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Dieser Artikel ist in der Ausgabe erschienen: Nr. 41/18  |  Freitag, 26. Oktober 2018
Wissen

Was das Herz begehrt

Forschung – Weltweit übersteigt die Nachfrage an Organen das Angebot bei Weitem. Gebraucht werden sie für Transplantationen und zur Medizinerausbildung. 3D-Drucker könnten zur Lösung beitragen. In Krems forscht ein Team um Professor Dieter Pahr an der Herstellung von Organmodellen mit realitätsnahen Eigenschaften.

Krems/Bozen – Eva Hofer sitzt beim Herzultraschall. Dort erhält sie die niederschmetternde Diagnose: Eine entzündliche Autoimmunerkrankung hat ihr Herz befallen. Statt Eva Hofer auf eine Transplantationsliste zu setzen, plant der Kardiologe ein auf sie zugeschnittenes Herz, das mit einem Bio-3D-Drucker produziert und schließlich eingesetzt wird.
Die Geschichte von Eva Hofer ist frei erfunden und klingt auch nicht so, als würde sie in naher Zukunft Realität werden. Tatsächlich aber ist 3D-Druck aus der Medizin schon heute nicht mehr wegzudenken. Die Technik wird verwendet für Hörgeräte, Zahnkronen und chirurgische Einmal-Instrumente, aber auch zur Herstellung von Modellen für das Proben eines Eingriffs – Letzteres bisher mit Einschränkungen, weil das Material nicht dem Gewebe des menschlichen Körpers gleicht.
Eingriffe üben gehört zum Alltag von Medizinstudenten, aber auch ausgebildete Ärzte studieren Operationssituationen, bevor das Skalpell am Patienten angesetzt wird. Gewisse Eingriffe können auch mit Computersimulationen trainiert werden. Geht es aber um komplexe Aufgaben, zum Beispiel um spezielle Nähtechniken, kann die Simulation die Realität nicht ersetzen. Deshalb werden beim Ärztetraining oft Leichenteile verwendet. Diese können zudem nur einmalig und kurzzeitig für das Training genutzt werden, sind nicht einfach zu beschaffen und bedürfen einer ethischen Überprüfung.
An der Karl-Landsteiner-Privatuniversität Krems forscht Professor Dieter Pahr gemeinsam mit der ACMIT GmbH an einem neuen Zugang. Die Herstellung von Organmodellen mit realitätsnahen Materialeigenschaften ist das Ziel. Dafür werden unterschiedliche Kunststoffe, Silikone oder Mischungen dieser Materialien verwendet, die sich so anfühlen sollen wie echtes menschliches Gewebe. Die Erzeugnisse sind für Forschung und Medizinerausbildung gedacht, zur Transplantation sind sie nicht geeignet. Das Projekt beginnt damit, Material- und Organeigenschaften umfangreich zu analysieren. „Als Grundlage eines verbesserten 3D-Drucks für medizinische Modelle werden wir zunächst genau jene biomechanischen Eigenschaften identifizieren, die maßgeblichen Einfluss auf das gefühlte Gewebe- und Organverhalten haben. Daran anschließend werden wir untersuchen, welche Materialien sich für den 3D-Druck überhaupt eignen, was für Eigenschaften diese besitzen und welche realitätsnahen Mikrostrukturen druckbar sind“, erklärt Pahr. Anhand dieser fundamentalen Untersuchungen wird das Team anschließend erste Testprints mit geeigneten 3D-Druckmethoden machen. Für die Analyse steht ein hochmodernes Labor zur Verfügung mit Geräten zur Bildanalyse und Mikroskopie, modernster IT-Infrastruktur sowie einem Röntgen-Mikrocomputertomografen, der eine 3D-Röntgenbildgebung von feinsten inneren Strukturen erlaubt. Damit wollen die Forscher um Pahr ein Computermodell entwickeln, das es erlaubt, die mechanischen Eigenschaften eines 3D-gedruckten Gewebes anhand der Materialauswahl und der Druckeinstellungen vorherzusagen. Oder anders gesagt: Die gewonnenen Daten liefern am Ende Rezepte für den 3D-Drucker, der damit je nach Bedarf bestimmte Materialeigenschaften produziert.
Pahrs Projekt könnte in Zukunft jungen Medizinern helfen, komplizierte Eingriffe zu üben, ohne auf Spenderorgane zurückgreifen zu müssen – ein bedeutender Fortschritt, der es ermöglichen würde, die für medizinische Zwecke notwendigen Gewebe- und Organmodelle zu individualisieren und realitätsnah zu gestalten.
Im Fall der fiktiven Eva Hofer ist ein anderes Erzeugnis aus dem 3D-Drucker interessant. Rein technisch lassen sich nämlich auch biologische Gewebe drucken. Lebende Zellen werden mit Nährstoffen und Gelatine zu einer Art „Bio-Tinte“ vermengt. Sie wird genau wie Kunststoff Schicht für Schicht aufgetragen. Die Idee dahinter: Die gedruckten Zellen verbinden sich und bilden eine komplexe Struktur. Nach diesem Prinzip stellten Wissenschaftler schon Gewebe her, diese waren bisher aber nicht medizinisch nutzbar, weil sie nicht mit Nährstoffen versorgt werden konnten. Zellen überleben auf Dauer nur, wenn sie maximal 150 bis 200 Mikrometer vom nächsten Blutgefäß entfernt sind. Das entspricht etwa der Dicke eines Haares. Künstliche Gewebe kamen dadurch bisher nur für Blase, Blutgefäße oder Herzklappen infrage. Ein weiterer wichtiger Schritt war deshalb, die Nährstoffversorgung zu ermöglichen. Dafür druckten Forscher ein System von Mikrokanälen in das Gewebe. Durch das Kanalsystem werden die Zellen mit Nährstoffen versorgt – so weit die Theorie.
Weltweit arbeiten zahlreiche Wissenschaftler an der Serienreife des 3D-Bioprintings, das momentan noch in der Versuchsphase steckt. Vielleicht gibt es eines Tages tatsächlich aus dem Drucker alles, was das Herz begehrt.(sd)

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