Selbstheilende, bioinspirierte Hydrogel-Plattform für das Next Generation 3D-Bioprinting
Erforschung und Entwicklung einer bioinspirierten, selbstheilenden Biomaterial-Tinte für den 3D-Biodruck
Gesamtziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung einer selbstheilenden, bioinspirierten und funktionalen Hydrogel-Plattform für das 3D-Bioprinting der nächsten Generation. Das Vorhaben ist durch supramolekulare, biochemische Wechselwirkungen inspiriert, die in der Natur in verschiedensten Rollen und auch inGeweben vorkommen. Durch die Übertragung von biologischen Prinzipien nach dem Vorbild von selbstregulierendem natürlichem Gewebe werden im Vorhaben HEAL-X Bioink selbstheilende Gel-Eigenschaften, Zell-Adhäsion, gerichtete Zell-Interaktion und -Organisation sowie zeitlich und räumlich aufgelöste Freisetzung von Wirkstoffen in einer mechanisch stabilen Biotinte angestrebt.
Vom biologischen Vorbild zum technischen Konzept: Beim 3D-Bioprinting werden Hydrogele mit lebenden Zellen zur Biotinte vermischt und schichtweise verdruckt, um eine definierte 3D-Struktur abzubilden. Die so erzeugten Gewebestrukturen werden zunehmend komplexer und funktionaler, sind aber noch weit von ihren natürlichen Vorbildern entfernt. Es bestehen noch große Herausforderungen, beispielsweise um zu vermeiden, dass empfindliche Zellen beim Druckprozess geschädigt werden oder um den Druck möglichst präzise und wiederholbar durchzuführen. Ebenso ist es problematisch, die verdruckten Zellen über den für die Reifung und Ausdifferenzierung erforderlichen Zeitraum mit Nährstoffen zu versorgen und am Leben zu erhalten. Benötigt werden Materialien, die die natürliche Umgebung biologischer Zellen möglichst gut nachbilden und das Zusammenwachsen und die Reifung des Gewebes unterstützen.
Umsetzungspotenzial und Nachhaltigkeitseffekte. Die entwickelten Hydrogele dienen als modulare und anpassbare Plattform für das 3D-Bioprinting von Zellen und Wirkstofftestsystemen. Darauf basierende Systeme können zukünftig auch zur Modellierung von Krankheitsbildern und für die in-vivo-Implantation durch direkte Injektion eingesetzt werden. Das Projekt soll so wesentliche Beiträge zur Weiterentwicklung des Bioprintings leisten und damit die Pharma- und Medizintechnikbranche in Deutschland insgesamt stärken.
Um diese vielfältigen Aufgaben erfolgreich zu bearbeiten, arbeiten wir in diesem vom BMBF geförderten 3-jährigen Industrie-Kooperationsprojekt mit Projektpartnern von NMI und TUDA sowie Industriepaten zusammen. Unsere Gruppe bearbeitet das Teilvorhaben „Synthese von Säugetierzell-kompatiblen Hydrogelen für den 3D-Druck“ und beschäftigt sich hier mit der Entwicklung und Erforschung (Design, Synthese, Charakterisierung) von Hydrogelen und ihrer Komponenten wie Rückgrat und Vernetzer sowie Bestandteilen zur Material/Zellinteraktion, und schließlich ihrer Kombination zu funktionalen, selbstheilenden und druckbaren Hydrogelen als HEAL-X Bioink.