Tissue Engineering mit einer Kombination aus FDM und MEW:

Patientenspezifische Behandlungen sind in der modernen Medizin immer wichtiger geworden. In dem Maße, in dem die personalisierte Medizin an Bedeutung gewinnt, steigt der Bedarf an innovativen Technologien, die diese Anforderungen erfüllen. Hier kommt die additive Fertigung (AM) ins Spiel – eine vielversprechende Lösung, die immenses Potenzial birgt.

Forscher an der University of Otago haben zwei additive Fertigungstechniken – Fused Deposition Modeling (FDM) und Melt Electrowriting (MEW) – kombiniert, um verzweigte Hohlstrukturen für die Blutgefäße herzustellen.

Zu diesem Zweck erstellten sie im CAD zunächst zwei Formhälften für die Unterstützung der  MEW-Scaffolds während des Baus. Anschließend druckten sie FDM-Formen aus leitfähiger Polymilchsäure (cPLA) auf der Grundlage des CAD-Designs. Danach wurde MEW mit dem von der FDA zugelassenen Biomaterial Polycaprolacton (PCL) auf den FDM-gedruckten cPLA-Formen durchgeführt. Schließlich wurden die Konstrukte nach dem Druck vorsichtig durch Hitzeverschweißung zu hohlen, verzweigten Strukturen zusammengefügt.

Der GeSiM BioScaffolder 3.1 wurde für MEW auf den cPLA-Formen genutzt. Die Forscher platzierten die zuvor gedruckten Formen auf einer Glasdruckfläche auf einer Hochspannungsplattform. Die Kartuschendüse wurde einige Zentimeter über der Oberfläche positioniert, um eine präzise Ausrichtung mit der Form zu gewährleisten. Zum Initialisieren des Melt Electro Writing wurden Druck und Spannung aktiviert, die Düse in die Nähe der Bauplatte gebracht und dann der Druck durchgeführt. Auf diese Weise wurde eine stabile Fließgeschwindigkeit aufrechterhalten und Materialverklumpungen an den Rändern der Scaffolds vermieden.

Die Scaffolds wurden anschließend intensiven Tests unterzogen, einer dynamisch-mechanischen Analyse sowie einem In-vitro-Zellwachstum. Die Scaffolds wiesen eine anisotrope Steifigkeit von entweder 1 MPa oder 5 MPa auf, je nach Richtung der angelegten Spannung. Andererseits wurde nach einem Monat Inkubation beobachtet, dass normale humane dermale Fibroblasten (NHDFs) auf den Scaffolds wuchsen. Dies beweist, dass der MEW-Druck auf FDM-gedruckten cPLA-Scaffolds keine schädlichen Auswirkungen hatten.

In dieser Studie wurde ein anderer Drucker für FDM verwendet. Aktuelle GeSiM BioScaffolder können mit einem von GeSiM hergestellten FDM-Modul für 1,75 mm Filamente ausgestattet werden. Daher kann diese Art von Hybriddruck nun auf einer Plattform durchgeführt werden.

Dieser hybride additive Fertigungsansatz hat Potenzial für die Herstellung komplexer MEW-Scaffolds, insbesondere für Tissue-Engineering-Anwendungen zur Entwicklung künstlicher Blutgefäße. Es ist unsere Herausforderung mit GeSiM-Maschinen weiterhin zur Entwicklung solcher Technologien beizutragen.

Bilder aus Abb. 6. Finale intakte 3D-Hohlstruktur. (A) Der Pfeil bezeichnet die Porenöffnung. (B) Der Pfeil bezeichnet die wärmeverschweißte Längsnaht. [1]

Bilder aus Abb. 6. Finale intakte 3D-Hohlstruktur. (A) Der Pfeil bezeichnet die Porenöffnung. (B) Der Pfeil bezeichnet die wärmeverschweißte Längsnaht. [1]

Dieser Artikel basiert auf der folgenden Veröffentlichung:

[1] Thorsnes, Q.S.; Turner, P.R.; Ali, M.A.; Cabral, J.D. Integrating Fused Deposition Modeling and Melt Electrowriting for Engineering Branched Vasculature. Biomedicines 2023, 11, 3139. https://doi.org/10.3390/biomedicines11123139