Um individuell an Patienten angepasste Implantate zu erstellen, kommt häufig 3D-Druck zum Einsatz. Üblicherweise werden die Implantate – etwa für die Brust oder ein neues Hüftgelenk – allerdings außerhalb des Körpers hergestellt und anschließend mit einer Operation an ihren Bestimmungsort gesetzt. Um chirurgische Eingriffe zu reduzieren, gibt es bereits Ansätze, Biopolymere unter die Haut zu spritzen und anschließend mit Hilfe von Infrarotlicht aushärten zu lassen. Da die Lichtwellen allerdings nur wenige Millimeter durch die Haut dringen, sind Anwendungen in tieferen Gewebeschichten mit diesem Verfahren nicht möglich.
Bio-Tinte reagiert auf Ultraschall
Nun hat ein Team um Elham Davoodi vom California Institute of Technology in Pasadena eine Methode entwickelt, die stattdessen auf Ultraschall setzt, um die Bio-Tinte in die richtige Form zu bringen. Gegenüber Infrarotlicht haben die fokussierten Ultraschallwellen den Vorteil, dass sie auch in tiefere Gewebeschichten vordringen und gleichzeitig zur Bildgebung dienen können. „Unser Verfahren verwendet auf Ultraschall reagierende Bio-Tinten, die speziell für eine präzise und kontrollierte Fabrikation innerhalb des Körpers entwickelt wurden“, erklären die Forschenden.
Die Bio-Tinte für diesen In-Vivo-3D-Druck setzt sich aus verschiedenen Komponenten zusammen: Zum einen besteht sie aus Polymeren, also langen Ketten aus verzweigten organischen Molekülen, die aber zum Zeitpunkt der Verabreichung noch nicht miteinander verbunden sind. Zum anderen enthält sie ein Vernetzungsmittel, das in kleine Vesikel verpackt ist, sogenannte Liposome. Hinzu kommt ein Kontrastmittel, das die Ultraschallbildgebung erleichtert. „Diese Biotinten werden durch Injektion oder Katheter an die Zielstellen gebracht und mit Hilfe des integrierten Ultraschallbildgebungssystems lokalisiert“, erläutern Davoodi und sein Team.
Frachten für verschiedene Anwendungen
Ist die Tinte an Ort und Stelle, werden die Liposome mit dem Vernetzungsmittel durch Ultraschallwellen leicht erwärmt, sodass sie ihre Fracht freigeben. Dadurch vernetzen sich die Polymere und bilden ein stabiles Gel. Dieses kann je nach Einsatzzweck im Körper verschiedene Funktionen erfüllen. Zum einen kann es beschädigte Gewebe flicken und sogar mit intakten Zellen beladen werden, die die Regeneration fördern. Zum anderen lässt es auch mit leitfähigen Nanopartikeln bestücken und kann auf diese Weise Elektroden bilden, die beispielsweise die elektrischen Signale der Muskeln messen. Auch als Medikamentendepot eignet sich das 3D-Material, etwa für eine lokale Tumorbekämpfung, wie die Forschenden erklären.
Um die grundlegende Funktionsfähigkeit des Verfahrens unter Beweis zu stellen, haben Daoodi und sein Team bereits erfolgreich ein mit Medikamenten beladenes Biomaterial in der Nähe eines Blasentumors einer Maus platziert. Bei einem Kaninchen druckten sie ein entsprechendes Implantat tief in die Muskeln. In der Nachbeobachtung zeigten die Tiere keine Anzeichen von Gewebeschäden oder Entzündungen. Bio-Tinte, die nicht zum Aushärten gebracht wurde, wurde innerhalb einer Woche vom Körper abgebaut, während die ausgehärteten Implantate bestehen blieben, wie die Versuche ergaben. Das liefert erste Hinweise darauf, dass das Verfahren tatsächlich in lebenden Organismen wirksam und sicher sein könnte.
