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Ventile dosieren Biotinten

Der nächste Schritt: Zellen aus dem Drucker

| Autor / Redakteur: Jürgen Prochno* / Marc Platthaus

Abb.3: Detail-Aufnahme der Ventile des 3D-Druckers
Abb.3: Detail-Aufnahme der Ventile des 3D-Druckers (Bild: Lee)

3D-Druck ist in aller Munde, schon für den Privatanwender gibt es mittlerweile erschwingliche Modelle. Wissenschaftler experimentieren derzeit auch mit lebendem Druckmaterial. Lesen Sie, wie präzise Dosierventile beim Druck von Zellen helfen.

Beinahe täglich überschlagen sich Meldungen zu neuen Einsatzmöglichkeiten von additiven Fertigungsverfahren (3D-Druck). Und dabei geht es nicht um Visionen: Bei weltweit rund zehn Milliarden Euro im Jahr liegt schon heute das Geschäft mit dem 3D-Druck, so eine im Juli vorgestellte Studie von Ernst & Young (Deutschland: rund eine Milliarde Euro). Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle. Doch mittlerweile sind es nicht nur tote Materialien, mit denen Ingenieure arbeiten. Forscher wollen den 3D-Druck auch zur Produktion von lebenden Produkten wie z.B. Zellen nutzen.

Tintenstrahltechnologie weiter entwickelt

Die schnell voranschreitende Entwicklung einer realisierbaren Tintenstrahltechnologie für hochspezialisierte Anwendungen, z.B. für den Druck von humanen Zellen, stößt weiterhin auf großes Interesse. Sollte sie erfolgreich sein, birgt diese Technologie für spezialisierte biologische Anwendungen, die generell als „Biofabrikation“ bekannt sind, das Potenzial, bei der Erprobung neuer Medikamente die seit langem bestehenden (und oft kontrovers diskutierten) Tierversuche zu ersetzen. Bis zur erfolgreichen Produktion von Zelldruckern auf der Basis von Ventilen zur Herstellung von Sphäroidaggregaten aus humanen embryonalen Stammzellen sind jedoch noch viele Herausforderungen zu bewältigen. Es müssen beispielsweise Drucktechnologien entwickelt werden, die nicht nur steuerbar sind, sondern sich auch weniger schädlich auf die Beibehaltung der Lebens- und Funktionsfähigkeit des humanen Zellgewebes auswirken.

Das Ergebnis der Pionierarbeit an der Edinburgh Heriot-Watt University zeigt sich vor allem in einem bereits weit fortgeschrittenen Zelldruckprojekt, das von den Merkmalen und Vorteilen der Miniatur-VHS-Dosierventile und Dosierblenden von Lee profitiert. Dr. Will Shu von der Biomedizinischen Microengineering-Gruppe der Universität und seine Kollegen, zu denen auch der Bioengineering-Doktorand Alan Faulkner-Jones gehört, haben mit Erfolg einen Bioprinter entwickelt, der bei der 3D-Printshow in London vorgestellt wurde. An der Entwicklung der Bioprints haben zudem Spezialisten von Roslin Cellab, einem führenden Unternehmen für Stammzellentechnologie, das im schottischen Midlothian angesiedelt ist, mitgearbeitet.

Wichtig: Druckprozess extrem schonend

Es wurde nachgewiesen, dass der Bioprinter auf der Basis von Ventilen in der Lage ist, äußerst tragfähige Zellen in programmierbaren Mustern aus zwei verschiedenen Biotinten mit unabhängiger Steuerung des Volumens jedes Tropfens (mit einem niedrigeren Grenzwert von 2 nL oder weniger als fünf Zellen pro Tropfen) zu drucken. Zur Herstellung von Sphäro­iden wurden humane embryonale Stammzellen eingesetzt, indem zwei entgegengesetzte Biotinte-Gradienten, einer der embryonalen Stammzellen im Medium und der andere nur des Mediums, überdruckt wurden.

Die resultierende Tropfenanordnung gleichmäßiger Größe mit einem Gradienten von Zellkonzentrationen wurde umgekehrt, damit sich die Zellen verbinden und mittels der Schwerkraft Sphäroide bilden können.

Die sich ergebenden Aggregate verfügen über kontrollierbare und wiederholbare Größen und können deshalb für spezifische Anwendungen nach Maß hergestellt werden. Sphäroide mit 5 bis 140 einzelnen Zellen ergaben Sphäroide mit einem Durchmesser von 0,25 bis 0,6 mm. Der Erfolg des Bioprinters weist darauf hin, dass ein Druckprozess auf der Basis von Ventilen schonend genug ist, um die Lebensfähigkeit der Stammzellen zu erhalten, und auch exakt genug ist, um Sphäroide mit einer gleichmäßigen Größe zu produzieren und die Pluripotenz der gedruckten Zellen aufrechtzuerhalten.

Ein genauerer Blick auf die Konstruktion der Bioprinterplattform zeigt zwei Dosiersysteme. Jedes Dosiersystem enthält ein Lee-VHS-Dosierventil im Nanoliterbereich mit einer teflonbeschichteten Lee-Minstac-Dosierblende (interner Durchmesser 101,6 µm), die von einem Arduino-Microcontroller gesteuert wird.

Jedes Dosiersystem ist an einen statischen Druckbehälter angeschlossen, damit die Biotintenlösung über einen Schlauch dosiert werden kann. Das Dosiersystem und die Biotintenbehälter sind auf dem Werkzeugkopf einer dreiachsigen 3D-Druckplattform im Mikrometerbereich (High-Z S-400, CNC Step) montiert und werden über einen individuell gefertigten CNC-Controller (basierend auf G540, Geckodrive) gesteuert.

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