Medizin am Abend Fazit: Biotinte basierend auf Spinnenseide: Neue Chancen für die regenerative Medizin
Spinnenseide eignet sich hervorragend als Material für Biotinte, mit der
gewebeähnliche Strukturen im dreidimensionalen Druck hergestellt werden
können. Die dabei verwendeten lebenden Zellen von Menschen oder Tieren
bleiben in der Regel funktionstüchtig. So eröffnen sich ganz neue
Möglichkeiten für die Regeneration von Herzmuskel-, Haut- oder
Nervengewebe. Zu diesem Ergebnis kommen Forschungsarbeiten, die aus einer
engen Zusammenarbeit von Prof. Dr. Thomas Scheibel (Lehrstuhl für
Biomaterialien, Universität Bayreuth) und Prof. Dr. Jürgen Groll
(Lehrstuhl für Funktionswerkstoffe der Medizin und der Zahnheilkunde,
Universität Würzburg) hervorgegangen sind.
„Biofabrikation“ ist der Name eines jungen Forschungsgebiets, das weltweit
mit zunehmender Intensität bearbeitet wird. Es geht dabei insbesondere um
die Produktion von gewebeähnlich aufgebauten Strukturen durch 3D-
Drucktechniken. Solche Strukturen, wie sie für die Wiederherstellung von
beschädigtem Gewebe benötigt werden, setzen sich aus zwei Bestandteilen
zusammen: aus einem porösen Gerüst und aus lebenden Zellen, die sich in
den Zwischenräumen dieses Gerüsts befinden.
Exzellente Eigenschaften der Spinnenseide ermöglichen einfache 3D-
Verfahren
Bisher hat man derartige Strukturen hauptsächlich in konsekutiven
Verfahren entwickelt. Dabei wird zunächst das Gerüst mit den gewünschten
molekularen Strukturen vorgefertigt und anschließend mit lebenden Zellen
„beladen“. Bei der Optimierung der Materialien, die als Gerüstmaterialien
verwendet werden, konnten bisher deutliche Erfolge erzielt werden. Dennoch
sind diese Verfahren nur eingeschränkt tauglich, um Zellen in den Gerüsten
gezielt gewebeartig anzuordnen.
Erheblich vorteilhafter für solche medizinischen Anwendungen sind
dreidimensionale Druckverfahren, bei denen Biotinte – bestehend aus den
Bausteinen des Gerüsts und aus lebenden Zellen – zum Einsatz kommt. Bei
der Entwicklung einer neuen Biotinte auf Basis von Spinnenseide ist dem
Forschungsteam in Bayreuth und Würzburg nun ein entscheidender Durchbruch
gelungen. Denn Spinnenseide hat keine zelltoxischen Wirkungen, wird nur
langsam abgebaut und löst keine Immunreaktionen aus. Vor allem aber konnte
das Forschungsteam in Bayreuth und Würzburg nachweisen, dass eine Biotinte
auf Basis von Spinnenseide allen anderen bisher getesteten Materialien
überlegen ist. Ein Gel, in dem Spinnenseidenmoleküle und lebende Zellen
gemischt sind, “fließt“ im Druckkopf des 3D-Druckers, so dass auch feine
Gerüststrukturen auf einer Oberfläche aufgetragen werden können; hier aber
verfestigt sich das Gel sofort. Der Grund für diesen blitzschnellen
Wechsel von „flüssig“ zu „fest“ liegt darin, dass sich die
Spinnenseidenmoleküle in ihrer Struktur umlagern – ein Mechanismus, den
auch die Spinne bei der Faserproduktion nutzt.
Neue Perspektiven für die Wiederherstellung von Herzmuskel-, Nerven- oder
Hautgewebe
Als lebende Zellen wurden zunächst Fibroblasten von Mäusen und
anschließend – mit gleichbleibendem Erfolg – menschliche Zellen verwendet.
„Die bisher erzielten Forschungsergebnisse machen uns deshalb
zuversichtlich, dass sich durch den Einsatz von Spinnenseide als Biotinte
langfristig völlig neue Perspektiven für die regenerative Medizin
erschließen“, erklärt Prof. Dr. Thomas Scheibel. „Es wäre beispielsweise
möglich, Zellstrukturen zu züchten, die funktionsunfähiges
Herzmuskelgewebe ersetzen. Und auch im Hinblick auf die Reparatur
zerstörter Nervenbahnen oder Hautpartien zeichnen sich hochinteressante
Möglichkeiten ab, die wir in unseren Forschungsarbeiten zur Biofabrikation
weiter ausloten wollen.“
Prof. Dr. Jürgen Groll ergänzt: „Die Biofabrikation braucht dringend neue
Biotinten mit variablen Eigenschaften, um funktionale Gewebestrukturen
züchten zu können. Mit dem neuen 3D-Druckverfahren auf der Basis von
Spinnenseide konnten wir das Forschungsfeld um eine vielversprechende
Möglichkeit erweitern.“
Ein Baustein für das neue Bayerische Polymerinstitut
Die beiden Wissenschaftler sehen in ihren künftigen Forschungsarbeiten zur
Biofabrikation einen vielversprechenden Baustein des künftigen Bayerischen
Polymerinstituts (BPI), das auf engen Kooperationen zwischen den
Universitäten Bayreuth, Erlangen-Nürnberg und Würzburg beruht und von der
Bayerischen Staatsregierung im Rahmen ihres Nordbayern-Plans finanziert
wird. Die jetzt in der „Angewandten Chemie“ publizierten Ergebnisse wurden
von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) sowie aus dem siebten
Rahmenprogramm der Europäischen Union gefördert.
Veröffentlichung:
Kristin Schacht, Tomasz Jüngst, Matthias Schweinlin, Andrea Ewald, Jürgen
Groll und Thomas Scheibel,
Dreidimensional gedruckte, zellbeladene Konstrukte aus Spinnenseide,
Angewandte Chemie (2015), doi: 10.1002/ange.201409846
Medizin am Abend DirektKontakt:
Prof. Dr. Thomas Scheibel
Universität Bayreuth
Lehrstuhl für Biomaterialien
D-95440 Bayreuth
Tel.: +49 (0)921 / 55-7360
E-Mail: thomas.scheibel@uni-bayreuth.de
Universität Bayreuth, Christian Wißler
Spinnenseide eignet sich hervorragend als Material für Biotinte, mit der
gewebeähnliche Strukturen im dreidimensionalen Druck hergestellt werden
können. Die dabei verwendeten lebenden Zellen von Menschen oder Tieren
bleiben in der Regel funktionstüchtig. So eröffnen sich ganz neue
Möglichkeiten für die Regeneration von Herzmuskel-, Haut- oder
Nervengewebe. Zu diesem Ergebnis kommen Forschungsarbeiten, die aus einer
engen Zusammenarbeit von Prof. Dr. Thomas Scheibel (Lehrstuhl für
Biomaterialien, Universität Bayreuth) und Prof. Dr. Jürgen Groll
(Lehrstuhl für Funktionswerkstoffe der Medizin und der Zahnheilkunde,
Universität Würzburg) hervorgegangen sind.
„Biofabrikation“ ist der Name eines jungen Forschungsgebiets, das weltweit
mit zunehmender Intensität bearbeitet wird. Es geht dabei insbesondere um
die Produktion von gewebeähnlich aufgebauten Strukturen durch 3D-
Drucktechniken. Solche Strukturen, wie sie für die Wiederherstellung von
beschädigtem Gewebe benötigt werden, setzen sich aus zwei Bestandteilen
zusammen: aus einem porösen Gerüst und aus lebenden Zellen, die sich in
den Zwischenräumen dieses Gerüsts befinden.
Exzellente Eigenschaften der Spinnenseide ermöglichen einfache 3D-
Verfahren
Bisher hat man derartige Strukturen hauptsächlich in konsekutiven
Verfahren entwickelt. Dabei wird zunächst das Gerüst mit den gewünschten
molekularen Strukturen vorgefertigt und anschließend mit lebenden Zellen
„beladen“. Bei der Optimierung der Materialien, die als Gerüstmaterialien
verwendet werden, konnten bisher deutliche Erfolge erzielt werden. Dennoch
sind diese Verfahren nur eingeschränkt tauglich, um Zellen in den Gerüsten
gezielt gewebeartig anzuordnen.
Erheblich vorteilhafter für solche medizinischen Anwendungen sind
dreidimensionale Druckverfahren, bei denen Biotinte – bestehend aus den
Bausteinen des Gerüsts und aus lebenden Zellen – zum Einsatz kommt. Bei
der Entwicklung einer neuen Biotinte auf Basis von Spinnenseide ist dem
Forschungsteam in Bayreuth und Würzburg nun ein entscheidender Durchbruch
gelungen. Denn Spinnenseide hat keine zelltoxischen Wirkungen, wird nur
langsam abgebaut und löst keine Immunreaktionen aus. Vor allem aber konnte
das Forschungsteam in Bayreuth und Würzburg nachweisen, dass eine Biotinte
auf Basis von Spinnenseide allen anderen bisher getesteten Materialien
überlegen ist. Ein Gel, in dem Spinnenseidenmoleküle und lebende Zellen
gemischt sind, “fließt“ im Druckkopf des 3D-Druckers, so dass auch feine
Gerüststrukturen auf einer Oberfläche aufgetragen werden können; hier aber
verfestigt sich das Gel sofort. Der Grund für diesen blitzschnellen
Wechsel von „flüssig“ zu „fest“ liegt darin, dass sich die
Spinnenseidenmoleküle in ihrer Struktur umlagern – ein Mechanismus, den
auch die Spinne bei der Faserproduktion nutzt.
Neue Perspektiven für die Wiederherstellung von Herzmuskel-, Nerven- oder
Hautgewebe
Als lebende Zellen wurden zunächst Fibroblasten von Mäusen und
anschließend – mit gleichbleibendem Erfolg – menschliche Zellen verwendet.
„Die bisher erzielten Forschungsergebnisse machen uns deshalb
zuversichtlich, dass sich durch den Einsatz von Spinnenseide als Biotinte
langfristig völlig neue Perspektiven für die regenerative Medizin
erschließen“, erklärt Prof. Dr. Thomas Scheibel. „Es wäre beispielsweise
möglich, Zellstrukturen zu züchten, die funktionsunfähiges
Herzmuskelgewebe ersetzen. Und auch im Hinblick auf die Reparatur
zerstörter Nervenbahnen oder Hautpartien zeichnen sich hochinteressante
Möglichkeiten ab, die wir in unseren Forschungsarbeiten zur Biofabrikation
weiter ausloten wollen.“
Prof. Dr. Jürgen Groll ergänzt: „Die Biofabrikation braucht dringend neue
Biotinten mit variablen Eigenschaften, um funktionale Gewebestrukturen
züchten zu können. Mit dem neuen 3D-Druckverfahren auf der Basis von
Spinnenseide konnten wir das Forschungsfeld um eine vielversprechende
Möglichkeit erweitern.“
Ein Baustein für das neue Bayerische Polymerinstitut
Die beiden Wissenschaftler sehen in ihren künftigen Forschungsarbeiten zur
Biofabrikation einen vielversprechenden Baustein des künftigen Bayerischen
Polymerinstituts (BPI), das auf engen Kooperationen zwischen den
Universitäten Bayreuth, Erlangen-Nürnberg und Würzburg beruht und von der
Bayerischen Staatsregierung im Rahmen ihres Nordbayern-Plans finanziert
wird. Die jetzt in der „Angewandten Chemie“ publizierten Ergebnisse wurden
von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) sowie aus dem siebten
Rahmenprogramm der Europäischen Union gefördert.
Veröffentlichung:
Kristin Schacht, Tomasz Jüngst, Matthias Schweinlin, Andrea Ewald, Jürgen
Groll und Thomas Scheibel,
Dreidimensional gedruckte, zellbeladene Konstrukte aus Spinnenseide,
Angewandte Chemie (2015), doi: 10.1002/ange.201409846
Medizin am Abend DirektKontakt:
Prof. Dr. Thomas Scheibel
Universität Bayreuth
Lehrstuhl für Biomaterialien
D-95440 Bayreuth
Tel.: +49 (0)921 / 55-7360
E-Mail: thomas.scheibel@uni-bayreuth.de
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