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Flexibles Hydrogel aus dem 3D-Drucker

Ein Pflaster für das schlagende Herz

27. August 2024, 15:40 Uhr | Ute Häußler, mit Material der Boulder University

Labortests haben gezeigt, dass dieses 3D-gedruckte Material sich an Organe anschmiegt und an ihnen haftet. Das Bild zeigt ein Schweineherz.

Ein neues Biomaterial aus dem 3D-Drucker ist elastisch, zäh und leicht formbar. Es haftet auf feuchtem Gewebe und wächst mit. Danke der Clear-Druckmethode kann der Hydrogel-Patch als innerer Verband Herzen reparieren, Medikamente abgeben oder als Knorpelpflaster und nadelfreies Nahtmaterial dienen.

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Bei der Entwicklung neuer Materialien zum Ersatz oder zur Reparatur menschlicher Körperteile stehen die Wissenschaftler vor einer gewaltigen Herausforderung: Echte Gewebe sind oft sowohl kräftig als auch dehnbar und variieren in Form und Größe.

Ein Forscherteam der University of Colorado Boulder, in Zusammenarbeit mit der University of Pennsylvania, hat mit via 3D-Druck ein neues Material für den Einsatz in der Medizin entwickelt: Der biokompatible Patch soll Wunden am schlagenden Herzen reparieren, kann mit lebenden Zellen gespickt einwachsen, Medikamente abgeben oder aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften auch für die Reparatur von Knorpeln oder nadelfreier Wundkleber zum Einsatz kommen.

Herz- und Knorpelgewebe haben nur eine sehr begrenzte Fähigkeit zur Selbstreparatur. Wenn sie geschädigt sind, gibt es kein Zurück mehr. Mit der Entwicklung neuer Materialien, die den Reparaturprozess verbessern, können wir einen großen Einfluss auf die Heilung nehmen
Jason Burdick, Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen an der CU Boulder

Neue Methdode zur additiven Fertigung

Möglich macht diese eine neuen Methode des 3D-Druck, bekannt als CLEAR (Continuous-curing after Light Exposure Aided by Redox initiation). Via Clear können für den Einsatz im menschlichen Körper geeignete Materialien so hergestellt werden, dass sie sowohl elastisch als auch robust sind.

Die Materialien können sich Bewegungen des Herzens anpassen und gleichzeitig den Druckbelastungen von Gelenken standhalten. Ein entscheidender Vorteil ist, dass sie sich leicht an feuchtes Gewebe anheften lassen. Die Forschenden ließen sich von der Natur inspirieren, insbesondere von den Bewegungen von Würmern, die sich in dreidimensionalen »Wurmknäueln« verflechten.

Nachhaltig: Von Würmern zur Medizin

Mithilfe dieser Struktur bekommen die Materialien sowohl feste als auch flüssigkeitsähnliche Eigenschaften. Durch die Integration ähnlicher Molekülketten in die 3D-gedruckten Materialien wie bei den verschlungenen Würmern konnte deren Festigkeit erheblich verbessert werden.

Als das Forscher-Team die Materialien im Labor dehnte und mit Gewicht belastete (eine Forscherin fuhr sogar mit ihrem Fahrrad über eine Probe), stellten sie fest, dass sie exponentiell zäher waren als Materialien, die mit einer Standardmethode des 3D-Drucks, dem Digital Light Processing (DLP), gedruckt wurden. Und es kommt noch besser: Sie passten sich auch tierischen Geweben und Organen an und klebten dort.

»Wir können jetzt Klebematerialien in 3D drucken, die stark genug sind, um Gewebe mechanisch zu stützen. Das war bisher nicht möglich.«
Matt Davidson, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Burdick-Labor

Das Resultat sind vielseitige Möglichkeiten für die medizinische Anwendung: Sie reichen von der Reparatur von Herzdefekten über die direkte Abgabe von Gewebe regenerierenden Medikamenten an Organe bis hin zur Unterstützung von Knorpelgewebe. Zudem könnten diese Materialien in der Chirurgie eingesetzt werden, um Gewebe ohne Nadel und Faden zu verbinden, was das Risiko von Gewebeschäden verringert.

Ein weiterer Vorteil der Clear-Methode ist ihre Umweltfreundlichkeit. Sie erfordert keine zusätzliche Energie zum Aushärten der Materialien, was den 3D-Druckprozess effizienter macht. Diese Methode könnte nicht nur in der Medizin, sondern auch in der Forschung und anderen Industrien Anwendung finden, um mechanische Eigenschaften von Materialien zu verbessern. (uh)