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Ventile dosieren Biotinten Der nächste Schritt: Zellen aus dem Drucker

Autor / Redakteur: Jürgen Prochno* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

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.

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

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.

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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.

Es wurde ein (im Vergleich zu der Größe der gedruckten Zellen) relativ großer Düsendurchmesser ausgewählt, um die Schubspannung zu reduzieren, der die Zellen während des Dosiervorgangs ausgesetzt sein könnten. Die Biotintenbehälter wurden so nah wie möglich an die Ventile gesetzt, um den Zeitraum, der für die Befüllung des Systems mit Biotinte und das Ablassen der Biotinte nach der Beendigung des Experiments erforderlich ist, auf ein Mindestmaß zu verringern. Es ist auch ein USB-Mikroskop vorhanden, damit das Zielsubstrat während des Druckvorgangs visuell überprüft werden kann. Eine direkte Sichtverbindung durch die Düse ist wegen des verwendeten Ablagerungssystems nicht möglich. Deshalb wurde das USB-Mikroskop in einem versetzten Winkel zu dem Zellablagerungssystem installiert.

Dr. Will Shu von der Heriot-Watt University äußerte sich zur Entwicklung des Bioprinters und der wesentlichen Rolle der VHS-Steuerventile von Lee: „Das Drucken von lebenden Zellen stellt eine äußerst anspruchsvolle Herausforderung dar. Soweit wir wissen, wurden diese Zellen zum ersten Mal in 3D gedruckt.

Die Technik wird es uns ermöglichen, genauere humane Gewebemodelle herzustellen, die für die Entwicklung von In-Vitro-Medikamenten und Toxizitätsprüfungen wesentlich sind. Da die Wirkstoffentdeckung mehrheitlich auf menschliche Erkrankung abzielt, macht es Sinn, humanes Gewebe zu verwenden.“ Dr. Shu meinte weiter: „Die Entwicklung des Bioprinters war das Ergebnis jahrelanger Bemühungen, und wir sind sehr mit der Leistungsfähigkeit der VHS-Steuerventile von Lee zufrieden. Sie sind ein wichtiger Bestandteil des Druckkopfes des Bioprinters, und wir empfehlen sie auch unseren Kollegen, die an ähnlichen Projekten arbeiten.“

Dr. Shu fügte hinzu: „Wir würdigen auch die geleistete Hilfestellung und den Austausch mit unseren Kontaktpersonen bei Lee, die dazu beigetragen haben, dass wir die Herausforderungen dieses Projekts meistern konnten.“

Ventile für das Dosieren im Nanoliter-Bereich

Diese hochspezialisierte Anwendung ist ein hervorragendes Beispiel für die Leistungsfähigkeit der Produktpalette von VHS-Mikrodosier- und Steuerventilen von Lee, die ein präzises, wiederholbares, kontaktfreies Dosieren von Flüssigkeiten im Nanoliter- bis Mikroliterbereich ermöglichen. Die Ventile bieten eine Reihe von Portkonfigurationen, die einen schnellen und bequemen Anschluss an die 062-Minstac-Kupplungen und Schlauchverbindungen von Lee ermöglichen. Der 062-Minstac-Anschluss kann zusammen mit den 062-Minstac-Schläuchen oder Atomisierungsdüsen von Lee eingesetzt werden. Außerdem sind maßgeschneiderte Konfigurationen und Spannungen für spezifische Anwendungen verfügbar. n

* J. Prochno: Lee GmbH, 65843 Sulzbach

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