Mit 3D-gedrucktem Eis hergestellte Blutgefäße könnten im Labor gezüchtete Organe verbessern

Komplexe künstliche Organe könnten durch den 3D-Druck einer Form aus Venen, Arterien und Kapillaren in Eis geschaffen werden, diese in organisches Material gegossen und dann das Eis schmelzen lassen, was zu einem zarten, hohlen Netzwerk führt. Dadurch bleibt Platz für die komplizierten künstlichen Blutgefäße, die für die Entwicklung im Labor gezüchteter innerer Organe erforderlich sind.

Forscher arbeiten seit Jahrzehnten an künstlichen Organen, um den hohen weltweiten Bedarf an Transplantationen wie Herzen, Nieren und Lebern zu decken. Aber die Schaffung der Blutgefäßnetzwerke, die sie am Leben erhalten, ist immer noch eine Herausforderung.

Bestehende Techniken können künstliche Haut oder Ohren wachsen lassen, aber jegliches Fleisch- oder Organmaterial stirbt ab, wenn es mehr als 200 Mikrometer von einem Blutgefäß entfernt ist, heißt es Philip LeDuc an der Carnegie Mellon University in Pennsylvania.

„Es ist etwa doppelt so breit wie ein Haar; Wenn man das überwunden hat und kein Zugang zu Nährstoffen mehr besteht, beginnen die Zellen abzusterben“, sagt er. Innere Organe erfordern daher neue Verfahren, um kostengünstig und schnell hergestellt werden zu können.

LeDuc und seine Kollegen hatten mit dem Drucken von Blutgefäßen mit schmelzbarem Wachs experimentiert, was jedoch relativ hohe Temperaturen erfordert und Rückstände hinterlassen kann. „Eines Tages fragte sich mein Student plötzlich: ‚Warum verwenden wir nicht einfach Wasser – das biologisch verträglichste Material der Welt?‘“, sagt LeDuc. „Und ich sage ‚Oh ja‘. Es bringt mich immer noch zum Lachen. Es ist einfach so einfach.“

Sie entwickelten eine Technik, die mithilfe von 3D-Druckern eine Abformung des Inneren der Blutgefäße eines Organs in Eis erzeugt. In Tests wurden diese dann in ein Gelatinematerial eingebettet, das unter Einwirkung von ultraviolettem Licht aushärtet, bevor das Eis schmolz.

Das Team verwendete eine auf -35 °C gekühlte Plattform und eine Druckerdüse, die Hunderte von Wassertropfen pro Sekunde abgab, wodurch Strukturen mit einem Durchmesser von nur 50 Mikrometern gedruckt werden konnten.

LeDuc sagt, dass der Prozess konzeptionell einfach ist, aber perfekt abgestimmt werden muss – wenn man Tropfen zu schnell aufträgt, gefrieren sie nicht schnell genug und erzeugen nicht die gewünschte Form, aber wenn man sie zu langsam druckt, bilden sie nur Klumpen.

Das System wird auch durch Wetter und Luftfeuchtigkeit beeinflusst, daher untersuchen die Forscher die Verwendung künstliche Intelligenz um den Drucker auf wechselnde Bedingungen einzustellen.

Sie verwendeten auch eine Version von Wasser, in der der gesamte Wasserstoff durch Deuterium, ein stabiles Isotop des Elements, ersetzt wurde. Dieses sogenannte schwere Wasser hat einen höheren Gefrierpunkt und hilft, eine glatte Struktur zu schaffen, indem es unerwünschte Kristallisation vermeidet. Tests haben gezeigt, dass es bei der Herstellung künstlicher Organe sicher ist, da Deuterium im Gegensatz zu einigen Isotopen nicht radioaktiv ist, sagt LeDuc.