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Künstliche Herzklappe aus 3D-Drucker

14.06.2022
Melt Electrowriting heißt ein relativ neues 3D-Druckverfahren, das Wissenschaftler von der Technischen Unversität München und der University of Western Australia nutzen, um künstliche Herzklappen herzustellen, an denen sich in Patienten neues Gewebe aus körpereigenen Zellen bilden soll. Das Ziel sind bioanaloge, mitwachsende Herzklappenimplantate, die zum Beispiel Kindern wiederkehrende Operationen ersparen sollen.

Durch korrektes Öffnen und Schließen sorgen die vier Herzklappen im Menschen für den Blutfluss in die richtige Richtung. Grundlage dafür ist die heterogene Struktur des Herzklappengewebes mit verschiedenen biomechanischen Eigenschaften.

Wissenschaftler um Petra Mela, Professorin für Medizintechnische Materialien und Implantate an der Technischen Universität München (TUM), und Professorin Elena De-Juan Pardo (University of Western Australia) konnten nun erstmals diese heterogene Struktur mit einem 3D-Druckverfahren namens Melt Electrowriting imitieren. Dafür entwickelten sie eine Fertigungsplattform, die das hochpräzise Drucken von individuellen Mustern und Kombinationen davon ermöglicht. So konnte das Forscherteam verschiedene mechanische Eigenschaften innerhalb der Grundstruktur einer Herzklappe genau anpassen.

Präzise und individuelle Gerüststrukturen

Beim Melt Electrowriting wird ein Polymer erwärmt, geschmolzen und als flüssiger Strahl aus einem Druckkopf gepresst. Ein elektrisches Hochspannungsfeld ermöglicht eine deutliche Verkleinerung des Polymerstrahl-Durchmessers, indem der Strahl beschleunigt und in Richtung einer Auffangvorrichtung gezogen wird. Es entsteht eine sehr dünne Faser mit einem Durchmesser von fünf bis fünfzig Mikrometern. Außerdem stabilisiert das elektrische Feld den Polymerstrahl. Das ist eine Voraussetzung, um damit klar definierte und präzise Muster zu erzeugen.

Das „Schreiben“ von vordefinierten Mustern mit dem Faserstrahl erfolgt mit Hilfe einer computergesteuerten Auffangplattform. Diese sich bewegende Plattform fängt die austretende Faser in einem klar definierten Pfad auf, ähnlich wie eine Scheibe Brot, die unter einem tropfenden Löffel Honig hin- und herbewegt wird. Vorgegeben wird dieser Pfad durch die Programmierung von Koordinaten.

Eine speziell entwickelte Software ermöglicht es, verschiedenen Bereichen des Herzklappengerüsts einzelne Muster zuzuordnen, die aus einer Mustersammlung ausgewählt werden. Darüber hinaus können geometrische Spezifikationen wie Länge, Durchmesser und Querschnitt des Trägergerüsts ganz einfach über eine grafische Benutzeroberfläche angepasst werden.

Trägergerüste mit Zellen kompatibel und biologisch abbaubar

Das Team verwendete medizinisch zugelassenes Polycaprolacton (PCL) für den 3D-Druck, da dieses mit Zellen kompatibel und biologisch abbaubar ist. Nach der Implantation der PCL-Herzklappen sollen körpereigene Patientenzellen auf dem porösen Trägergerüst wachsen, die dann möglicherweise neues Gewebe bilden, bevor sich die PCL-Struktur abbaut. In ersten Zellkulturstudien konnte bereits Zellwachstum auf dem Trägergerüst beobachtet werden.

Das PCL-Trägergerüst ist in ein elastinartiges Material eingebettet, das die Eigenschaften des körpereigenen Elastins in echten Herzklappen imitiert. Außerdem besitzt es Mikroporen, die feiner sind als die des PCL-Gerüsts. Dadurch soll genug Raum gelassen werden, damit die Zellen sich ansiedeln können, doch gleichzeitig sind die Klappen auch dicht genug, um den Blutstrom sicherzustellen.

Die 3D-gedruckten Herzklappen wurden in einem künstlichen Kreislaufsystem getestet, das den körpereigenen Blutstrom und -druck simuliert. Unter den untersuchten Bedingungen öffneten und schlossen sich die Herzklappen ordnungsgemäß.

Nanopartikel ermöglichen die Visualisierung im MRTDer PCL-Werkstoff wurde weiterentwickelt und evaluiert. Daran beteiligt waren Franz Schilling, Professor für Biomedizinische Magnetresonanz, und Sonja Berensmeier, Professorin für Selektive Trenntechnik an der TUM. Durch die Modifizierung des PCL mit sogenannten ultrakleinen superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln konnten die Trägergerüste mit Hilfe der bildgebenden Magnetresonanztechnologie (MRT) sichtbar gemacht werden. Der Werkstoff ist auch mit dieser Modifizierung weiterhin druckbar und mit Körperzellen kompatibel. Das könnte den Einsatz dieser Technik in Kliniken erleichtern, da auf diese Weise die Gerüste während der Implantation zu sehen sind.

„Unser Ziel besteht darin, bioanaloge Herzklappen zu erschaffen, die die Bildung von neuem funktionalem Gewebe im Patienten fördern. Vor allem Kinder könnten von einer solchen Lösung profitieren, da aktuell verfügbare Herzklappen nicht mitwachsen und daher im Laufe der Jahre in mehreren Eingriffen ausgetauscht werden müssen. Unsere Herzklappen imitieren hingegen die Komplexität der körpereigenen Herzklappen und sind so konstruiert, dass sie es den Körperzellen der Patientin oder des Patienten ermöglichen, das Trägergerüst zu infiltrieren“, erklärt Petra Mela.

Als nächstes stehen präklinische Studien im Tiermodell an. Außerdem arbeiten die Wissenschaftler an der Weiterentwicklung der Technologie und neuen Biowerkstoffen.

Quelle: medtech-zwo vom 14.06.2022