Neues Werkzeug für Chirurgen: 3D bioprintiertes Herz.

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Der Professor für Biomedizintechnik Adam Feinberg und sein Team haben das erste bioprintische 3D-Modell des menschlichen Herzens in Originalgröße mit ihrer Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels (FRESH)-Technik erstellt. Das Modell, das in einem kürzlich von der American Chemical Society (siehe unten) in einem Video gezeigt wird und aus MRT-Daten mit einem speziell gebauten 3D-Drucker erstellt wurde, ahmt die Elastizität von Herzgewebe und Nahtmaterial realistisch nach. Dieser Meilenstein stellt den Höhepunkt von zwei Jahren Forschung dar, der sowohl für Chirurgen und Kliniker unmittelbar vielversprechend ist als auch langfristige Auswirkungen auf die Zukunft der biotechnologischen Organforschung hat.

Die FRESH-Technik des 3D-Bioprinting wurde in Feinbergs Laboratorium erfunden, um eine nicht erfüllte Nachfrage nach 3D-gedruckten Weichpolymeren zu befriedigen, denen die Steifigkeit fehlt, um ungestützt wie bei einem normalen Druck zu stehen. Beim FRESH-3D-Druck wird Bioink mit einer Nadel in ein Bad aus weichem Hydrogel injiziert, das das Objekt beim Drucken unterstützt. Nach der Fertigstellung wird das Hydrogel durch einfache Wärmezufuhr zum Schmelzen gebracht, so dass nur das 3D-bioprintisierte Objekt zurückbleibt.

Während Feinbergs Labor sowohl die Vielseitigkeit als auch die Treue der FRESH-Technik unter Beweis gestellt hat, war das größte Hindernis für das Erreichen dieses Meilensteins der Druck eines menschlichen Herzens in Originalgröße. Dies erforderte den Bau eines neuen 3D-Druckers, der speziell für die Aufnahme eines Gel-Trägerbads entwickelt wurde, das groß genug ist, um in der gewünschten Größe zu drucken, sowie kleinere Software-Änderungen, um die Geschwindigkeit und Treue des Drucks aufrechtzuerhalten.

Größere Krankenhäuser verfügen oft über Einrichtungen zum 3D-Drucken von Modellen des Körpers eines Patienten, um Chirurgen bei der Aufklärung der Patienten und der Planung des eigentlichen Eingriffs zu unterstützen, jedoch können diese Gewebe und Organe nur in Hartplastik oder Gummi modelliert werden. Das Herz von Feinbergs Team besteht aus einem weichen natürlichen Polymer namens Alginat, das ihm ähnliche Eigenschaften wie echtes Herzgewebe verleiht. Für Chirurgen ermöglicht dies die Herstellung von Modellen, die ähnlich wie ein echtes Herz schneiden, nähen und manipuliert werden können. Feinbergs unmittelbares Ziel ist es, mit Chirurgen und Klinikern zusammenzuarbeiten, um ihre Technik zu verfeinern und sicherzustellen, dass sie für den Einsatz im Krankenhaus bereit ist.

“Wir können jetzt ein Modell bauen, das nicht nur eine visuelle Planung ermöglicht, sondern auch eine physische Übung erlaubt”, sagt Feinberg. “Der Chirurg kann es manipulieren und es tatsächlich wie echtes Gewebe reagieren lassen, so dass er, wenn er in den Operationssaal kommt, eine zusätzliche Ebene realistischer Praxis in dieser Umgebung erhält.

Dieses Papier stellt eine weitere wichtige Markierung auf dem langen Weg zur Biotechnik eines funktionierenden menschlichen Organs dar. Weiche, biokompatible Gerüste wie das von Feinbergs Gruppe geschaffene könnten eines Tages die Struktur bilden, an der Zellen anhaften und ein Organsystem bilden, wodurch die Biomedizin der Fähigkeit zur Reparatur oder zum Ersatz vollständiger menschlicher Organe einen Schritt näher kommt.

“Während beim Bioprinting eines voll funktionsfähigen menschlichen Herzens in Originalgrösse noch grosse Hürden bestehen, sind wir stolz darauf, dass wir mit Hilfe der FRESH-Plattform dazu beitragen können, die grundlegenden Grundlagen zu schaffen und gleichzeitig unmittelbare Anwendungen für realistische chirurgische Simulationen zu zeigen”, fügte Eman Mirdamadi, Hauptautor der Publikation, hinzu.

Die in ACS Biomaterials Science and Engineering veröffentlichte Arbeit wurde von Feinbergs Studenten Joshua W. Tashman, Daniel J. Shiwarski, Rachelle N. Palchesko und dem ehemaligen Studenten Eman Mirdamadi mitverfasst.

Referenz: “FRESH 3D Bioprinting a Full-Size Model of the Human Heart” von Eman Mirdamadi, Joshua W. Tashman, Daniel J. Shiwarski, Rachelle N. Palchesko und Adam W. Feinberg, 23. Oktober 2020, ACS Biomaterials Science & Engineering.
DOI: 10.1021/acsbiomaterials.0c01133.

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