Bioprinting

Unter dem Begriff Bioprinting werden Verfahren zusammengefasst, die biologische Materialien wie Zellen, Biomoleküle und Gewebepräparationen oder biokompatible Materialien gezielt in eine dreidimensionale Struktur bringen, damit sie eine biologische Funktion erfüllen.

Während an den Fraunhofer-Instituten ILT, IFAM und am IPA beispielsweise am generativen Aufbau verbesserter orthopädischer Implantate und Orthesen aus Metallpulvern und Kunstsoffen gearbeitet wird, entwickelt das IGB sogenannte Biotinten aus biokompatibel Polymeren, biologischen Molekülen aus der natürlichen Gewebematrix und Zellen für die Rekonstruktion von biologischen Geweben.

Naturnahe, humane Gewebemodelle sollen in Zukunft aussagekräftige und individuelle diagnostische und pharmakologische Tests ermöglichen, Tierversuche vermeiden und irgendwann auch als implantierbarer, biologischer Gewebesatz zur Verfügung stehen.

Modifizierung von Biomolekülen und biokompatiblen Polymeren

Chemische Modifizierung biologischer Moleküle

Biologische Gewebe bestehen aus Zellen und einer extrazellulären Matrix, die von den Zellen gebildet wird. Die Gewebematrix besteht hauptsächlich aus stark wasserhaltigen Gelen aus Kollagen und Glykosaminoglykanen  wie beispielsweise Hyaluronsäure oder Chondroitinsulfat. Diese Biomoleküle wollen wir zur Modifizierung von Oberflächen und für den Aufbau von dreidimensionalen Gewebemodellen nutzbar machen.

Um die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Biomolekülen und Hydrogelen zu kontrollieren, koppeln wir chemische Funktionen wie vernetzbare Methacrylgruppen, Thiogruppen und Benzophenone an die Biopolymere und maskieren funktionelle Gruppen, die für das Gelieren der Materialien verantwortlich sind.

In Kooperation mit dem  IGVP der Universität Stuttgart entwickeln wir auch druck- und vernetzbare zellverträgliche Polyethylenglykole.

Druckbare Biotinten

Druckbare (Bio-)Polymerlösungen

Um Biomoleküle für Druckverfahren verfügbar zu machen, muss ihr Gelierverhalten kontrolliert werden. Durch die chemische Modifizierung können wir Biotinten mit und ohne Zellen an die unterschiedlichen Anforderungen von additiven Verfahren wie drop-on-demand Inkjet-Druck oder pneumatisches Dispensieren anpassen.

Hydrogele mit gewebeähnlichen Eigenschaften

Biopolymer-Hydrogele unterschiedlicher Zusammensetzung als Gewebematrices mit einstellbaren biologischen und mechanischen Eigenschaften

Die Gewebematrices unterschiedlicher Gewebe unterscheiden sich in ihrer Zusammensetzung und in ihren mechanischen und biologischen Eigenschaften. Wir setzen schwerpunktmäßig biologische Materialien ein um die Matrix unterschiedlicher Gewebe nachbilden zu können. Wir entwickeln gewebeähnliche Matrices für Gewebemodelle. Durch Kombination von Biomolekülen aus der natürlichen Gewebematrix und ihren chemisch modifizierten Verwandten erzeugen wir Hydrogele mit einstellbaren mechanischen und biologischen Eigenschaften.

Referenzprojekte

Druckbare 3D-Matrices zur Herstellung von künstlichem Knorpel

Eine vielversprechende therapeutische Behandlung ist die matrixassoziierte autologe Chondrozytentransplantation (MACT), bei der ein geeignetes Trägermaterial (Matrix) zunächst mit Knorpelzellen (Chondrozyten) des Patienten besiedelt und dann in den Knorpeldefekt implantiert wird.