Fraunhofer Institut: Künstliche Blutgefäße

Erfolgreiche Versorgung von in vitro-Geweben

  • Immunfluoreszenzfärbung von CD 31 (rot) und den Zellkernen (blau) von menschlichen Endothelzellen, die auf dem biokompatiblen verdruckbaren Röhrenmaterial wachsen.Immunfluoreszenzfärbung von CD 31 (rot) und den Zellkernen (blau) von menschlichen Endothelzellen, die auf dem biokompatiblen verdruckbaren Röhrenmaterial wachsen.
  • Immunfluoreszenzfärbung von CD 31 (rot) und den Zellkernen (blau) von menschlichen Endothelzellen, die auf dem biokompatiblen verdruckbaren Röhrenmaterial wachsen.
  • Abb.1: Prinzip des schichtweisen Aufbaus der verzweigten Gefäßstruturen mit hochauflösenden Rapid-Prototyping-Technologien
  • Abb. 2: Fraunhofer-Forscher spülen ein Polymerröhrchen, aus dem ein künstliches Blutgefäß werden kann mit Zellmedium.

Fraunhofer Instituts Forschung: Ziel des Tissue Engineerings ist die Herstellung von menschlichen Geweben und Organen im Labor. Der Aufbau größerer Gewebekonstrukte ist bislang jedoch limitiert, da eine mit dem Blutgefäßsystem im Körper vergleichbare Nährstoffversorgung fehlt.

Im Rahmen eines Fraunhofer-Forschungsprojekts hat sich ein Konsortium aus fünf Fraunhofer- Instituten das Ziel gesetzt, künstliche Blutgefäßsysteme zu entwickeln.

Züchtung von Geweben und Organen im Labor

Die Idee, menschliche Organe im Labor herzustellen, klingt für die meisten mehr nach Science Fiction als nach reeller Forschung. Aber für die vielen Patienten, die jahrelang auf ein passendes Spenderorgan warten, könnte ein individuell für sie gezüchtetes künstliches Organ die Rettung sein. Ganz so weit ist die Wissenschaft zwar noch nicht, doch am Fraunhofer- Institut für Angewandte Polymerforschung IAP, Potsdam, Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, Stuttgart, Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Aachen, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart und Fraunhofer- Institut für Werkstoffmechanik IWM, Freiburg, wird in einem Gemeinschaftsprojekt an der Grundvoraussetzung für die erfolgreiche Produktion funktionsfähiger Organe gearbeitet.

In generativer Fertigung werden durch eine neuartige Methodik Präpolymere als Tinte mikrostrukturiert verdruckt und durch Multiphotonenpolymerisation ortsgenau ausgehärtet. So entstehen dreidimensionale Strukturen aus elastomeren Kunststoffen, die als künstliche Blutgefäße ausgebaut werden, indem sie in Folge einer biochemischen Funktionalisierung mit einer dichten (konfluenten) Endothelzellschicht ausgekleidet werden. Solche künstlichen Blutgefäße können zukünftig Gewebe und Organe mit Nährstoffen versorgen.

Die Herstellung von Geweben im Labor (Tissue Engineering) ist in der Wissenschaft inzwischen bekannt und wird vielfach eingesetzt. Bisher scheiterte man jedoch am Aufbau größerer Gewebe oder Organe. Das liegt in erster Linie daran, dass die Nährstoffversorgung des Gewebes nicht gewährleistet werden konnte.

Die Konstruktion feinster Kapillargefäße schien bis vor kurzem unmöglich.

In einem groß angelegten Projekt wurden nun erstmals vollständig biokompatible künstliche Blutgefäße entwickelt, indem Verfahren aus der Produktionstechnik auch auf elastische Biomaterialien übertragen wurden. Die Kombination von zwei verschiedenen Techniken soll den Durchbruch bringen: Die im Rapid Prototyping etablierte 3-D-Drucktechnik und die in der Polymerwissenschaft entwickelte hochauflösende Multiphotonenpolymerisation.

Herstellung von 3-D-Strukturen

Rapid Prototyping beschreibt eigentlich die schnelle Produktion komplex geformter Produkte durch das schichtweise Auftragen von Material (Abb. 1). Alles, was man für den Aufbau braucht, ist ein dreidimensionaler Plan. Wie ein übergroßer Tintenstrahldrucker wird der 3-D-Inkjet-Drucker mit speziell produzierten Tinten befüllt und trägt dieses Material dann in feinen Schichten auf, die durch Lichteinstrahlung nur an bestimmten Stellen chemisch verbunden werden.

Nicht vernetztes Stützmaterials wird abgetragen und übrig bleibt eine dreidimensionale Struktur. So kann der Drucker extrem schnell auch komplexe Strukturen wie Röhren oder Verzweigungen aus verschiedenen Materialien erzeugen. Um Blutgefäße zu drucken, wird aber zudem noch die Multiphotonenpolymerisation benutzt. Bei dieser Technik wird das Material mit kurzen Laserpulsen beschossen, wobei sich nur die getroffenen Moleküle zu langen Ketten verbinden.

So sind sie in der Lage, die hauchfeinen Röhrenstrukturen auszubilden, die für ein Blutgefäßsystem benötigt werden. Das Material polymerisiert und wird fest, bleibt aber dabei so elastisch wie natürliche Materialien. Diese Reaktion lässt sich derart gezielt steuern, dass der Aufbau von feinsten Strukturen nach einem dreidimensionalen Bauplan möglich ist. Der Prototyp für eine Anlage, die diese beiden Verfahren kombiniert, ist schon im Aufbau.

Doch bevor ein künstliches Gefäßsystem geschaffen werden kann, musste viel Zeit in Planung und Simulation der Werkstücke gesteckt werden. Verzweigungen, Maße und Struktur der kleinen Röhrchen müssen exakt berechnet werden, damit später kein Stau entsteht und das Blut ungehindert fließen kann.

Wenn aus Tinte Röhren werden

Eine weitere große Herausforderung stellte die Drucktechnik vor allem an das Material. Die späteren Blutgefäße müssen flexibel und elastisch sein und zudem in der Lage, mit dem biologischen Material im Körper zu interagieren. Damit die Multiphotonenpolymerisation überhaupt funktioniert, müssen die künstlichen Polymere zudem photovernetzbar sein.

Dafür wurden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP spezielle Tinten entwickelt, die all diese Eigenschaften erfüllen und mit dem neuen kombinierten Herstellungsverfahren prozessierbar sind. Sie basieren auf einem Baukasten mit unterschiedlichen Monomer- und Polymerkomponenten und lassen sich zu Materialien mit maßgeschneiderten elastischen Eigenschaften vernetzen.

Biofunktionalisierung

Röhren aus synthetischen Polymeren allein reichen nicht, um ein funktionierendes Gefäßsystem zu bilden. Die zukünftigen Blutgefäße müssen biologisch aktiv werden. Deshalb wurde erst ein Stützgerüst aus synthetischen Röhrchen aufgebaut, das dann am Fraunhofer- Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB mit biologischen Strukturen funktionalisiert wird, um hierüber menschliche Zellen anzusiedeln (Abb. 2).

Dazu wurden die Wissenschaftler modifizierte biologische Strukturen, wie etwa Heparin und Ankerpeptide in die Innenwände integriert. Oft werden dafür auch Tinten aus Hybridmaterialien, die von vornherein eine Mischung aus synthetischen und natürlichen Polymeren enthalten, verwendet. In einem zweiten Schritt können sich in den Röhrensystemen Endothelzellen anheften. Diese Zellen bilden im Körper die innerste Wandschicht eines jeden Gefäßes. Die Auskleidung ist wichtig, damit die Bestandteile des Blutes nicht kleben bleiben, sondern weitertransportiert werden.

Nur wenn es gelingt, eine komplette Schicht lebender Zellen anzusiedeln, kann das Gefäß so arbeiten wie seine natürlichen Vorbilder. Um dieses funktionelle Endothel als innerste Lage der Röhrchen aufzubauen, ist eine Kultivierung mit Zellen in einem speziell entwickelten Bioreaktor notwendig. Hier findet eine dynamische Versorgung der Zellen mit Medium statt, die vergleichbar ist mit dem Blutfluss durch die Blutgefäße im Körper.

Im Bioreaktor werden die physiologischen Bedingungen nachgeahmt, um die künstlichen Blutgefäße zu evaluieren. So kann gezeigt werden, wie das berechnete Design, die Materialeigenschaften und die Verarbeitung aufeinander abgestimmt werden müssen. Zudem ist diese Kultivierung essenziell für die Aufrechterhaltung der Funktion der Endothelzellen in den Gefäßen. Erst die im Bioreaktor über die Zellen strömende Flüssigkeit sichert das Überleben der Zellen.

In-vitro-Testsysteme oder Implantate

Noch steht diese neue Technologie zum Aufbau elastischer dreidimensional geformter Biomaterialien am Anfang. Doch die Technik bietet viele Möglichkeiten für weitere Entwicklungen. Mit den so erzeugten Blutgefäßen ließen sich komplett künstliche Gewebe oder Organe an einen Kreislauf anbinden und mit Nährstoffen versorgen.

Diese eignen sich dann zwar noch nicht für eine Transplantation, dafür kann der Gewebekomplex als Testsystem genutzt werden und so Tierversuche ersetzen. Auch die Behandlung von Bypass-Patienten mit künstlichen Gefäßen ist denkbar. Bis Gewebe oder Organe aus dem Labor mit eigenen Blutgefäßen tatsächlich implantiert werden können, wird es allerdings noch einige Zeit dauern.

Förderung

Wir danken der Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. für die Förderung des Projekts “Herstellung bio-inspirierter Versorgungssysteme für Transplantate mittels Rapid Prototyping über Inkjet- Druck und Multiphotonenpolymerisation (BioRap)“ über das Programm Marktorientierte Vorlaufforschung.

Projektpartner

▪▪ Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP, Potsdam

▪▪ Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, Stuttgart

▪▪ Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Aachen

▪▪ Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart

▪▪ Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, Freiburg

Save-the-date für den Workshop „BioRap – 3 D-strukturierte Biomaterialien mittels Rapid Prototyping“ Datum: 16. Mai 2012 Ort: Fraunhofer-Institutszentrum Stuttgart. Weitere Informationen unter http://www.igb. fraunhofer.de/de/events.html.

Autoren:

Petra J. Kluger, Esther C. Novosel, Kirsten A. Borchers, Thomas Hirth und Günter E.M. Tovar, Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB

▶ ▶Kontakt

Priv.-Doz. Dr. Günter E.M. Tovar

Fraunhofer-Institut für Grenzflächen-und Bioverfahrenstechnik IGB

Stuttgart

www.igb.fraunhofer.de

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