem ein übereinstimmendes Konstrukt erzeugt werden könnte. "Eine sorgfältige Auswahl des Gerüstmaterials für das Konstrukt jedes Patienten würde es dem Implantat erlauben, mechanischen Kräften standzuhalten und gleichzeitig neuen Knorpel dazu zu bringen, den Defekt zu organisieren und zu füllen", fügten sie hinzu.

Engineering Knorpel aus pluripotenten Stammzellen

Forscher von Duke Medicine gelang es, Knorpel aus induzierten pluripotenten Stammzellen zu entwickeln, die für die Reparatur von Gewebe von Patienten mit Osteoarthritis oder Verletzungen gezüchtet und sortiert wurden.
Sie berichteten ihre Ergebnisse auf der Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften. Die Wissenschaftler fügten hinzu, dass iPS-Zellen (induzierte pluripotente Stammzellen) schließlich effektiv für Patienten mit spezifischen Verletzungen oder Defekten im Knorpelgewebe verwendet werden könnten.
Co-Autor, Farshid Guilak, PhD, sagte:

"Diese Technik, induzierte pluripotente Stammzellen zu erzeugen - eine Leistung, die mit dem diesjährigen Nobelpreis für Medizin für Shimya Yamanaka von der Universität Kyoto ausgezeichnet wurde - ist eine Möglichkeit, adulte Stammzellen zu übernehmen und sie so zu konvertieren, dass sie die Eigenschaften embryonaler Stammzellen haben."

Geschrieben von Christian Nordqvist