3D-Bioprinting

Individuell geformte Knochen und komplexes Gewebe aus dem Drucker

Vom Gewebeersatz mit Tissue Engineering-Knochen zum 3D-Bioprinting von komplexen Geweben mit individueller Form für den patientenspezifischen Kieferaufbau: Die meist komplizierten dreidimensionalen Gebilde zur Deckung von Knochendefekten oder -defiziten im MKG-Bereich werden zunehmend computergestützt designt und hergestellt.


Kalziumphosphatzementstränge

Wasserreiches Hydrogel neben Kalziumphosphatzementsträngen © Zentrum für Translationale Knochen-, Gelenk- und Weichgewebeforschung Universitätsklinikum Carl Gustav Carus und Medizinische Fakultät der Technischen Universität Dresden


Im Kiefer-Gesichtsbereich sind Knochendefekte oder Knochendefizite meist komplexe dreidimensionale Gebilde. Ein typisches Beispiel hierfür ist die Kieferspalte bei Patienten mit Lippen-
Kiefer-Gaumenspalte, wie es eindrucksvoll in 3D-rekonstruierten Röntgenbildern sichtbar wird. Auch Zysten oder Kieferabschnitte mit Knochenschwund beispielsweise nach Zahnverlust zeigen komplexe Formen, die keinen einfachen geometrischen Figuren gleichen. Zur Deckung bzw. Überbrückung solcher Defekte hat besonders in der kraniofazialen Chirurgie die Anfertigung von individuellen Implantaten (Scaffolds) zunehmend an Bedeutung gewonnen. Die Anfertigung erfolgt mittels computergestütztem Design und computergestützter Fabrikation (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing, kurz CAD/CAM).

Die Materialien hierfür sind vielfältig: Neben Titan kommen unter anderem auch Keramiken, Kunststoffe wie PEEK und Hydroxylapatit zur Anwendung. Bei den genannten Materialien ist jeweils ein Sinterschritt bei erhöhter Temperatur zur Stabilisierung notwendig. Er führt zu einer hohen Resorptionsbeständigkeit, aber einer unmittelbaren Besiedelung mit lebenden Zellen während des Druckes diametral entgegensteht. Es gibt auch Biomaterialien, die bei Raumtemperatur abbinden und aus denen Gerüststrukturen hergestellt werden können. Das erlaubt die Einbeziehung lebender Zellen in den Druckvorgang. Ein geeignetes, klinisch etabliertes Knochenersatzmaterial ist z. B. synthetischer, nanokristalliner Hydroxylapatit in Form von Granulaten oder pastösen Kalziumphosphat-Knochenzementen. Trägermaterialien für Zellen sind z. B. Gele auf Agar-, Alginat- oder Fibrinbasis.

3D-Bioprinting: Biologisches Gewebe in individueller Form drucken

Eine aktuelle, vielversprechende Entwicklung ist der Druck biologischer Gewebe. Schon früh kam die Idee auf, die Gewebearchitektur mithilfe von 3D-Druckern nachzubauen und dabei Zellen und extrazelluläre Matrix miteinander zu vermischen und entsprechend aufzubringen. Beim 3D-Bioprinting werden beispielsweise aus Kalziumphosphatzement-Paste kombiniert mit einer Hydrogel-Zellsuspension Gewebekonstrukte für Knochen hergestellt. Dieses „Bioprinting“ vereint die computergesteuerte additive Fertigung, die eine exakte Vorgabe der Porenstruktur sowie, für die spätere klinische Anwendung entscheidend, eine individuelle Formgebung erlaubt, mit der Methode des Tissue Engineerings.

Scaffold

Scaffold aus bioresorbierbarem Kalziumphosphatzement © Zentrum für Translationale Knochen-, Gelenk- und Weichgewebeforschung Universitätsklinikum Carl Gustav Carus und Medizinische Fakultät der Technischen Universität Dresden

Mit der Anwendung des Bioprintings kann die Integration von mesenchymalen Stromazellen1 in den Scaffolds schon während des Druckens und damit sehr homogen und nahezu verlustfrei erfolgen, was mit der konventionellen Besiedlung nach dem Herstellungsprozess nicht erreichbar ist. Auch wurde ein Verfahren des 3D-Plottens etabliert, mit dem sich direkt hohle Stränge erzeugen lassen. Solche könnten als Leitschienen für das Einwachsen von Gefäßen fungieren und damit die Blutversorgung der künstlichen Gewebe sicherstellen.

Außerdem ist die Auskleidung von schlauchförmigen Strukturen mit den geeigneten Zelltypen, zum Beispiel mit Endothelzellen (Gefäßzellen) denkbar, um so ein Knochengewebe herzustellen, das dem freien autologen Knochentransplantat entspricht. Auch ist die Herstellung von Weichgewebestrukturen denkbar. Es wurde erfolgreich demonstriert, dass sich die so eingebetteten Stammzellen noch zu Adipozyten differenzieren und für über 3 Wochen beispielsweise weiter kultivieren lassen. Das additive Verfahren des Bioprintings ermöglicht somit eine Fertigung von individuell an den jeweiligen Defekt angepassten Strukturen, die ein lebendes Gewebe darstellen.

3D-gedrucktes Kahnbein © Zentrum für Translationale Knochen-, Gelenk- und Weichgewebeforschung Universitätsklinikum Carl Gustav Carus und Medizinische Fakultät der Technischen Universität Dresden

Vorteile und Anwendung des 3D-Bioprintings

Vor dem klinischen Hintergrund des Behandlungskonzeptes für Patienten mit Lippen-Kiefer- Gaumenspalten, wo der Spaltverschluss schrittweise in mehreren Operationen erfolgt, ist eine direkte klinische Anwendung für den Patienten sehr von Vorteil bzw. gewinnbringend. Im ersten Operationsschritt – dem Verschluss der Lippe – kann gut die Gewinnung beispielsweise von Knochengewebe erfolgen. Die enthaltenen Zellen (Gefäßzellen, Knochenzellen, Stammzellen) können selektiert, getrennt kultiviert und im Sinne einer individuellen „Zellbank“ kryokonserviert werden. Wenn dann der Verschluss der Kieferspalte ansteht, ist die Herstellung von individuell geformtem Knochengewebe nach dem Verfahren des Bioprintings umsetzbar.

Konkret: Vom Patienten erstellt man eine dreidimensionale Bildgebung der Kieferspalte. Auf Basis dieser Daten fertigt der 3D-Drucker mittels Bioprinting aus Knochenzement, Hydrogel und kryokonservierten Knochen- und Gefäßzellen ein „lebendes Knochentransplantat“. Dieses können die MKG-Chirurgen dann zukünftig zur Kieferspaltosteoplastik anstelle des heute noch üblichen Transplantates aus dem Becken einsetzen. Für den meist jungen Patienten entfällt die lästige, oft mit Schmerzen und Gehbehinderungen einhergehende Entnahme von Knochen aus dem Becken. Deshalb wird das Bioprinting an der Klinik für MKGChirurgie gemeinsam mit dem Zentrum für Knochen-, Gelenk- und Weichgewebeforschung des Universitätsklinikums Dresden intensiv weiter erforscht.

Weitere Infos zur modernen MKG-Chirurgie: www.dgmkg.de