Ein spezieller 3D-Drucker, der computergesteuert mit Techniken des sogenannten «Tissue Engineering» Gewebe und zukünftig vielleicht gar ganze Organe herstellt, könnte die Welt ein wenig besser machen. Dank 3D-gedruckten Organen wären Wartelisten für Organtransplantationen und Abstossungsreaktionen von transplantierten Organen Geschichte. Doch bis dahin ist noch ein weiter Weg. Für Forschungs- und Testlabore liefert das Bioprinting bereits heute einen hohen Mehrwert: Krankheitsbilder und die Wirkung von Medikamenten können schon bald direkt an künstlichem menschlichen Gewebe untersucht werden. Tierversuche können damit reduziert werden.

So funktioniert Bioprinting
Für das Bioprinting werden Stammzellen oder Zellen, direkt vom Patienten isoliert, benötigt. Die Zellen werden in einer geeigneten Nährlösung vermehrt, um die hohe Zellzahl, die für das Printen gebraucht wird, zu erhalten. Ist genügend Zellmaterial vorhanden, wird dieses mit einem druckbaren Biomaterial, auch Biotinte genannt, in eine Patrone für den 3D-Bioprinter gefüllt. Schicht um Schicht wird nun das Gewebe in der gewünschten Form gedruckt. Für Gewebe mit einfachem Aufbau wie Knorpel, Knochen und Muskelgewebe funktioniert Bioprinting bereits heute gut. Komplizierter ist jedoch der Druck von ganzen Organen. Hierfür müssten sehr viele verschiedene Zelltypen gezüchtet und anschliessend mit hoher Präzision am richtigen Ort positioniert werden. Und das ist nicht das einzige Hindernis. Bisher konnten nur dünne gedruckte Gewebeschichten über einen längeren Zeitraum am Leben erhalten werden. Dickeres Gewebe starb ab, weil es nicht genügend mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt werden konnte. Das liegt daran, dass im menschlichen Körper jede Zelle in umittelbarer Nähe von Blutgefässen (200–300 μm) ist, was bei künstlichen Geweben so noch nicht erreicht werden konnte.

Forschung und Entwicklung in der Schweiz
Verschiedene Unternehmen bieten 3D-Bioprinter und Biomaterialien zum Verkauf an, mit denen bereits heute einfache Gewebe quasi serienmässig produziert werden können. Eines dieser Unternehmen ist regenHU aus Villaz-St.-Pierre aus der Westschweiz. RegenHU arbeitet bei der Entwicklung seiner Geräte und Materialien eng mit den Forschern der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) zusammen. «Bioprinting ist ein spannendes, interdisziplinäres Forschungsgebiet, bei dem Ingenieure, Mediziner, Biologen, Chemiker und Materialwissenschaftler Hand in Hand arbeiten», erklärt Markus Rimann, Gruppenleiter 3D Tissue and Biofabrication im Institut für Chemie und Biotechnologie der ZHAW. «Mein Interesse ist es, künstliches Gewebe herzustellen, und dabei möglichst nahe an die biologische Funktionalität von natürlichem Gewebe heran zu kommen.»

Eine der aktuellen Herausforderungen bei der Weiterentwicklung des Bioprintings bestünde im Drucken von Blutgefässstrukturen im Gewebe, um so grössere Gewebestücke herstellen zu können, so Rimann. Auch die Materialentwicklung biete noch viel Potenzial für die Forschung, denn die Auswahl an Biomaterial für die sogenannte Biotinte ist derzeit noch sehr eingeschränkt. «Um gute Strukturen zu drucken, muss mit dem Biomaterial eine hohe Auflösung möglich sein. Dazu muss das Material unter anderem sehr schnell fest werden, damit definierte 3D-Strukturen gedruckt werden können».

Markus Rimann betont, dass keine übersteigerten Erwartungen an die Möglichkeiten des Bioprintings geweckt werden dürften. Die Technologie stecke noch in den Kinderschuhen, habe jedoch grosses Potential. «Wir sind noch weit davon entfernt, komplexe Organe wie Nieren zu drucken und zu implantieren. In einem ersten Schritt wird man eher kleinere funktionelle Einheiten von Organen drucken, die nur eine eingeschränkte Funktion übernehmen. Durchaus realistisch und zeitlich absehbar ist hingegen die Versorgung von Brandwunden mit neuer Haut aus dem Bioprinter. Hierfür wird die künstliche Haut direkt auf die Wunde gedruckt. Damit steigen die Chancen, dass das Gewebe anwächst.»