DIE ANWENDUNG VON 3D-DRUCK UND IKT FÜR GRÜNE PRODUKTE UND PROZESSE
Basisniveau
Der 3D-Druck erzeugt ein greifbares Objekt, indem aufeinanderfolgende Schichten hinzugefügt werden, die Querschnitte des Objekts darstellen.
Inhalt
Funktionsprinzipien des 3D-Drucks
Definitionen
Der 3D-Druck erzeugt ein greifbares Objekt, indem aufeinanderfolgende Schichten hinzugefügt werden, die Querschnitte des Objekts darstellen. Die einfachste Anspielung darauf ist die Herstellung eines Schichtkuchens (Abb. 1), nur dass die Schichten zahlreich und typischerweise sehr dünn sind, nur etwa 1/5 des Millimeters.
A.
B.
Abbildung 1. Schichten und Schichtung im 3D-Druck.
A – Geschichteter Kuchen, der das Grundprinzip des 3D-Drucks darstellt. Quelle: Caroline's Cakes – Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12799030
B – 3D-gedrucktes Schokoladenschloss. Quelle: FM1418, CC BY-SA 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0>, via Wikimedia Commons
Der 3D-Druck ist sowohl vom Verfahren als auch vom Material her dem routinemäßigen 2D-Druck mit Tinte und Papier sehr ähnlich.
Dennoch wird beim typischen 2D-Druck nur eine Illusion von Tiefe durch Perspektive und Farbe oder Graustufen erzeugt, während beim 3D-Druck greifbare 3D-Objekte entstehen. Diese können eine Vielzahl von Zwecken haben, von der schnellen Erstellung von Prototypen für Forschung und Industrie bis hin zu gedruckten Objekten für den alltäglichen oder speziellen Gebrauch; Maschinenteile; maßgeschneiderte kulinarische Artikel wie das in Abb. 1B dargestellte Schokoladenschloss; gedruckte implantierbare Materialien für die regenerative Medizin und möglicherweise „Ersatzteile“ für den menschlichen Körper; und neuartige Formen der Kunst.
Ein einfacher Desktop-3D-Drucker mit PC ist in Abb. 2 dargestellt.
Abbildung 2. LulzBot TAZ (FAME 3D, Fargo, ND, USA), eine Open-Source-3D-Druckmaschine auf Basis der FDM-Technologie. Quelle: Ochs, J. – College, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=59898086
Normalerweise ist der Prozess des 3D-Drucks eines Objekts additiv (daher wird der 3D-Druck auch als „additive Fertigung“ bezeichnet). Dabei werden Schichten über Schichten eines druckbaren Materials (allgemein als „3D-Tinte“ bezeichnet) aufgetragen, bis das Objekt vollständig ist.
3D-gedruckte Objekte müssen nicht in sich massiv sein (obwohl sie es sein könnten). Sie können jede Art von Hohlräumen enthalten, die in der für den Druck verwendeten Datendatei eingerichtet wurde, da jede Schicht einen Querschnitt auf einer bestimmten Ebene im hergestellten Objekt darstellt.
Ein kurzes Zeitraffer-Gif, das den grundlegenden Prozess des 3D-Drucks veranschaulicht, kann hier angesehen werden:
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ed/Robot_3D_print_timelapse_on_RepRapPro_Fisher.gif
Der heutzutage am häufigsten verwendete 3D-Druck ist das Fused Deposition Modeling (FDM), obwohl andere Arten schnell an Popularität gewinnen.
Kurze Geschichte des Feldes
Es wird allgemein angenommen (und zitiert), dass die Idee des 3D-Drucks erst in den 1950er Jahren entstand, als der Science-Fiction-Autor Raymond F. Jones eine Kurzgeschichte veröffentlichte, in der er den Einsatz von „molekularem Spray“ beschrieb, das durch Informationen von einem zuvor aufgezeichneten Datenband gesteuert wurde. Nichtsdestotrotz wurde die Möglichkeit der kontrollierten, freihändigen Herstellung eines komplexen, greifbaren Objekts, das virtuellen Anweisungen folgt, etwa 50 Jahre zuvor von dem großen Visionär Joseph Rudyard Kipling in seiner Kindergeschichte „Wie das Kamel seinen Humph bekam“ vorhergesehen. Der erste Versuch des 3D-Drucks kam jedoch erst in den 1970er Jahren, und er beinhaltete sowohl die Erstellung als auch die Entfernung von Objekten. Konkret handelte es sich dabei um den patentierten ‚Liquid metal recorder‘ von Johannes F. Gottwald (US3596285A), der elektrisch leitende metallische Tinte verwendete, die unter Druck gegen eine Oberfläche getrieben wurde. Die geschmolzene Tinte würde bei Drucktemperatur fließen, sich aber verfestigen, wenn sie mit der Oberfläche in Berührung kommt. Dann könnte sie durch Erhöhen der Temperatur über den Schmelzpunkt entfernt werden, was die Wiederverwendung der Tinte und der Oberfläche zur weiteren Verwendung ermöglicht.
Wie bei den meisten neuartigen Konzepten hatte auch die Idee des 3D-Drucks keinen frühen Erfolg. In den frühen 1980er Jahren wurde von Hideo Kodama in Japan ein Patent für die additive Herstellung eines „stereoskopischen Figurenzeichners“ unter Verwendung von UV-härtendem Polymer angemeldet, bei dem die Bereiche der UV-Bestrahlung durch ein vorgegebenes Maskierungsmuster gesteuert wurden (JP S56144478 A). Trotz der zeitnahen Veröffentlichung seiner Ergebnisse konnte Kodama kein großes Interesse an seinem Projekt wecken und es wurde daraufhin eingestellt.
Vier Jahre später ereilte in Frankreich das gleiche Schicksal das von Le Méhauté, de Witte und André vorgestellte Konzept für die Stereolithographie und das anschließende Patent für das Verfahren, angeblich „mangels wirtschaftlicher Perspektive“ [http://www.primante3d.com/inventeur/].
Etwa zu dieser Zeit meldete der Amerikaner William E. Masters das erste einer Reihe von Patenten an (nämlich das Patent für „Computer Automated Manufacturing Process and System“ (US 4665492), das schließlich den Grundstein für den 3D-Druck, wie wir ihn kennen, legte.
Nur zwei Jahre später erhielt der Amerikaner Charles Hull ein Patent für einen eigenen „Apparat zur Herstellung von Stereolithographen“ (US4575330A), gründete seine eigene Firma und brachte schließlich 1987 den ersten kommerziellen 3D-Drucker, den SLA-1, auf den Markt. Das Patent für die heute am häufigsten verwendete Art des 3D-Drucks – den FDM – wurde 1989 in den USA von S. Scott Crump angemeldet (US5340433A) und das erste FDM-Gerät kam 1992 auf den Markt. Hull gab auch die bis heute wohl einfachste und dennoch vollständige Definition des 3D-Drucks, nämlich: „A system for generating three-dimensional objects by creating a cross-sectional pattern of the object to be formed…„, in der Beschreibung seines Patents für „Method for production of three-dimensional objects by stereolithography“ (US5174943A).
Vor- und Nachteile des 3D-Drucks als Fertigungsverfahren
Die Verwendung des 3D-Drucks bietet zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen Fertigungsmethoden. Einige davon sind im Folgenden aufgeführt:
- Komplexe Konstruktion
Da das Objekt nicht aus einem Block ausgeschnitten wird, kann der 3D-Druck verschiedene Designs mit sehr komplexer Struktur verarbeiten.
- Möglichkeiten für Änderungen in letzter Minute.
Das Design ist leicht modifizierbar und eine Vielzahl von verschiedenen Prototypen eines Objekts kann schnell hergestellt und getestet werden.
- Einfache und schnelle Anpassung des Designs an die individuellen Bedürfnisse
Im Gegensatz zu herkömmlichen Fertigungsmethoden betrifft die Einführung notwendiger Änderungen eher die Dateien als die Maschine selbst und kann mit sehr geringer Vorankündigung durchgeführt werden.
- Ergibt leichte und langlebige Objekte
Das hängt vom verwendeten Material ab, aber die meisten kommerziellen 3D-Drucker verwenden Kunststoff, obwohl auch die Verwendung anderer Materialien wie Gips, Metall, Metalllegierungen usw. möglich ist.
- Relativ schnelle Produktion in kleineren Maßstäben
Je nach Größe und Komplexität des Entwurfs können die meisten Objekte innerhalb von Stunden hergestellt werden, obwohl größere Objekte mehr Zeit in Anspruch nehmen können.
- Geringer (im Vergleich zu traditionellen Herstellungsverfahren) Materialabfall
Auch hier ist der Materialverlust vernachlässigbar gering, da kein Schneiden, Bohren oder Ausbohren stattfindet. Eine Ausnahme bildet der pulverbasierte 3D-Druck, bei dem überschüssiges Pulver in der Regel verloren geht.
- Kann kostengünstiger sein als traditionelle Herstellungsmethoden
Das hängt im Wesentlichen vom Material und dem zur Herstellung verwendeten Verfahren ab.
- Der Zugang von Forschern, der Industrie und der Öffentlichkeit zu 3D-Druckern wird immer einfacher
Derzeit ist es relativ einfach, Zugang zu einem 3D-Drucker zu erhalten, obwohl es normalerweise eine Warteschlange von Kunden gibt, die auf die Nutzung der Geräte warten. Die Wartezeit hängt von der Marke und dem Modell des Druckers, der Institution, bei der er untergebracht ist, und der Art der Nutzung des 3D-Druckers ab.
- Kann umweltfreundlicher sein als herkömmliche Herstellungsmethoden
Auch dies hängt von der Art des verwendeten Materials, der Intensität der Nutzung und der Wartung der Geräte ab. Weggeworfene Gegenstände, Abwasser und die Emission kleiner Partikel können jedoch ein Problem darstellen (siehe unten).
- Spezielle Anwendungen des 3D-Drucks in der reparativen und regenerativen Medizin (3D-Bioprinting)
Erhebliche Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen werden derzeit in die Entwicklung einer neuen Generation von implantierbaren Materialien investiert. Anstatt einfach nur inerte Unterstützung, reibungsfreundliche Oberflächen und Überbrückung zwischen intakten Teilen des beschädigten Gewebes zu bieten (was die Hauptfunktionen der meisten implantierbaren Materialien von heute sind), können die neuen Materialien vermutlich auch ein Teil des natürlichen Lebensraums der Zellen des beschädigten Gewebes werden. Solche Materialien können rein künstlichen Ursprungs sein, aber biologischem Gewebe ähneln (biomimicking materials). Eine mögliche Anwendung des 3D-Bioprinting ist die Bereitstellung einer optimalen 3D-Umgebung der implantierbaren Materialien für die Besiedlung mit lebenden Zellen aus dem umgebenden Gewebe. Eine weitere vielversprechende Anwendung des 3D-Bioprinting ist das Potenzial zur Schaffung von lebendem Gewebe (und möglicherweise funktionierenden Ersatzorganen und verschiedenen „Ersatzteilen“ für lebende Körper) unter Verwendung von auf lebenden Zellen basierenden Materialien als druckbare „Biotinte“ (siehe unten).
Mögliche Einschränkungen des 3D-Drucks im Vergleich zu traditionellen Fertigungsmethoden können sein:
- Einschränkungen durch Fehler in der Konstruktion
Während es praktisch keine Grenzen für mögliche Designtypen gibt, kann ein einziger Fehler im Design zur Herstellung unbrauchbarer Objekte führen. Während einige Fehler im Design durch Nachbearbeitung minimiert werden können, kann dies die Zeit zur Bearbeitung eines Auftrags erhöhen und die Haltbarkeit des Objekts verringern.
- Begrenzung durch das Material
Die meisten 3D-Drucker verwenden als Tinte eine Art Kunststoffpolymer, obwohl einige auch mit Metall und Metalllegierungen drucken können. Objekte, die produziert und dann weggeworfen werden, können ein Problem darstellen, wenn das Material nicht biologisch abbaubar und/oder recycelbar ist. Der Druck und die Nachbearbeitung können zur Emission von Partikeln führen, die zur Umweltverschmutzung beitragen und beim Einatmen und Verschlucken ein krebserregendes Potenzial haben können.
Die Probleme mit dem Material für das Bioprinting können sich beim 3D-Bioprinting noch verschärfen, da die Lebensfähigkeit der lebenden Zellen und die Biokompatibilität von größter Bedeutung sind.
- Begrenzungen durch die Größe des Objekts
Sehr große Objekte lassen sich möglicherweise nur schwer in einem Stück herstellen. Verschiedene Teile des Objekts müssen möglicherweise separat gedruckt und dann zusammengesetzt werden. Dies kann die Zeit und die Kosten für die Herstellung erhöhen und die Haltbarkeit des Objekts verringern (siehe unten).
- Die Integrität der produzierten Objekte kann beeinträchtigt werden
Dies kann vor allem dann ein Problem sein, wenn Teile separat hergestellt und dann zusammengefügt werden. Unter physischer Belastung können sich die Schichten lösen (insbesondere bei FDM-produzierten Objekten) und komplexe Objekte können spröde und empfindlich in der Handhabung sein.
- 3D-gedruckte Objekte müssen möglicherweise nachbearbeitet werden
Im Wesentlichen macht dies keinen Unterschied zur traditionellen Fertigung. Auch hier kann dies die Zeit und die Kosten für die Fertigung erhöhen.
- Kosten werden bei größeren Chargen im Allgemeinen nicht reduziert
In der traditionellen Fertigung sind die Herstellungskosten pro Objekt oder pro Charge in der Regel geringer, wenn die Anlagen voll ausgelastet sind. Dies ist beim 3D-Druck nicht der Fall, und die Herstellung großer Mengen kann kostspielig sein.
- Copyright-Fragen
Das ist selbsterklärend. Es geht nicht nur um die gefertigten Objekte, sondern auch um die Software, die Hardware und die Prozesse, die zu deren Herstellung verwendet werden.
- Ethische Fragen, die hauptsächlich das 3D-Bioprinting von lebendem Gewebe betreffen
- Kann indirekt zum Abbau von Arbeitsplätzen im traditionellen Fertigungssektor führen.
Grundlagen der 3D-Druckverfahren und Materialien
Arten von 3D-Druckverfahren
Derzeit gibt es viele Arten von 3D-Drucktechnologien. Allen gemeinsam ist, dass greifbare Objekte durch Ablagerung aufeinanderfolgender Schichten erzeugt werden, anstatt das Objekt aus einem massiven Block auszuschneiden und/oder zu bohren, zu fräsen oder zu bohren. Jede aufeinanderfolgende Schicht stellt einen Querschnitt des zu konstruierenden Objekts dar. Der Prozess wird von einem Computer gesteuert, der mit entsprechender Software für die Erstellung von Konstruktionsdateien, die Dateibearbeitung und den Druck von Objekten ausgestattet ist (siehe weiter unten für Details).
Einige der gängigsten Technologien für den 3D-Druck werden im Folgenden kurz vorgestellt. Diese Liste ist keineswegs exklusiv.
- Flüssige oder halbfeste tintenbasierte Technologien: SLA, FDM, EXT, PolyJet
Alle drei basieren auf der Abscheidung von Schichten flüssiger (mehr oder weniger zähflüssiger) Tinte, die dann durch Wärme oder gerichteten Lichtstrahl (emittiert von einer UV-Lampe oder einem Laser) miteinander verschmolzen werden. Die Tinte kann aus einer Düse extrudiert oder, wenn sie von höherer Konsistenz ist, von einer Spule zugeführt werden.
- Stereolithographie (SLA)
Der stereolithografische 3D-Druck ist vielleicht die am leichtesten verständliche aller 3D-Drucktechnologien, wahrscheinlich weil die Photopolymerisation in der modernen Zahnmedizin häufig verwendet wird. Grundsätzlich handelt es sich bei der Stereolithografie um die Lichthärtung von lichtempfindlichem Material, das schichtweise auf eine bewegliche Plattform extrudiert wird. Die Wellenlänge der Lichtquelle liegt meist im UV-Bereich, es können aber auch andere Wellenlängen verwendet werden. SLA-Materialien polymerisieren über freie radikalische Polymerisation.
Bei der Herstellung des Objekts müssen möglicherweise verschiedene Teile des Objekts gestützt werden, um ein Zusammenfallen der gesamten Struktur zu vermeiden. Aufeinanderfolgende Schichten werden durch Kreuzpolymerisation der gerade polymerisierten Schicht mit der neu aufgebrachten Schicht, bei der die Polymerisation noch nicht abgeschlossen ist, aneinander haftend gemacht. Da die Polymerisation einige Zeit in Anspruch nehmen kann, braucht das gedruckte Objekt in der Regel einige Zeit, um auszuhärten, dann werden Stützen entfernt (falls nach dem Auftragen der letzten Schicht noch welche übrig sind), dann kann eine abschließende Nachbearbeitung erfolgen.
Ein SLA-gedrucktes 3D-Modell ist in Abb. 3 dargestellt.
Abbildung 3. Stereolithographie des knöchernen Labyrinths des Innenohrs beim Menschen. Quelle: Didier Descouens, CC BY-SA 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0>, via Wikimedia Commons
Die beim SLA-basierten Druck verwendete Tinte ist in der Regel flüssig in ihrer unpolymerisierten Form. Sie ist meist auf Epoxid- oder Acrylbasis, obwohl auch Tinten auf Basis von Trimethylencarbonat, Polycaprolacton und Polylactid verwendet werden können. Die Verwendung solcher Materialien führt zu gedruckten Objekten mit erheblicher Steifigkeit, die jedoch recht zerbrechlich sind. Daher eignet sich SLA sehr gut für Rapid Prototyping und Forschungszwecke (z. B. Tissue Engineering Scaffolds), aber nicht für Objekte, die dauerhaft sein müssen. SLA hat eine recht hohe Auflösung (die minimale Schichtdicke beträgt 50 μm) und ist daher sehr zuverlässig, wenn feine Details von entscheidender Bedeutung sind.
Mit SLA erstellte Objekte können lichtempfindlich sein und dazu neigen, sich mit der Zeit aufzulösen, insbesondere wenn sie in hellen Umgebungen aufbewahrt werden.
Beim SLA-Druck werden nur selten Lösungsmittel verwendet, daher ist das Risiko des Austretens von Dämpfen in die Atmosphäre gering. Aufgrund der Zerbrechlichkeit von SLA-gedruckten Objekten können weggeworfene Objekte dennoch eine Gefahr für die Umwelt darstellen. Die Verwendung von UV erfordert besondere Vorsichtsmaßnahmen, um eine versehentliche Exposition von Oberflächen, Objekten und Bedienern gegenüber dem aushärtenden Strahl zu vermeiden. Einige der für die Stereolithografie verwendeten Tinten können ein erhebliches neurotoxisches und karzinogenes Potenzial aufweisen. Auch die UV-vermittelte Bildung von Ozon muss möglicherweise berücksichtigt werden.
- Fused Deposition Modeling (FDM), auch bekannt als Fused Filament Fabrication (FFF)
Zurzeit ist dies die am häufigsten verwendete Technologie für den 3D-Druck. Die FDM-Technologie basiert auf der Extrusion eines Filaments aus thermoplastischer Tinte, das von einer Spule durch eine bewegliche, beheizte Druckerdüse geführt wird. Die Tinte in der Düse wird knapp über ihren Schmelzpunkt erhitzt und in halbfester Form extrudiert, die sich fast sofort verfestigt, nachdem eine Schicht aufgetragen wurde. Das Objekt wird auf einer beweglichen Plattform aufgebaut, die sich allmählich absenkt, während die Struktur wächst (Abb. 4).
Abbildung 4. Funktionsprinzip von FDM-Druckern. Quelle: By Gringer – Own work, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=73614647.
Die minimale Schichtdicke für FDM beträgt 100 μm. Die am häufigsten verwendeten Tintenmaterialien für FDM sind Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polylactid (PLA) und Polyethylenterephthalatglykol (PETG). Andere, wie Polyphenylether (PPE), Polyurethan (PU), Polyethylenterephthalatglykol (PETG), Polyphenylsulfon (PPSP), Polycarbonat (PC), Polyetherimid (PEI), Polyetherketon (PEEK), Polyamid (PA, allgemein bekannt als Nylon) sind ebenfalls im Einsatz. Polyvinylalkohol (PVA) kann ebenfalls verwendet werden, aber da es hydrophil ist, wird PVA am häufigsten zur Herstellung von leicht entfernbaren Trägern für eine Struktur verwendet, die mit einer anderen Art von thermoplastischer Tinte gedruckt wurde.
Die beheizbare Tinte für FDM kann auch in Form von Stäbchen oder Granulat vorliegen. Eine Variante des FDM verwendet die Kaltextrusion von unbeheizter Tinte, die üblicherweise als Slurry oder Paste geliefert wird.
Ein FDM-Drucker mit einer Spule Filament ist in Abb. 5 dargestellt.
Abbildung 5. PRUSA i3 MK2 FDM-Drucker (Prusa Research, Prag, Tschechische Republik) mit Spule und einem fertigen Objekt. Bildquelle: Wikimedia Commons, http://reprap.org/wiki/File:Prusai3-MK2.jpg.
Da FDM relativ kostengünstig ist, ist es besonders bei Bastlern und Desktop-Modellbauern beliebt. Darüber hinaus wird FDM häufig für das Rapid Prototyping im Maschinenbau, bei der Herstellung von Hochleistungsteilen und -maschinen, im Bildungswesen und in der Kunst eingesetzt.
Die mit FDM hergestellten Objekte sind deutlich haltbarer als die mit SLA hergestellten und mit sehr guter Qualität der Detailwiedergabe. FDM-Tinten unterschiedlicher Qualität ergeben Objekte mit unterschiedlichen Eigenschaften in Bezug auf Haltbarkeit, Steifigkeit und Flexibilität (siehe unten).
Die Nachteile des 3D-Drucks mit FDM beziehen sich hauptsächlich auf potenzielle Umweltgefahren (Verwendung von Lösungsmitteln, Emission kleiner Partikel bei der Nachbearbeitung und die Tatsache, dass die weggeworfenen Objekte recht langlebig sind).
- Semi-solid Extrusion (EXT) 3D-Druck
EXT 3D-Druck ist eine weitere Technologie, die auf Extrusion basiert. Die Tinte ist in der Regel ein Polymer-Lösungsmittel-Gemisch mit der Konsistenz einer Paste. EXT-Materialien sind nicht thermoplastisch und ermöglichen den Druck bei niedrigen Temperaturen. Auch hier wird das Objekt auf einer beweglichen Plattform aufgebaut.
EXT wird häufig in der Forschung (z. B. Gewebegerüste) und für pharmazeutische Zwecke (gezielte und/oder zeitgesteuerte Abgabe von Medikamenten) verwendet. Die biologische Sicherheit wird durch die Verwendung von Tinten auf Basis von Polyvinylpirrolidon, Polyethylenglykol, Methycelullose, Hydroxypropylmethylcellulose, Polycaprolacton und anderen Materialien gewährleistet. EXT ist einer der potentiellen Ansätze, um lebendes Gewebe aus einem Hydrogel zu pressen, das lebende Zellen enthält. Auch die Extrusion mit zähflüssiger Lebensmittelpaste (Zuckerguss, Schokolade, Gelee usw.) ist eine bevorzugte Methode für den 3D-Druck in der Lebensmittelindustrie (Abb. 6).
Abbildung 6. Extrusionsdruck für die Lebensmittelindustrie. Quelle: Grup de recerca de la Universitat de Columbia – https://www.creativemachineslab.com/digital-food.html, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=84202502
Da das Material für den EXT-3D-Druck weder lichtempfindlich noch thermoplastisch ist, verfestigen sich die Schichten normalerweise nicht sofort. Daher kann ein neu gedrucktes 3D-Objekt nach der Fertigstellung Zeit benötigen, um sich zu verfestigen und/oder zu trocknen, während das/die Lösungsmittel verdampfen. Außerdem kann es zu Verwerfungen, Schrumpfung und Verformung neigen. Die minimale Schichtdicke für EXT beträgt 800 μm. Diese geringe Auflösung ist den Semi-Solid-Extrusionstechniken inhärent.
- PolyJet
PolyJet ist eine weitere flüssigkeitsbasierte 3D-Drucktechnologie. Wie SLA basiert sie auf der schichtweisen UV-Härtung eines lichtempfindlichen Polymers. Die Tinte wird jedoch in Tröpfchen aus dem Druckkopf freigesetzt, die sich auf einer Bauplattform ansammeln, wie von einer bestimmten Software gesteuert. Die PolyJet-Technologie ermöglicht das Mischen von Tinten, was zu einer größeren Vielfalt an Eigenschaften der hergestellten Objekte führt.
PolyJet-Tinten umfassen eine große Vielfalt an Materialien. Zu den häufig verwendeten gehören ABS (verschiedene Modifikationen), die verwandte Verbindung Acryl-Styrol-Acrylnitril (ASA, hitzebeständiger und UV-beständiger als ABS), Polycarbonat und Polyetherketon-Keton (PEKK). Verschiedene lichtempfindliche Materialien, die in anderen flüssigkeitsbasierten 3D-Drucktechnologien verwendet werden, können auch in Polyjet eingesetzt werden. Es gibt auch die speziell entwickelte Serie der Vero PolyjetTM-Tinten, die von einem der Marktführer für 3D-Drucker und Materialien, Stratasys, patentiert wurde. Prominente Vertreter der biokompatiblen PolyJet-Materialien sind MED610 und MED620, ein Harz auf Methacrylatbasis, das in der Medizin und Zahnmedizin für Rapid Prototyping eingesetzt wird.
Vorteile der Verwendung von PolyJet sind die relativ hohe Auflösung (die minimale Schichtdicke beträgt 160 μm, was die Erstellung von stabilen Strukturen mit komplexer Geometrie und exquisiten Details ermöglicht) und die große Vielfalt an Eigenschaften (Festigkeit, Flexibilität, Farben usw.). Die Nachteile sind (neben den oben beschriebenen allgemeinen Nachteilen des 3D-Drucks) die inhärent hohe Emission kleiner Partikel, die Verwendung von UV-Licht und die Emission giftiger Dämpfe beim Aushärten von Objekten, die mit einigen Arten von Tinten (z. B. ASA) hergestellt wurden. Gedruckte Objekte müssen möglicherweise nachbearbeitet werden und können lichtempfindlich sein.
- Puderbasierter (PB) 3D-Druck
Die PB-3D-Drucktechnologie basiert auf der Abscheidung aufeinanderfolgender Schichten aus pulverförmigem Material und deren Bindung mittels einer flüssigen Binderlösung oder dem Verschmelzen mit anderen Methoden (siehe unten). Das Pulver wird in einem Pulverbett aufgetragen oder durch einen Pulverstrahl erzeugt und anschließend mit Binder besprüht oder bespritzt, mit Licht bestrahlt oder erhitzt, um die Integrität des Objekts zu erreichen.
Die minimale Schichtdicke kann beim PB-3D-Druck stark variieren und die Schichten können bei einigen Materialien bis zu 20-30 µm dünn sein. Diese sehr hohe Auflösung ermöglicht es, sehr komplexe Strukturen mit exquisiten Details zu erzeugen. Im Allgemeinen liegt die Schichtdicke jedoch bei etwa 200 µm.
Pulverförmige Materialien werden in der Regel durch kryogene Vermahlung in einer Kugelmühle bei einer Temperatur hergestellt, die unterhalb der Glasübergangstemperatur des Materials liegt. Die Zerkleinerung kann mit Niedrigtemperaturgasen (flüssiges CO2 oder flüssiger Stickstoff – Trockenmahlung) oder einer Mischung aus Niedrigtemperaturgas und organischen Lösungsmitteln (Nassmahlung) erfolgen. In seiner einfachsten Form ist der PB-3D-Druck mit Materialien wie pulverisierter Stärke oder Gips, die mit Klebstoff gebunden sind, realisierbar (Abb.7). Farbstoffe und Weichmacherverbindungen können der Bindungslösung zugesetzt werden, um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen.
Abbildung 7. Durch pulverbasierten 3D-Druck hergestellte schnelle Prototypen. Quelle: S Zillayali, CC BY-SA 3.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0>, via Wikimedia Commons.
Nachteile des PB-basierten 3D-Drucks beziehen sich zum einen auf die physikalischen Eigenschaften der mit dieser Art von Technologie erstellten Objekte und zum anderen auf die Notwendigkeit der Nachbearbeitung, um eine maximale Qualität zu erreichen. Objekte, die mit PB 3D gebaut werden, sind von Natur aus sehr porös und weisen daher eine schlechte mechanische Beständigkeit auf und können zerbrechlich sein.
PB-gedruckte Objekte benötigen immer Zeit für die Verdunstung der Lösungsmittel. Eine Nachbearbeitung ist in der Regel erforderlich, um überschüssiges Pulver zu entfernen (daher wird immer eine gewisse Menge an Material verschwendet) und um die Eigenschaften der hergestellten Objekte zu verbessern (Festigkeit, Farbe, Politur usw.). Die Emission von potenziell schädlichen kleinen Partikeln ist bei allen PB-basierten Technologien für den 3D-Druck ein ernstes Problem.
PB wird in der Forschung, Zahnmedizin und Medizin erfolgreich zur Herstellung von Implantaten und zur Herstellung von Arzneimitteln mit spezifischen pharmakokinetischen Eigenschaften wie schnell zerfallende Tabletten, Arzneimittel mit verzögerter, pulsierender oder verlängerter Freisetzung eingesetzt. Die biologische Sicherheit dieser Darreichungsformen wird durch die Verwendung von Methacrylat oder Ethylcellulose als Träger der bioaktiven Substanz gewährleistet.
- ColorJet
ColorJet ist nicht wirklich eine Technologie, sondern eine Marke für pulverbasierte 3D-Drucker und Zubehör, die in Indien hergestellt wird. Sie bietet eine der einfachsten Lösungen im PB-3D-Druck. Das verwendete Material ist meist weißes Gipspulver, obwohl auch Kunststoff verwendet werden kann (z. B. das firmeneigene, patentierte Visijet C4 Spectrum Pulver). Das Material wird auf eine bewegliche Plattform geschichtet und mit Klebstoff gebunden. Das Bindemittel kann verschiedene Farbstoffe enthalten, die dem zu bauenden Modell unterschiedliche Farben verleihen.
ColorJet wird am häufigsten für das Rapid Prototyping verwendet. Die minimale Schichtdicke beträgt etwa 100 μm, kann aber bei verschiedenen Materialien variieren.
Colorjet bietet eine preisgünstige Lösung, bei der Haltbarkeit, Sprödigkeit und Porosität nicht von großer Bedeutung sind. Daher ist es eine akzeptable Lösung für die Herstellung von Modellen für Ausbildung, Forschung und kommerzielle Zwecke (z. B. Verkaufsmodelle) und in der Kunst. Ein ähnlicher Prozess unter Verwendung von essbarem Pulver und einer Bindemittellösung wird in der Lebensmittelindustrie üblicherweise zur Herstellung von kundenspezifischen Süßigkeiten und Gerichten verwendet.
Mit ColorJet gedruckte Objekte benötigen unter Umständen eine umfangreiche Nachbearbeitung. Gipsstrukturen müssen nach ihrer Fertigstellung aushärten und die Lösungsmittel müssen verdampfen. Anschließend wird das Objekt poliert und mit einer anderen Art von Bindemittel (in der Regel Acryl) imprägniert, um maximale Festigkeit zu erreichen und die Oberflächenporosität zu verringern. Lösungsmitteldämpfe können ein Umweltproblem darstellen, ebenso wie die Emission kleiner Partikel.
- Selektives Laser-Sintern (SLS)
SLS weist die oben aufgeführten gemeinsamen Merkmale für den PB-3D-Druck auf. Beim SLS wird das pulverförmige Material geschichtet und ein gerichteter Lichtstrahl, der vom Druckkopf erzeugt wird, verflüssigt die Schichten teilweise und verschmilzt sie miteinander, während die Struktur aufgebaut wird, was allgemein als Einschnürung bezeichnet wird (Abb. 8).
Abbildung 8. Bildung eines „Halses“ zwischen zwei verschmelzenden Schichten (Pfeile). Quelle: Mendoza.755 – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=76830144
Die minimale Schichtdicke beim SLS beträgt etwa 100 μm.
SLS funktioniert sehr gut mit Materialien mit hohem Schmelzpunkt und wird daher am häufigsten mit Tinten auf Metallbasis verwendet. Es können auch Kunststoffe (Polyamid, Polycarbonat, Polystyrol und andere), thermoplastische Harze, Glas- und Keramikpulver verwendet werden. SLS wird häufig für das Rapid Prototyping in der Forschung (insbesondere für Gewebegerüste) und in der Zahnmedizin eingesetzt. Bislang sind die Entwicklungsmöglichkeiten der SLS-basierten Technologie in der pharmazeutischen Industrie recht begrenzt, da die Strahlungsenergie und die Hitze, die bei der Schichtfusion entstehen, die Eigenschaften der bioaktiven Substanz ernsthaft beeinträchtigen können.
In der Lebensmittelindustrie können pulverförmige Lebensmittel (Kakao, Zucker, etc.) für den 3D-Druck verwendet werden.
- Selektives Laserschmelzen (SLM)
SLM wird oft als eine Ableitung von SLS angesehen, da es hauptsächlich zum Drucken mit Metall- und Metalllegierungspulvern verwendet wird. Doch während der SLS-Druckkopf-Laser gerade genug Energie erzeugt, um die Schichten miteinander zu verschmelzen, verwendet SLM einen Hochleistungslaser, der einen Metallblock komplett schmelzen kann und dann ähnlich wie beim Gießen in die gewünschte Form bringen lässt. SLM erzeugt Objekte, die deutlich weniger porös sind als SLS und aufgrund der homogenen inneren Struktur eine bessere mechanische Belastbarkeit aufweisen. Ein Nachteil von SLM ist, dass die Objekte nach ihrer Fertigstellung poliert werden müssen, da es Strukturen mit erhöhter Oberflächenkörnung erzeugt.
Das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) ist eine Unterart des SLM, bei der in ähnlicher Weise ein elektronischer Strahl zum Schmelzen von Metallpulvern verwendet wird.
- Selektives Wärmesintern (SHS)
SHS basiert im Wesentlichen auf dem gleichen Prinzip wie SLS, aber die Tinte ist thermoplastisch bzw. die schichtweise Verschmelzung wird durch die von einem Thermodruckkopf erzeugte Wärme erreicht. Das am häufigsten verwendete Material bei SHS ist Kunststoff (speziell Polyamid, aber auch andere Polymere können verwendet werden).
Alle mit SLS oder SHS hergestellten Objekte sind anfällig für Verzug und Schrumpfung. Die mechanischen Eigenschaften der gedruckten Objekte können sowohl von Objekt zu Objekt als auch von Charge zu Charge inkonsistent sein. SLS- und SHS-gefertigte Objekte erfordern häufig eine Nachbearbeitung, wie z. B. das Entfernen von Trägern und die Beschichtung mit Versiegelungsmitteln, um die Oberflächenporosität zu verringern.
- Mehrstrahlfusion (MJF)
Der MJF-3D-Druck ist eine Mischform aus dem ColorJet-Verfahren (Verwendung von chemischen Bindemitteln) und dem SHS-Verfahren (Verwendung von Wärme), die hauptsächlich mit Polyamid (Nylon) arbeitet. Grundsätzlich wird feinkörniges Polyamid-Pulver auf ein Pulverbett geschichtet, mit Bindemittel besprüht oder gespritzt und dann selektiv nach Anweisung einer vorprogrammierten Software erhitzt. Die minimale Schichtdicke beträgt etwa 80 µm. Nach Fertigstellung des Objekts erfolgt die Nachbearbeitung (Entfernen von überschüssigem Pulver, Polieren, etc.). MJF produziert Objekte, die weniger porös und daher gleichmäßiger in ihren mechanischen Eigenschaften sind als SLS oder SHS und hat eine bessere Kapazität für die Reproduktion von feinen Details. Auch die Oberflächengüte ist mit MJF besser. Chemische Dämpfe und die Erzeugung kleiner Partikel sind ein Problem, wie bei allen PB-3D-Technologien.
Nachbearbeitungsanforderungen für verschiedene 3D-Drucktechnologien
Nicht alle durch 3D-Druck hergestellten Objekte müssen nachbearbeitet werden. Dennoch müssen viele nach Fertigstellung der Struktur nachbearbeitet werden. Ob ein Objekt nachbearbeitet werden muss, hängt vom Material, der Technologie, den gewünschten ästhetischen oder mechanischen Eigenschaften und anderen Faktoren ab.
Generell gibt es mehrere Arten der Nachbearbeitung von 3D-gedruckten Objekten:
- Abbinden und/oder Aushärten
Fast alle 3D-gedruckten Strukturen benötigen nach ihrer Fertigstellung eine gewisse Zeit, um zu reifen und optimale mechanische Eigenschaften zu erreichen. Objekte, die durch extrusionsbasierte Verfahren (insbesondere solche, die halbfeste Mischungen aus Polymer und Lösungsmittel verwenden) und pulverbasierte Verfahren mit Materialien, die mit Binderlösungen imprägniert wurden, hergestellt wurden, sind unmittelbar nach der Fertigstellung besonders empfindlich gegenüber mechanischer Belastung. In diesem Fall umfasst die Nachbearbeitung die Zeit für die Verdunstung des Lösungsmittels und die Aushärtung. In einigen Fällen (aber nicht immer) kann dies durch eine Erhöhung der Belüftung in den Räumen, in denen die fertigen Objekte aufbewahrt werden, erleichtert werden.
- Abstützung von unfertigen Strukturen
Komplexe Strukturen, die Überhänge enthalten, sind während der Herstellung möglicherweise ohne Stützen, wenn auch nur vorübergehend, nicht stabil. Diese Stützen müssen nach Fertigstellung der Struktur entfernt werden, was die Zeit bis zur Fertigstellung und die Produktionskosten erhöht (insbesondere, wenn dies mit manueller Arbeit verbunden ist). Beim SLA-basierten 3D-Druck werden Stützen für eine mit thermoplastischer Tinte gedruckte Struktur meist aus Polyvinylalkohol hergestellt. Da er löslich ist, können solche Stützen bei der Nachbearbeitung mit einem Wasserstrahl leicht entfernt werden. Letzteres erfordert jedoch Rohrleitungen, einen Zugang zu Wasser und ein Dekontaminationssystem für das Abwasser (was die Kosten ebenfalls erhöhen kann). Temporäre Stützstrukturen in SLS und SHS bestehen in der Regel aus ungesintertem Material, das abgesaugt oder weggeblasen werden kann.
- Entfernen von überschüssigem Material
Dies ist entscheidend für Objekte, die mit den meisten pulverbasierten Methoden hergestellt werden. Überschüssiges Pulver muss mit Hilfe von Vakuum, Druckluft oder einem Wasserstrahl entfernt werden (auch hier ergeben sich Bedenken hinsichtlich der Wasserversorgung und der Dekontaminierung des Abwassers).
- Polieren
Polieren ist ein Muss für die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von mechanischen Teilen (insbesondere solchen, die Bewegung und Reibung ausgesetzt sind) und Objekten mit erhöhter Körnigkeit der Oberfläche (wie solche, die durch selektives Laserschmelzen hergestellt werden). Objekte mit ästhetischen Eigenschaften müssen möglicherweise ebenfalls poliert werden.
- Versiegelung von Oberflächenporen
Dies ist ein wichtiger Nachbearbeitungsschritt für Technologien, die Objekte mit erhöhter Porosität ergeben, wie SLS oder SHS. Oberflächenporen können mit undurchlässigen Beschichtungen wie Cyanacrylatbeschichtungen oder durch heißisostatisches Pressen versiegelt werden.
- Malen
Dies ist in der Regel nicht erforderlich, da die meisten 3D-Druckverfahren andersfarbige Materialien oder andersfarbige Bindemittel verwenden.
Welches Verfahren für was? Grundlegende Überlegungen bei der Auswahl der für eine bestimmte Anwendung geeigneten 3D-Drucktechnologie
Obwohl alle 3D-Drucktechnologien sich überschneidende Anwendungen haben können (z. B. Rapid Prototyping), gibt es Faktoren, die bei der Auswahl einer 3D-Drucktechnologie für ein bestimmtes Projekt oder eine spezifische industrielle Lösung eine Rolle spielen können. Die wichtigsten Überlegungen sind:
- Art des Materials, das zum Drucken eines Objekts verwendet werden kann. Viele der auf dem Markt befindlichen 3D-Drucker können eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien verwenden. Architektur-, Verkaufs- und Ausstellungsmodelle sowie Modelle für Ausbildungszwecke können bequem mit ColorJet-, SLA- und FDM-Technologien erstellt werden, die Gips oder verschiedene Arten von Kunststoffen verwenden. Kleine Desktop-Maschinen, die Hobbyisten und Künstlern dienen, basieren meist auf der FDM-Technologie. SLS/SLM und SHS werden in der Regel eingesetzt, wenn die Objekte aus Metall und metallischen Legierungen hergestellt werden müssen.
- Verfügbarkeit der 3D-Druckmaschine. Normalerweise werden Bestellungen für eine bestimmte Maschine in eine Warteschlange gestellt und arbeiten nach dem Prinzip „Wer zuerst kommt, mahlt zuerst“. In Regionen, in denen 3D-Drucker kaum verfügbar sind, kann dieser Faktor von größter Bedeutung sein und Vorrang vor der Art des Materials haben.
- Verfügbarkeit des Materials. Kunststoff ist vielseitig einsetzbar, verfügbar und, mit Ausnahme von Hochleistungspolymeren, relativ günstig, während Metall unter Umständen teurer ist.
- Kosten für die Produktion pro Objekt. Diese hängen mit der für die Erstellung von Objekten verwendeten Technologie, dem verwendeten Material und den Anforderungen an die Nachbearbeitung zusammen. Es wurde bereits erwähnt, dass im Gegensatz zum Gießen eine Vergrößerung beim 3D-Druck nicht immer den Stückpreis senkt. Der Preis pro Objekt beinhaltet nicht nur die Kosten für die Herstellung, sondern auch die Kosten für die Nachbearbeitung (falls diese erforderlich ist) sowie die Kosten, die durch Maßnahmen zur Verringerung der Umweltbelastung entstehen. Unter den gängigen PB-Technologien ist SHS eine budgetorientiertere Lösung als SLS, da Anschaffung und Wartung eines Thermodruckkopfes in der Regel kostengünstiger sind als die eines Laserdruckkopfes. Objekte, die mit SHS hergestellt werden, sind daher in der Regel günstiger als solche, die mit SLS hergestellt werden, und der Prozess kann für kleine Aufträge leicht verkleinert werden.
- Schnelligkeit der Herstellung, einschließlich der Nachbearbeitung und der Zeit für die Warteschlangenbildung von Aufträgen. Kleine Objekte können in wenigen Minuten bis Stunden gedruckt werden. Die Zeit für den Druck steigt mit der Größe der Objekte bis zu einem ganzen Tag und schließlich bei sehr großen Objekten bis zu mehreren Tagen, obwohl letzteres selten ist. Auch die Nachbearbeitungszeiten können ein Problem darstellen. Bei Extrusionstechnologien ist in der Regel keine Nachbearbeitung erforderlich, aber das Objekt braucht möglicherweise Zeit zum Aushärten. Mit ColorJet hergestellte Objekte benötigen Zeit zum Trocknen und Aushärten. Pulverbasierte Technologien benötigen fast ausnahmslos Zeit für die Nachbearbeitung, was sowohl die Kosten als auch die Zeit für die Herstellung erhöht,
- Eigenschaften des Endprodukts (mechanische Eigenschaften, ästhetischer Wert)
Kunststoff-3D-Druckfarbe kann es in vielen verschiedenen Varianten mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften geben. Je nach Verwendungszweck des Objekts werden Kunststoff (leicht und gleichzeitig haltbar, leicht einfärbbar, leicht polierbar, thermo- und fotohärtbar) oder Metall (belastbar, UV- und hitzebeständig, Einfärben und Polieren erfordern möglicherweise spezielle Geräte und Verfahren) bevorzugt.
Unter der Fülle der Kunststoffsorten stehen verschiedene Polymere mit unterschiedlicher mechanischer Belastbarkeit zur Verfügung. Generell ermöglicht der SLA-Druck fein polierte Strukturen mit exquisiten Details, die jedoch recht spröde sind. Er ist daher ungeeignet für Anwendungen, bei denen es auf Haltbarkeit ankommt. Mit FDM lassen sich deutlich haltbarere Objekte herstellen als mit SLA, wobei es je nach verwendetem Material unterschiedliche Grade der mechanischen Belastbarkeit gibt. Im Allgemeinen sind PVA, ABS und PLA “Commodity“-Farben für FDM. Diese sind relativ günstig, aber die resultierenden Objekte sind anfällig für Verformungen. Mit PLA gedruckte Objekte sind außerdem recht spröde. ABS-gedruckte Objekte sind lichtempfindlich. Die Verwendung von Polyurethan ergibt Teile mit einem erheblichen Maß an Flexibilität. Die nächste Stufe in der FDM-Qualität sind PC, PETG und PPE. Diese Materialien werden hauptsächlich als Konstruktionswerkstoffe für die Herstellung von mechanischen Teilen und Werkzeugen verwendet. PETG ist außerdem lebensmittelecht. Hochbeständige FDM-Tinten sind PEI und PEEK, die für Teile und Geräte verwendet werden, die eine sehr hohe Beständigkeit aufweisen müssen, wie z. B. bewegliche und/oder belastete Teile und wenn die thermische Stabilität entscheidend ist. Alle 3D-gedruckten Objekte können unter Belastung zur Delamination neigen, aber PEEK-gedruckte Objekte weisen eine hervorragende Schicht-zu-Schicht-Haftung auf und sind daher sehr haltbar. Es ist jedoch recht teuer, und da der Schmelzpunkt höher ist als bei den anderen FDM-Tinten, muss der Drucker über die Möglichkeit verfügen, die Düse auf hohe Temperaturen zu erhitzen.
3D-gedruckte Arzneimitteldarreichungsformen und Gewebegerüste haben spezifische Anforderungen, die im Allgemeinen durch Extrusionsverfahren (insbesondere halbfeste Extrusion wie EXT) und einige der pulverbasierten Technologien erfüllt werden (jedoch nicht durch solche, die große Mengen an Strahlungs- oder Infrarotenergie benötigen, wie SLS und SHS). Da die minimale Schichtdicke bei EXT fast 1 mm beträgt, sind die gedruckten Strukturen gröber und weniger detailliert.
Pulverbasierte Verfahren haben ein sehr hohes Auflösungsvermögen und ermöglichen daher eine bessere Wiedergabe von feinen Details. Dies gilt vor allem für SLS (das allerdings hauptsächlich mit metallischen Pulvern arbeitet), aber auch MJF (arbeitet gut mit Kunststoff) schneidet in puncto Auflösung gut ab.
Die mit den meisten PB-Technologien hergestellten Strukturen sind auch haltbar (mit Ausnahme von ColorJet-gedruckten Gipsobjekten), aber die Porosität kann ihre mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen. Wenn Letzteres ein ernsthaftes Problem ist, kann SLM eine Lösung sein, vorausgesetzt, es wird eine angemessene Nachbearbeitung durchgeführt.
- Umweltbelange (im Zusammenhang mit der Herstellung oder Nachbearbeitung oder der biologischen Abbaubarkeit von ausrangierten Gegenständen).
Extrusionsbasierte und einige der PB-Technologien erzeugen Lösungsmitteldämpfe. Pulverbasierte Technologien erzeugen große Mengen an kleinen Partikeln. Alle diese haben erhebliche potenzielle schädliche Auswirkungen und müssen herausgefiltert und/oder dekontaminiert werden.
Häufig verwendete Software für den 3D-Druck
Der 3D-Druck nutzt zuvor gesammelte Daten, die auf einem digitalen Informationsträger gespeichert wurden. Im Verlauf des 3D-Drucks eines komplexen Objekts werden die momentanen Änderungen im Muster der Ablagerung der laufenden Schicht durch die Informationen bestimmter Querschnitte in der digitalen Datei diktiert, die darstellen, wie genau die Struktur an diesem bestimmten Punkt aussehen muss. So können Strukturen mit einfachen Mustern durch weniger Querschnitte dargestellt werden, während digitale Dateien für Strukturen mit komplizierten Mustern mehr Querschnitte enthalten sollten, die angeben, wo und wie die Struktur verändert wird. Jeder Querschnitt stellt ein geschlossenes Polygon dar und entspricht einer anderen Position entlang der z-Achse. Querschnitte dürfen sich nicht überschneiden oder überlagern und müssen bestenfalls ohne Zwischenräume sein. Kleine Unstimmigkeiten können von der Software ohne wesentliche Form- und Strukturänderungen ausgeglichen werden.
Für den 3D-Druck werden am häufigsten CAD-Bilder (Computer-Assisted Design) verwendet. Dabei kann es sich um die konventionellen 2D-DWG-Bilder handeln, die von AutoCAD generiert werden, obwohl diese mit entsprechender Software, z. B. Sketchup Pro, in 3D konvertiert werden müssen. Das Stereolithografie-Dateiformat (Standard Tessellation Language, STL) war das erste, das speziell für die additive Fertigung bestimmt war. Es wurde in den 1980er Jahren von 3D Systems, einem von Charles Hull, dem Erfinder von SLA, gegründeten Unternehmen, entwickelt und für die Verwendung angepasst. Abgesehen von AutoCAD sind gängige CAD-Software, die Daten in das STL-Format exportieren oder konvertieren kann, Alibre, Mechanical Desktop, I-DEAS, SolidDesigner, ProE und andere. Online-Konverter sind ebenfalls leicht verfügbar, wie z. B. AnyConv (https://anyconv.com/stl-converter/).
Bilder, die mit einem 3D-Scanner oder durch Photogrammetrie eines typischen 2D-Digitalbildes (aufgenommen mit einer Digitalkamera) erzeugt wurden, können ebenfalls für die additive Fertigung ausreichen. Je nachdem, woher die Daten für das Objekt stammen, kann das Endergebnis mehr oder weniger getreu dem Ausgangsbild sein. CAD-Bilder führen in der Regel zu Objekten mit deutlich weniger Fehlern als andere Arten von digitalen Daten. Diese Fehler können später korrigiert werden. Es gibt viele verschiedene Marken von Software für die Photogrammetrie, hauptsächlich Microsoft Windows-basiert (Zephyr3D, PhotoModeler, PhotoSynth und andere), aber es gibt auch einige, die andere Betriebssysteme wie Linux und MacOS verwenden (z. B. Pix4D Mapper, Metashape, OpenDroneMap und andere). Eine detaillierte Liste häufig verwendeter Photogrammetrie-Software mit ihren grundlegenden Eigenschaften kann hier eingesehen werden:
https://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_photogrammetry_software
Es gibt auch Online-Tools für die Photogrammetrie, wie z.B. das oben erwähnte AnyConv (https://anyconv.com/stl-converter/).
Gestaltungsrichtlinien für den 3D-Druck
Um ein Objekt zu drucken, muss es, wenn keine STL-Datei vorhanden ist, von einer Software wie AutoCAD oder anderen ausgegeben werden (siehe oben). Die meiste professionelle 3D-Modellierungssoftware ist proprietär, aber es gibt auch freie Software, hauptsächlich für Ausbildungszwecke für Anfänger auf dem Gebiet und für Hobbyisten (FreeCAD, 3D Slash, TinkerCAD, Vectary, SketchUp, Leopoly, Sculptris, Rhinoceros und andere). Dann wird die resultierende STL-Datei von einer anderen „Slicer“-Software wie Repetier, OctoPrint, Z-Suite, Tinkerine Suite, Cura, PrusaSlicer, Simplify3D und anderen verwendet, um eine Datei mit einer Reihe von dünnen Schichten zu erzeugen. Die resultierende Datei wird vom Host des 3D-Druckers verwendet, um ein 3D-Objekt zu erzeugen. Manche Slicer-Software fungiert auch als Drucker-Host, wie z. B. Cura, 3DPrinterOS, OctoPrint, MatterControl und andere. Während die meiste professionelle 3D-Modellierungssoftware in der Regel eigenständig ist, kann freie Software als Plugin verfügbar sein und ist viel wahrscheinlicher für andere Betriebssysteme als Windows verfügbar.
STL-Dateien enthalten rohe Netzdaten, die auf Triangulationen der Oberfläche von CAD-Modellen basieren. So wird die Oberfläche jeder Facette des Objekts durch ein Polygonnetz dargestellt, das einer Reihe von Regeln entsprechen muss. Die grundlegenden Regeln sind vier, nämlich:
- Die Regel „Scheitelpunkt zu Scheitelpunkt“ – jedes Dreieck muss 2 Scheitelpunkte mit seinen Nachbardreiecken teilen;
- Die „Rechtsregel“ – die Eckpunkte müssen gegen den Uhrzeigersinn aufgelistet werden;
- Die Regel ’nach außen zeigend‘ – die Richtung des Normalenvektors sollte nach außen zeigen;
- Die „Alles-Positiv-Regel“ – alle Koordinaten der Dreiecksecken müssen durch positive Zahlen dargestellt werden.
Ein Beispiel ist in Abb. 9 zu sehen.
Abbildung 9. Ein Polygonnetz, das ein 3D-Bild eines Delphins darstellt. Quelle: Chrschn, Public domain, via Wikimedia Commons.
STL-Dateien können Informationen in binärer Kodierung oder in ASCII-Kodierung speichern. Dateien im Binärformat sind in der Regel kleiner und können leicht weitergegeben werden, während ASCII-Dateien zum manuellen Lesen und Überprüfen der STL-Datei verwendet werden, z. B. beim Testen neuer CAD-Schnittstellen.
Komplexe Objekte können eine Herausforderung für STL-Dateien sein, da es zu viele Oberflächen gibt, die in den Berechnungen berücksichtigt werden müssen. Außerdem hatten die frühen STL-Dateien nur sehr begrenzte Eigenschaften zur Darstellung von Farbe, Textur, Material und interner Struktur (obwohl dies später behoben wurde). Einige Softwaretypen, wie z. B. das prototypische AutoCAD, können nur Konstruktionen von Volumenobjekten in STL exportieren. Nicht zusammenhängende Flächen (z. B. mit Lücken oder Überlappungen) sind in STL-Dateien nur schwer zu verarbeiten oder anzupassen und würden nicht gedruckt werden. Daher wurde 2006 eine verbesserte Version des STL-Formats veröffentlicht, die schließlich in ein anderes, vielseitigeres CAD-Dateiformat, das Additive Manufacturing File Format (AMF), überführt wurde. Nichtsdestotrotz verwenden viele 3D-Drucker, die heute eingesetzt werden, insbesondere solche, die im kleinen Maßstab arbeiten, STL-Dateien.
AMF-Dateien können die interne Struktur leicht darstellen, indem sie ein Flächen/Vertex-Polygon-Layout und gekrümmte Dreiecke verwenden, um eine diskrete Volumeneinheit des Materials zu definieren. Für ein einzelnes Objekt können mehrere Volumina angegeben werden. AMF-Dateien enthalten auch Informationen über das Material, die Farbe und Textur des gedruckten Objekts oder seiner Teile sowie die Reihenfolge des Drucks.
Jonathan Hiller, einer der Erfinder des AMF-Dateiformats, betreibt eine detaillierte und benutzerfreundliche Website, die CAD-Software oder 3D-Modellierung und Anleitungen bietet: https://sites.google.com/site/jonhiller/software.
Kostenlose Architektur-CAD-Zeichnungen für AutoCAD und 3D-Modellierungssoftware sind im Internet leicht verfügbar, z. B. https://www.arcat.com/, https://www.tinkercad.com/, https://www.sketchup.com/ und andere. Ein kostenloses 3D-CAD-Bild ist in Abb. 10 dargestellt.
Abbildung 10. Ein 3D-CAD-Modell zur Verwendung im 3D-Druck. Quelle: OKFoundryCompany from Richmond, USA, CC BY 2.0 <https://creativecommons.org/licenses/by/2.0>, via Wikimedia Commons.
Kostenlose STL-Dateien, 3D-Drucker-Dateien und 3D-Drucker-Entwürfe stehen unter anderem auf www.thingiverse.com, www.youmagine.com, www.myminifactory.com, https://library.zortrax.com/, https://www.cgtrader.com/, https://cults3d.com/en, https://www.youmagine.com/ https://www.turbosquid.com/Search/3D-Models/free/stl zur Verfügung.
STL-Editor-Software ist für mehrere Quellen wie https://www.meshlab.net/, https://www.blender.org/, https://www.freecadweb.org/, https://www.3dslash.net/index.php, https://www.sketchup.com/ und andere verfügbar.
Test: LO2 Basisniveau
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„DIE ANWENDUNG VON 3D-DRUCK UND IKT FÜR GRÜNE PRODUKTE UND PROZESSE“
Fortgeschrittenes Niveau
3D-Bioprinting ist eine sich entwickelnde Technologie mit Anwendungen im gesamten Bereich der biomedizinischen Forschung.
Inhalt
Anwendungsbereiche des 3D-Bioprinting
3D-Bioprinting ist eine sich entwickelnde Technologie mit Anwendungen im gesamten Bereich der biomedizinischen Forschung. Die Methode, bei der ein biologisches Substrat oder eine „Biotinte“ verwendet wird, die aus Strukturkomponenten, Wachstumsmedien und Zellen besteht, kann auf 3D-Druckgeräten biologische Strukturen erzeugen, die die Struktur von Zellen in lebenden Organismen genau imitieren. Unter Verwendung des gleichen Herstellungsmodells wie beim traditionellen 3D-Druck wird eine Anzahl von 2D-Scheiben von einem 3D-Modell durch einen Computer geteilt, um eine korrekte biologische Zusammensetzung Schicht für Schicht mit einer präzisen Anordnung von Geweben und Zellen zu drucken. Der 3D-Bioprinting-Ansatz bietet die Möglichkeit, Probleme in der Medikamentenentwicklung, regenerativen Medizin, Organspende und Krebsbehandlung zu lösen. Diese aufstrebende Technologie bietet große Genauigkeit bei der räumlichen Platzierung von Zellen, Proteinen, DNA, Medikamentenpartikeln, Wachstumsfaktoren und biologisch aktiven Substanzen, um eine bessere Gewebebildung zu ermöglichen. Diese leistungsstarke Technologie scheint vielversprechend für die Verbesserung der Gewebeherstellung in Richtung physiologisch relevanter Gewebekonstrukte, Gewebemodelle, Gewebe und Organe sowie Organ-on-a-Chip-Modelle für Medizin und Pharmazie zu sein.
Die Bioprinting-Technologie hat eine breite Anwendung in verschiedenen Bereichen wie Tissue Engineering und regenerative Medizin, Transplantation und Kliniken, Wirkstoffscreening und Hochdurchsatz-Assays sowie Krebsforschung (Abb. 1). Das Bioprinting für das Tissue Engineering und die regenerative Medizin wird seit mehr als einem Jahrzehnt erforscht, und es wurden anatomisch korrekte zellbesetzte Konstrukte und Gerüste für verschiedene Gewebetypen hergestellt: von Binde- und Epithelgewebe bis hin zu Muskel- und Nervengewebe. Mit seinem großen Vorteil bei der Modellierung und präzisen Platzierung mehrerer Zelltypen hat das Bioprinting einen der größten Mängel traditioneller Gerüstherstellungstechniken überwunden und die Konstruktion von nativ-ähnlichen Geweben mit einer heterozellulären Mikroumgebung erleichtert. Obwohl die meisten Anstrengungen auf die Grundlagenforschung hinter den wichtigsten Bioprinting-Techniken wie Laser-, Droplet- und Extrusions-basiertes Bioprinting gerichtet waren, wurde in letzter Zeit dem Bioprinting zur Herstellung von funktionellem Gewebe erhebliche Aufmerksamkeit geschenkt. Insbesondere wurde dem Bioprinting für die Transplantation viel Aufmerksamkeit gewidmet. Da weitere Fortschritte in den Bereichen Biomaterialien, Zell- und Transplantationstechnologien erzielt wurden, wird das Bioprinting in naher Zukunft, wenn es für den Einsatz am Menschen zugelassen wird, vom Labor zum Krankenbett übergehen und eine Vielzahl von Vorteilen im Operationssaal bieten. Vor dem Übergang in die klinische Praxis hat das Bioprinting bereits einen großen Sprung in der pharmazeutischen Anwendung gemacht, da es keine behördlichen Zulassungen benötigt und es derzeit einen aufstrebenden Bioprinting-Markt für die Herstellung von Gewebe für Medikamententests und Hochdurchsatz-Assays gibt. Biologisch gedruckte Gewebemodelle (z. B. Leber), die aus mehreren Zelltypen hergestellt werden und eine komplexe heterozelluläre physiologische Umgebung ermöglichen, wurden bereits für das Wirkstoffscreening eingesetzt. Darüber hinaus wird Bioprinting seit kurzem in der Krebsforschung eingesetzt, um die Pathologie, das Wachstum und die Metastasierung von Krebs in einer physiologisch relevanten Mikroumgebung zu untersuchen. Hier wird ein umfassender Überblick über die Anwendungsbereiche der Bioprinting-Technologie gegeben und eine ausführliche Diskussion über die erfolgreich bioprintierten Gewebetypen für Tissue Engineering und regenerative Medizin, Transplantation und Kliniken, Wirkstoffscreening und Hochdurchsatz-Assays sowie Krebsforschung präsentiert. Für jeden Anwendungsbereich werden die Vorteile und Grenzen der bestehenden Technologien diskutiert.
Abbildung 1. Anwendungsbereiche der Bioprinting-Technologie.
Tissue Engineering und regenerative Medizin
Das Bioprinting von funktionalen Organen auf klinischer Ebene ist nach wie vor schwer vorstellbar, da es mehrere Herausforderungen gibt, wie z. B. die Integration des vaskulären Netzwerks von Arterien und Venen bis hin zu Kapillaren, die Kombination verschiedener Zelltypen, um die komplexe Organbiologie zu rekapitulieren, sowie die begrenzte strukturelle und mechanische Integrität und langfristige Funktionalität. Trotz dieser Herausforderungen wurde eine Vielzahl von Geweben erfolgreich bioprinted, wie z. B. dünne oder hohle Gewebe, z. B. Blutgefäße, oder Gewebe, die keine Vaskularisierung benötigen, wie Knorpel.
Knochengewebe
Der Knochen ist ein essentielles Gewebe des Körpers und eine Schlüsselkomponente des Bewegungsapparates. In der Regel überwindet er Verletzungen und Degenerationen durch seine hohe Regenerationsfähigkeit. In manchen Fällen kann der Knochen jedoch nicht richtig heilen und eine Behandlung ist erforderlich. Die bestehenden Standardtherapien haben erhebliche Schwächen. Innovationen in den Bereichen Bioprinting und Tissue Engineering versprechen eine Verbesserung der Qualität und Wirksamkeit von Therapien zur Knochenrekonstruktion. Bioprinting ist theoretisch noch nicht möglich, da derzeit keine maßgeschneiderten resorbierbaren Gerüste mit Wachstumsfaktoren oder autologen Zellen hergestellt werden. Jüngste Untersuchungen haben jedoch die 3D-Drucktechniken sowie 3D-druckbare Materialien mit fein abgestimmten Eigenschaften zur Rekonstruktion patientenspezifischer Defekte rasch verbessert. Diese Forschung scheint in Richtung einer Zukunft mit resorbierbaren Scaffolds zu führen, die geeignete Wachstumsfaktoren und Osteoprogenitorzellen enthalten. Die Zeit wird zeigen, ob diese Therapien weithin verfügbar und zum Standard der Behandlung werden.
In einer aktuellen Studie verwendeten einige Autoren einen thermischen Inkjet-Biodrucker zum Aufbau von Poly(ethylenglykol)dimethacrylat (PEGDMA)-Gerüsten. Nanopartikel aus bioaktivem Glas und Hydroxylapatit (HA) wurden für das Co-Printing von aus dem Knochenmark stammenden humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSCs) unter gleichzeitiger Polymerisation verwendet. Dieser Ansatz ermöglichte eine gleichmäßige Verteilung der hMSCs im Vergleich zu manuell pipettierten hMSCs, die sich aufgrund der Schwerkraft am Boden des Gerüsts ansammelten. Die bioprinted Strukturen, die hMSCs und HA einkapselten, zeigten die höchste Zellviabilität, Kollagenproduktion und alkalische Phosphataktivität mit erhöhtem Druckmodul nach 21-tägiger Kultur in vitro. Das Bioprinting von HA-Partikeln wurde auch für in-situ-Bioprinting-Zwecke durchgeführt, wobei ein laserbasiertes Bioprinting-System verwendet wurde, um HA-Nanopartikel in Defekte der Mauscalvaria abzuscheiden.
In einer weiteren Studie wurden heterozelluläre Gewebekonstrukte aus Matrigel™ und Alginathydrogelen bioprinted. Endotheliale Progenitor- und multipotente Stromazellen wurden räumlich kontrolliert bioprinted. Die erhaltenen Konstrukte wurden subkutan in immundefiziente Mäuse implantiert. Durch die Integration von osteoinduktiven biphasischen Calciumphosphat-Mikropartikeln wurden multipotente Stromazellen in eine osteogene Linie differenziert und die Knochenbildung in 6 Wochen beschleunigt. Neben osteoinduktiven Materialien ist auch die Zugabe von Wachstumsfaktoren entscheidend für die Stammzelldifferenzierung beim Tissue Engineering von Knochen. Es wurde gezeigt, dass die Zugabe von Knochenmorphogenetischem Protein (BMP)-2 eine wichtige Rolle für das Schicksal der Stammzellen spielt. Mittels Inkjet-Bioprinting von gemustertem BMP-2 auf Fibrin-beschichtete Deckgläser wurden primär-muskelabgeleitete Stammzellen bioprintet. Es wurde jedoch gezeigt, dass sie auf dem Muster in Richtung der osteogenen Linie differenziert wurden, selbst wenn sie mit myogenen Differenzierungsbedingungen behandelt wurden.
Knorpelgewebe
In den letzten zwei Jahrzehnten wurden nicht nur auf dem Gebiet des Knochen-Tissue-Engineering, sondern auch auf dem des Knorpel-Engineerings erhebliche Fortschritte erzielt. Folglich besteht ein echtes Potenzial, dass Techniken zur Regeneration statt zum Ersatz beschädigter oder erkrankter Knochen und Gelenke eines Tages das Krankenhaus erreichen werden. Bevor dies Realität wird, müssen jedoch noch einige zentrale Herausforderungen bewältigt werden. Dazu gehört vor allem die Vaskularisierung, wenn große Knochendefekte repariert werden müssen. Weitere wichtige Punkte sind die Notwendigkeit der Verwendung komplexer Gradienten für die Regeneration von Knochen-Weichgewebe-Grenzflächen und die Rekapitulation der geschichteten zonalen Architektur, die in vielen adulten Geweben wie dem Gelenkknorpel vorhanden ist. Bestehende Knorpel-Engineering-Ansätze haben jedoch ein großes Potenzial für die präzise Konstruktion von Zellen und Biomaterialien mit anspruchsvollen Mustern. Sie können natives Gewebe mit zonal differenzierten Zellen und der Struktur der extrazellulären Matrix (ECM) imitieren.
Auch das laserbasierte Bioprinting von stammzelldifferenzierten Chondrozyten wurde versucht. Diese Strategie basiert auf einer computergestützten Biofabrikationstechnik mit Hilfe von LIFT. Aus Knochenmark gewonnene mesenchymale Stammzellen (MSCs) mit hoher Lebensfähigkeit wurden erfolgreich bioprinted. Sie behielten ihre Funktionalität und Differenzierungsfähigkeit in osteogene und chondrogene Linien bei. Inkjet-basiertes Bioprinting wurde auch beim Knorpel-Tissue-Engineering sowie bei der Regeneration von Knorpeldefekten eingesetzt. HP-Desktop-Drucker wurde modifiziert und menschliche Chondrozyten, die in PEGDMA-Hydrogel geladen waren, wurden bioprinted. Das so hergestellte Knorpelkonstrukt hatte mechanische Eigenschaften und eine biochemische Zusammensetzung, die dem nativen Knorpel sehr ähnlich ist. Erst kürzlich wurde eine hybride Bioprinting-Methode zur Herstellung mechanisch verbesserter Knorpelgewebekonstrukte durch die Kombination von 3D-Bioprinting und Elektrospinning-Techniken entwickelt. In dieser Studie wurde das Elektrospinnen von Polycaprolacton (PCL)-Fasern zusammen mit dem Inkjet-Bioprinting von elastischen Chondrozyten von Kaninchen in Fibrin-Kollagen-Hydrogel gezeigt.
Trotz der großen Erfolge beim Bioprinting von Knorpelgewebe ist die Herstellung von zonal geschichteten Gelenkknorpelgeweben mit unterschiedlichen strukturellen, biomechanischen und biologischen Eigenschaften immer noch eine Herausforderung und es sind weitere Fortschritte erforderlich, um Gelenkknorpelgewebekonstrukte mit zonaler Differenzierung herzustellen, die mehr horizontale und dünnere Kollagenfasern mit hoher Zelldichte in der oberflächlichen Zone und relativ vertikale und dickere Kollagenfasern mit geringerer Zelldichte in den tieferen Zonen umfassen.
Herzgewebe
Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind die Haupttodesursache in der Welt. In dieser Hinsicht ist das Tissue Engineering von Herz und Herzklappen von größter Bedeutung. In den letzten zehn Jahren wurden erhebliche Fortschritte bei der Erforschung der nativen Eigenschaften des Herzens für die kardiale Regeneration und Reparatur gemacht, wobei verschiedene Strategien eingesetzt wurden, darunter Konzepte von Biomaterialien, Mikro- und Nanotechnologien und Dezellularisierung. Die Hauptschwierigkeit beim kardialen Tissue Engineering besteht jedoch darin, die komplexen, heterogenen mikro- und makrokardialen Gewebestrukturen so zu gestalten, dass sich verschiedene Zelltypen anlagern, vermehren und schließlich beschädigte Teile reparieren und umgestalten können. Das 3D-Bioprinting hat sich als eine Strategie zur Bewältigung dieser Herausforderung erwiesen, da es die Technologie zur Konstruktion hochauflösender Scaffolds mit heterogenen biochemischen und mechanischen Eigenschaften bietet. Allerdings wurden bisher nur begrenzte Versuche mit dem Bioprinting von kardialen Gewebemodellen unternommen. Es wurde das extrusionsbasierte Bioprinting von Gewebesphäroiden demonstriert, die aus humanen vaskulären Endothelzellen (HUVECs) und kardialen Zellen bestehen, die aus Myokardröhren von Hühnerembryonen gewonnen wurden. Ein anderer Ansatz basiert auf dem Bioprinting eines kardialen Gewebekonstrukts in Form eines halben Herzens mit verbundenen Ventrikeln mittels Inkjet-basiertem Bioprinting. Laser-induzierter Vorwärtstransfer (LIFT) wurde ebenfalls eingesetzt, um HUVECs und hMSCs in einem geometrisch definierten Muster auf Polyester-Urethan-Harnstoff zu strukturieren, und die hergestellten Proben wurden in die Infarktzone von Rattenherzen nach LAD-Ligatur transplantiert. Acht Wochen nach der Transplantation wurde eine verstärkte Gefäßbildung im Vergleich zu zufällig bioprintierten Zellen als Kontrollgruppe beobachtet und der resultierende Myokardpatch bot eine erhebliche funktionelle Verbesserung.
Eine andere wichtige Richtung ist das Engineering von Herzklappen, da diese keine Regenerationsfähigkeit besitzen und dysfunktionale Herzklappen, wenn die Schädigung oder Erkrankung nachteilig ist, durch mechanische oder biologische prothetische Äquivalente ersetzt werden müssen. Die Herstellung solcher Ersatzklappen ist jedoch durch Thrombogenität und Verkalkung eingeschränkt. Trotz ihrer wichtigen Rolle im kardiovaskulären System sind bisher nur wenige Arbeiten zum Bioprinting von Herzklappen durchgeführt worden. Das erstmalige Bioprinting einer Herzklappe wurde durch die Verwendung eines modifizierten Dual-Head-Bioprinters aus einem Fab@Home-Drucker erreicht. In einer anderen Studie wurde das Doppeldüsen-Bioprinting von Alginat-Gelatine-Hydrogel-Komposit für die Konstruktion von dünnen Hydrogelscheiben und das räumliche Bioprinting von glatten Muskelzellen (SMCs) des Aortenwurzelsinus und interstitiellen Zellen (VICs) der Aortenklappe verwendet. In einer neueren Studie führte dieselbe Gruppe das Bioprinting von Komposit-Hydrogelen unter Verwendung von methacrylierter Hyaluronsäure (Me-HA) und methacrylierter Gelatine (Me-Gel) durch, die mit humanen Aortenklappen-Interstitialzellen (HAVICs) beladen waren. Die erhaltenen Proben hatten die Form einer dreiflügeligen Klappe und die Zellen, die mit einer erhöhten Me-Gel-Konzentration bioprinted wurden, zeigten eine bessere Ausbreitung.
Lebergewebe
Die Leber ist die größte Drüse im menschlichen Körper. Sie spielt eine Schlüsselrolle im Stoffwechsel, der Gallenproduktion, der Entgiftung und der Wasser- und Elektrolytregulierung. Die Giftstoffe oder Medikamente, die der Magen-Darm-Trakt aufnimmt, erreichen zuerst die Leber, bevor sie in den Blutkreislauf gelangen. Lebererkrankungen sind weltweit eine der führenden Todesursachen. Daher kann ein in vitro Lebergewebemodell, das die Hauptfunktionen der Leber simuliert, eine wichtige Plattform für die Erforschung von Lebererkrankungen und die Entwicklung neuer Medikamente sein. Gegenwärtig sind die neu entwickelten 3D-Bioprinting-Technologien in der Lage, In-vitro-Lebergewebemodelle sowohl in statischen Scaffolds als auch in dynamischer Leber-auf-Chip-Manier zusammenzusetzen.
Das erstmalige Bioprinting von humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSCs) wurde durch Stimulation von hiPSCs und deren Differenzierung zu Hepatozyten für das Leber-Mikroorganismen-Engineering durchgeführt. Zusätzlich zum Bioprinting von Lebergewebestrukturen wurden Leberkarzinom HepG2 immortale Zellen in größeren Gewebemodellen bioprinted.
In der Tat kann das 3D-Bioprinting von Lebergewebe-Scaffolds und die Konstruktion von Leber-auf-Chips erheblich zur Entwicklung von In-vitro-Lebergewebemodellen beitragen. Durch den Einsatz der 3D-Bioprinting-Technologie bei der Leber-auf-Chip-Herstellung wird die Konstruktion von In-vitro-Lebergewebemodellen effizienter und kostengünstiger. So wird eine leistungsfähige Plattform für das Screening von Medikamenten und die Bestimmung des molekularen Mechanismus, der Lebererkrankungen zugrunde liegt, bereitgestellt.
Lungengewebe
3D-Bioprinting erhöht die Möglichkeit, komplexe makro- und mikroskalige Biostrukturen unter Verwendung mehrerer verschiedener Zelltypen reproduzierbar zu erzeugen. Dies ist eine vielversprechende Strategie für die Herstellung von mehrschichtigen Hohlorganen, was eine große Herausforderung für die traditionelleren Tissue-Engineering-Techniken darstellt. Derzeit sind die wichtigsten Fortschritte für das Lungensystem auf die Luftröhre beschränkt. Die verfügbaren Techniken zur Konstruktion von Trachealtransplantaten sind wertvolle Grundlagen für das Bioprinting der gesamten Lunge. Im Allgemeinen kombinieren die meisten 3D-Bioprinting-Ansätze zur Herstellung von Tracheen biologische Hydrogele, die mit Zellen besiedelt sind und eine robuste Polymerstruktur umgeben.
Im Allgemeinen wird die Lunge chirurgisch als ein festes Organ klassifiziert. Für die Zwecke des Tissue Engineering ist es jedoch sinnvoller, den gesamten Atmungsbaum als eine verzweigte Reihe von Röhren zu betrachten. Daher können die Fortschritte und Schwierigkeiten, die beim Bioprinting anderer röhrenförmiger Organe festgestellt wurden, beim Bioprinting der Lunge helfen. Die Versuche zum Bioprinting der Lunge sind neu und es gibt nur wenige Versuche, die sich mit der Synthese eines Lungengewebemodells beschäftigen. Vor kurzem wurde das Bioprinting eines in vitro Luft-Blut-Barriere-Modells durch die Entwicklung eines zonal geschichteten Gewebekonstrukts in mehreren Schichten erreicht. Zunächst wurde eine dünne Schicht bioprinted. Sie dient als Basalmembran. Dann wurde eine einzelne Schicht von Endothelzellen bioprinted, die die Anheftung von Zellen auf der nächsten Schicht erleichtert. Später wurde eine neue Schicht auf dem zuvor aufgebauten Konstrukt hinzugefügt, gefolgt vom Bioprinting einer einzelnen Schicht Epithelzellen.
Auf dem Weg zu einer komplexeren Geometrie haben einige Autoren ein distales Lungenmodell mit Gefäß- und Atemwegsräumen entwickelt. Sie verwendeten Poly(ethylenglykol)diacrylat und einen stereolithografischen Drucker und schafften es, ein „Atemmodell“ mit Tidalluftventilation und Blutfluss zu erstellen. Anhand dieses Modells untersuchten sie den Lungentransport, indem sie den Sauerstoffgehalt des Blutes maßen, das in das Konstrukt ein- und austrat. Obwohl die gedruckte Vaskulatur auf 300 µm begrenzt war, ist es dennoch ein großer Schritt in Richtung der Schaffung von klinisch relevantem Lungengewebe.
Neurales Gewebe
Das menschliche Nervensystem ist ein äußerst komplexes physiologisches Netzwerk, dessen Analyse aufgrund der Schwierigkeiten bei der Gewinnung von Primärproben eine echte Herausforderung darstellt. Eine der leistungsfähigen Alternativen, um die Entwicklung des Nervensystems, Krankheiten und regenerative Prozesse zu untersuchen, sind Tiermodelle. Sie sind jedoch nicht in der Lage, einige artspezifische Eigenschaften des menschlichen Nervensystems zu berücksichtigen. Es wurden immer ausgefeiltere In-vitro-Modelle des menschlichen Nervensystems entwickelt, die jedoch noch weitere Fortschritte erfordern, um die Mikroumgebung und die zellulären Eigenschaften besser zu simulieren. Auf dem Gebiet des neuronalen Tissue Engineering werden schnell neue Werkzeuge implementiert, die es den Forschern ermöglichen, die In-vitro-Kulturbedingungen genau zu überwachen und die Bildung, Funktion und Reparatur des Nervensystems besser zu modellieren.
Allerdings sind die Arbeiten, die im Rahmen des Bioprinting für den Aufbau von neuralem Gewebe durchgeführt wurden, recht spärlich. Einige von ihnen basieren auf dem Bioprinting von C17.2-Zellen auf einer Kollagenschicht neben einer mit VEGF beladenen Fibrinscheibe. Unter Verwendung dieses Modells wurde die Wirkung des vaskulären endothelialen Wachstumsfaktors (VEGF) auf die Proliferation und Migration von murinen neuralen Stammzellen (C17.2) analysiert. Die Studie zeigte, dass neurale Zellen in Richtung des VEGF-freisetzenden Fibringels migrierten und erfolgreich proliferierten. Kürzlich wurde in anderen Untersuchungen das Bioprinting eines thermoresponsiven Polyurethan-Hydrogels mit einstellbarer Steifigkeit und Gelierfähigkeit bei 37°C ohne die Notwendigkeit eines Vernetzers vorgestellt. Die Wirksamkeit der Biotinte wurde durch Beladung mit neuralen Stammzellen und Injektion in ein Zebrafisch-Embryo-Neuralverletzungsmodell erreicht. Die erzielten Ergebnisse zeigten, dass das injizierte Gel die Funktion des geschädigten Nervensystems innerhalb von 6 Tagen wiederherstellte.
Es wurde auch ein gerüstfreier Ansatz verwendet, bei dem ein Pellet aus Schwann-Zellen (SCs) und Knochenmark-Stammzellen (BMSCs) innerhalb einer 3D-gedruckten Agarose extrudiert wurde. Nach der Aggregation der Zellen in der Agarose wurde ein Nervengewebetransplantat mit jeweils drei Lumina gebildet. Die konstruierten Transplantate wurden dann in Mäuse implantiert, und ihre Histologie und Funktionalität wurden bewertet. Die Anzahl der Proben war begrenzt, um eine definitive Aussage über die Leistung der 3D-bioprinted Transplantate im Vergleich zu kommerziell erhältlichen Kollagen-Transplantaten zu treffen. Der vorgestellte Fall demonstrierte jedoch einen Proof-of-Concept für das Bioprinting von Nerventransplantaten.
Pankreas-Gewebe
Die Erforschung und Behandlung von Erkrankungen der Bauchspeicheldrüse, wie z. B. Diabetes und Bauchspeicheldrüsenkrebs, wird durch den eingeschränkten Zugang zu Pankreasgewebe in vivo behindert. Dreidimensionale (3D) Gewebemodelle, die das native Organ genau imitieren, haben jedoch ein großes Potenzial für biomedizinische Anwendungen, indem sie sowohl effektive Plattformen für die Untersuchung der Gewebeentwicklung und Homöostase als auch für die Simulation von Krankheiten in pharmazeutischen Tests bieten. Leider überleben primäre β-Zellen der Bauchspeicheldrüse nicht ohne weiteres in vitro und es gibt nur wenige Versuche, β-Zellen aus menschlichen Stammzellen zu differenzieren. In dieser Hinsicht ist die Regeneration von Pankreasgewebe vor allem insofern beispielhaft, als β-Zellen aus Mauslinien oder Insulinomzellen zur Herstellung von Pankreasinseln verwendet wurden. Im Zusammenhang mit dem Bioprinting zur Herstellung von Pankreasgewebe sind nur wenige Arbeiten durchgeführt worden. Kürzlich wurden menschliche und Maus-Inseln sowie Ratten-Insulinom INS1E β-Zellen in Alginat- oder Alginat-Gelatine-Hydrogelen eingekapselt und in zweischichtigen Gerüsten bioprintet. Darüber hinaus wurde in einer neueren Arbeit die Mikrofabrikation von gerüstfreien Gewebesträngen (mit starker Expression von Insulin) für das extrusionsbasierte Bioprinting demonstriert, wobei Gewebestränge aus Rattenfibroblasten und Maus-Insulinom TC-3 β-Zellen im Kern bzw. in der Hülle hergestellt wurden. Es wurde ein innovativer Ansatz vorgeschlagen, der die Verwendung von Gewebesträngen für das Scale-up des Gewebe-Bioprinting-Prozesses umfasst.
Diese experimentellen Versuche auf dem fortschrittlichen technologischen Gebiet des Bioprinting werden den Weg zu neuen technologischen Möglichkeiten der Züchtung von funktionellen Geweben und Organen im Labor ebnen. Es wurde erwartet, dass das Wissen und die Modelle, die durch die Forschung auf dem Gebiet des Bioprinting generiert werden, nicht nur wichtige technologische Entwicklungen im Tissue-Engineering stimulieren, sondern auch radikal neue Möglichkeiten in der Medizin eröffnen werden, wie z. B. die Untersuchung von Bauchspeicheldrüsenerkrankungen ex vivo in fabriziertem Gewebe, die Entwicklung neuer Medikamente und möglicherweise die Erleichterung des Ersatzes von verletztem oder krankem Gewebe.
Hautgewebe
Die Haut ist die äußerste Schutzhülle des menschlichen Körpers und steht in direktem Kontakt mit der äußeren Umgebung. Das macht sie sehr anfällig für Verletzungen. Hautdefekte oder Wunden können durch Traumata, Hautkrankheiten, Verbrennungen oder die Entfernung der Haut bei Operationen entstehen. Solche Zustände erfordern dringende therapeutische Eingriffe, um die Struktur und Funktion der Haut zu reparieren und die normale Mobilität des Patienten zu ermöglichen. Außerdem können vorhandene Wunden zu einer bakteriellen Kontamination und damit verbundenen Komplikationen führen, wenn sie nicht sofort behandelt werden. Darüber hinaus können selbst geringfügige Deformierungen bei den betroffenen Personen, insbesondere bei Kindern, psychischen Stress verursachen. Die derzeit beste Alternative des Skin Tissue Engineering ist die Verwendung von Autotransplantaten. Es gibt jedoch Einschränkungen, wie die Menge und Größe der verfügbaren Transplantate, die Entstehung einer sekundären Wunde und andere Risiken. Die Verwendung anderer Arten von Hauttransplantaten wie Allotransplantate und möglicherweise Xenotransplantate sind mit dem Risiko von Immunreaktionen und der Übertragung von Krankheiten sowie einigen ethischen und kulturellen Problemen verbunden. Es besteht auch die Möglichkeit, Wundauflagenmaterialien wie solche auf Polymerbasis oder deren Kombinationen mit anderen Substanzen zu verwenden. Sie sind jedoch nicht lebendig und können kaum zellularisiert und durch natives Gewebe ersetzt werden. In dieser Hinsicht birgt das Tissue Engineering große Versprechen für die Verbesserung der Behandlung von Hautdefekten, aber es müssen Lösungen für die Herausforderungen wie die Entwicklung einer mehrschichtigen nativen Hautarchitektur und vaskulärer Netzwerke gefunden werden. Es wurden bereits einige Lösungen vorgeschlagen, bei denen neben Biomaterialien auch lebende Zellen, biologische oder chemische Signale verwendet werden, um eine funktionelle Haut zu bilden. Solche konventionellen Tissue-Engineering-Methoden leiden jedoch unter verschiedenen Problemen, wie z. B. der inhomogenen Verteilung der Zellen, der fehlenden Integration und Vaskularisierung des Konstrukts nach der Implantation und der späteren Abstoßung des implantierten Biomaterials zusammen mit der gebildeten Haut. Obwohl einige Tissue-Engineering-Hautprodukte auf dem Markt sind, gibt es viele einschränkende Faktoren, wobei ein wichtiger und kritischer Faktor für den klinischen Erfolg die Vaskularisierung durch den Hautersatz ist.
Eine Vielzahl von Tissue-Engineering-Ansätzen wurde für die Konstruktion von Hautgewebe verwendet, und es wurden verschiedene Gewebeersatzmaterialien geschaffen, darunter autologes Spalthauttransplantat (Goldstandard), Allotransplantate, azelluläre dermale Ersatzmaterialien und zellularisierte transplantatähnliche kommerzielle Produkte. Das Bioprinting von Hautgewebe wurde unter Verwendung eines achtkanaligen, ventilbasierten Bioprinters vorgestellt, bei dem ein 13-lagiges Gewebekonstrukt unter Verwendung von Kollagenhydrogel bioprintet wurde. Keratinozyten wurden auf abwechselnden Schichten von menschlichen Vorhautfibroblasten und azellulären Kollagenschichten bioprinted. Die resultierenden Konstrukte zeigten dicht gepackte Zellen in den Epidermis-Schichten im Gegensatz zur Dermis mit geringerer Zelldichte und weniger ECM-Ablagerung. Neben dem tröpfchenbasierten Bioprinting wurde auch das laserbasierte Bioprinting für die Bioproduktion von Hautgewebeersatz eingesetzt. In einer kürzlich durchgeführten Studie wurde der Effekt des Bioprinting von Endothelzellen innerhalb von Hautersatzmaterialien auf die Bildung von Makrovaskulatur während des Remodellings von neuem Gewebe untersucht. Der Ansatz beinhaltete die Verkapselung von neonatalen humanen dermalen Fibroblasten und epidermalen Keratinozyten (NHEKs) in Kollagen. Als nächstes wird die Dermisschicht aufgetragen, gefolgt von der Musterung humaner dermaler mikrovaskulärer Endothelzellen (HMVECs) auf der Dermisschicht des Konstrukts. Der Prozess wurde abgeschlossen, indem die Fibrinschicht mit kollagenbeladenen NHEKs umwickelt wurde. Anschließend wurden die hergestellten Hautersatzmaterialien auf die Dorsa von Mäusen implantiert und mit kommerziell erhältlichen Hautersatzmaterialien als Kontrolle verglichen. Die erhaltenen Ergebnisse zeigten, dass die bioprinted HMVECs Mikrogefäße bildeten und die implantierten Konstrukte im Vergleich zu den Kontrollgruppen eine Kontraktion erzeugten. Darüber hinaus wurde in anderen Studien das in situ Bioprinting von geschichtetem Hautersatz durch abwechselnde Schichten von Fibrinogen-Kollagen und Thrombin, beladen mit Amnionflüssigkeits-Stammzellen (AFS), gezeigt. Mit diesem Ansatz wurden Hautersatzmaterialien direkt auf Wunden voller Dicke bei Schweinen 3D-bioprinted und reparierten die native Haut besser als Kontrollgruppen. Trotz der Bemühungen beim Bioprinting von Hautgewebe ist die Biokonstruktion von Hautersatz, der die native Haut praktisch simuliert, immer noch eine Herausforderung, da die Integration von Schweißdrüsen und Haarfollikeln schwer zu erreichen ist.
Vaskuläres Gewebe
Die dreidimensionale (3D) Drucktechnologie hat sich schnell von einer futuristischen Technologie zu einer vielversprechenden Wissenschaft entwickelt, von der angenommen wird, dass sie die klinische Praxis revolutionieren wird, indem sie maßgeschneiderte Geräte, Organmodelle für chirurgische Praktiken, Organersatzteile und moderne Medikamente verfügbar macht. Obwohl diese Technologie ursprünglich dazu gedacht war, chirurgische Modelle und Prototypen bereitzustellen, haben Wissenschaftler die Technologie schnell weiterentwickelt, um Gewebekonstrukte für die regenerative Medizin herzustellen. Die Umsetzung im großen Maßstab ist jedoch aufgrund der anatomischen Komplexität, der Vielfalt der Zusammensetzung (zellulär und extrazellulär) und der Vaskularisierung von nativem Gewebe noch immer eingeschränkt.
Die Synthese von vaskulärem Gewebe wurde mit verschiedenen Bioprinting-Ansätzen durchgeführt, darunter Extrusion, Droplet und Laser-basiertes Bioprinting. Beim extrusionsbasierten Bioprinting wurde ein breites Spektrum an Extrusionstechniken eingesetzt. Einige Wissenschaftler verwenden die koaxiale Düsenextrusion, bei der Hydrogele wie Natriumalginat und Chitosan direkt in Röhrenform mit eingekapselten Zellen bioprintet wurden. Während der koaxialen (Kern-Schale) Strömung kommt der ausgestoßene Vernetzer (der durch den Kern strömt) in Kontakt mit der Vorläufer-Hydrogel-Lösung (die durch die Schale strömt) und beschleunigt die Gelierung und die Bildung der röhrenförmigen Konstrukte. Dieser Ansatz ermöglicht das direkte Bioprinting von Gefäßstrukturen auf praktische Weise. Es gibt auch andere Strategien für das direkte Bioprinting von vaskulärem Gewebe, wie z. B. das schichtweise Bioprinting von Tröpfchen aus zellbeladenen Hydrogelen mit Hilfe von Inkjet-basiertem Bioprinting. Unter Verwendung der Bottom-up-Konstruktion ermöglichte das tintenstrahlbasierte Bioprinting den Aufbau von verzweigten Röhren in horizontaler und vertikaler Richtung. Ein ähnlicher Ansatz wurde auch mit dem laserbasierten Bioprinting durchgeführt. In allen oben erwähnten Studien werden gerüstbasierte Techniken verwendet. Einige Untersuchungen basieren jedoch auf einem gerüstfreien Ansatz beim Bioprinting vaskulärer Gewebe, bei dem Gewebesphäroide einzeln hergestellt wurden und sich selbst zu größeren Gewebeeinheiten zusammensetzten.
Obwohl der Bereich des 3D-Bioprinting enorme Fortschritte bei der Herstellung von Gefäßstrukturen mit solider struktureller und funktioneller Integrität gebracht hat, ist zu beobachten, dass die Konstruktion klinisch relevanter vaskulärer und vaskularisierter Gewebekonstrukte noch weit in der Zukunft liegt. Innovative Erfindungen, die die Auflösung verbessern und anatomisch genauere Konstrukte erhalten, während sie gleichzeitig eine Vergrößerung der bioprinted Gewebe ermöglichen, sind erforderlich, um mögliche Lösungen zu bieten. Es ist zu erwarten, dass die unabhängige Forschung an Materialien und zellulären Biotinten für die Vaskularisierung allmählich den Platz für integriertere und ganzheitlichere Ansätze zur Entwicklung von Bioprintern für die vaskularisierte Gewebesynthese einnehmen wird.
Andere Gewebetypen
Zusätzlich zu den beschriebenen Gewebetypen arbeiten einige Wissenschaftler auch am Bioprinting von Netzhaut- und Hirngewebe, obwohl sich diese Studien noch auf einem frühen, grundlegenden Niveau befinden. Es wurde ein piezoelektrisches Inkjet-Bioprinting mit retinalen Ganglienzellen (RGCs) und Glia angewandt und die Auswirkung der Bioprinting-Parameter auf die Lebensfähigkeit der Zellen und ihre wachstumsfördernden Eigenschaften untersucht. Kürzlich wurde auch die manuelle Ablagerung von mit primären kortikalen Neuronen beladenem Gellan-Gummi-RGD zur Herstellung von hirnähnlichem Gewebe vorgestellt. Obwohl kein computergesteuertes Bewegungssystem verwendet wurde, demonstrierte die vorgestellte Arbeit zum ersten Mal die Verwendung des Schicht-für-Schicht-Ansatzes für die Herstellung von Hirngewebe.
Transplantation und Kliniken
Die regenerative Medizin ist wahrscheinlich eine der spannendsten zukünftigen Anwendungen des 3D-Bioprinting. Wissenschaftler hoffen, dass mit dem Bioprinting Gewebe wie Haut direkt gedruckt und Organe, Gewebe und Strukturen für die Transplantation hergestellt werden können. Es wird angenommen, dass das 3D-Bioprinting erfolgreich für die Transplantation und Herstellung von mehrschichtigen Gewebetypen wie Nerven, Herz, Blutgefäße, Knochen und Haut eingesetzt werden kann (Abb. 2). Forscher gehen davon aus, dass in Zukunft Gewebe und schließlich ganze Organe, die aus eigenen Zellen hergestellt wurden, an Patienten transplantiert werden könnten. Mit Hilfe des 3D-Bioprinting könnten Transplantatabstoßungen und lange Spenderlisten der Vergangenheit angehören. Darüber hinaus wurden zahlreiche Gewebekonstrukte bioprinted und subkutan implantiert, um die in vivo-Differenzierung von Zellen und die Funktionalität von Implantaten zu evaluieren. Trotz dieser Experimente wurde bisher keines der bioprinted Gewebe klinisch am Menschen eingesetzt, da noch keine Zulassung erteilt wurde. Es gibt keine Vorschriften für Bioprinter oder bioprinted Produkte. Angesichts des weltweit wachsenden Interesses und der aufstrebenden Unternehmen auf dem Bioprinting-Markt wird der Erfolg der ersten Technologie, die eine Regulierung durchläuft, jedoch beispielhaft für vorangehende Technologien und Produkte sein.
Obwohl die Bioprinting-Technologie in Kliniken noch in den Kinderschuhen steckt, wurden 3D-gedruckte Kunststoff-, Keramik- oder Metallimplantate für den Ersatz von Knochengewebe bereits erfolgreich in Menschen transplantiert. Zusätzlich zu den permanenten Implantaten wurde in einer kürzlich im New England Journal of Medicine veröffentlichten Arbeit ein einzigartiger Fall der Transplantation einer 3D-gedruckten bioresorbierbaren Atemwegsschiene in einen Säugling vorgestellt. Es wurden keine unerwarteten Probleme mit der Schiene beobachtet und es wird erwartet, dass die vollständige Resorption des Geräts etwa 3 Jahre dauert. Dies war ein beispielhafter Fall für den klinischen Einsatz von 3D-gedruckten Scaffolds und wird optimistischerweise zu ähnlichen Erfolgen mit bioprinted Geweben und Organen führen. Trotz der Erfolge in der Bioprinting-Forschung erfordert das Bioprinting für die Transplantation im Krankenhaus weitere Verbesserungen und translationale Anstrengungen. Es wird erwartet, dass Organe und Gewebe, die keine signifikante Vaskularisierung benötigen (z. B. Haut und Knorpel), sehr bald klinisch umgesetzt werden können. Gewebe und Organe, die metabolisch sehr aktiv sind (z. B. Herz, Bauchspeicheldrüse und Leber), stellen jedoch eine große Herausforderung dar.
Abbildung 2. 3D-Druck-Strategie
Eines der Argumente für das klinische Translationspotenzial von bioprinted Geweben und Organen hat seinen Ursprung in der Bioprinting-Technologie selbst. Beim Bioprinting werden lebende Zellen in einer Biotinte eingesetzt, und die Verwendung von patientenspezifischen Zellen ist beim Bioprinting relativ neu. Stammzellen, wie z. B. embryonale Stammzellen und induzierte pluripotente Stammzellen, waren bisher eine perspektivisch unbegrenzte Quelle für patientenspezifische Zellen zur Herstellung von Geweben und Organen. Patientenspezifische Zellen können differenziert und dann bioprintet werden oder bioprintet und dann in mehrere Linien differenziert werden, um Gewebe und Organe zu konstruieren, die ein minimales Immunogenitätsrisiko verursachen.
Pharmazie und Hochdurchsatz-Screening
Ein weiterer wichtiger Bereich, in dem das 3D-Bioprinting erfolgreich sein soll, ist die Medikamentenentwicklung. Die meisten Medikamententests werden derzeit mit Hilfe von 2D-Zellkulturen durchgeführt. Wie in der Krebsforschung simulieren diese Kulturen nicht das natürliche Zellverhalten. Xenografting (Transplantation von menschlichen Zellen) auf Tiere wird nun eingesetzt, um dieses Problem zu lösen. Dieser Ansatz ist jedoch aufgrund der biochemischen, metabolischen und genetischen Unterschiede zwischen den Spezies eine Herausforderung. Es wird vermutet, dass diese Probleme der Hauptgrund für die hohe Misserfolgsrate bei der Bewertung der neuen Medikamentenkandidaten sind. Trotz ständiger Bemühungen, den Prozess der Medikamentenentwicklung zu verbessern, erreicht nur einer von 10.000 neuen chemischen Substanzen und einer von zehn Medikamentenkandidaten die klinischen Studien, die endgültige Zulassungsphase und kommt auf den Markt. Andererseits ist für die Verwendung von 3D-Bioprinting für pharmazeutische Tests anstelle von In-vivo-Studien keine behördliche Genehmigung erforderlich. Dadurch wird der Durchsatz der Medikamentenentwicklung möglicherweise um ein Vielfaches gesteigert. Unter den verschiedenen Methoden für das Engineering von 3D-In-vitro-Systemen hat das Bioprinting gravierende Vorteile, wie z.B. die Kontrollierbarkeit von Größe und Mikroarchitektur, die hohe Durchsatzkapazität, die Möglichkeit der Co-Kultur und das geringe Risiko einer Kreuzkontamination. Aus diesem Grund werden bioprinted Gewebe und Organe zunehmend als potenzielle Modelle für die Toxikologie und das Hochdurchsatz-Screening von Medikamenten in Betracht gezogen.
Leber- und Tumorgewebe sind ein Schwerpunkt bei der Konstruktion von Gewebemodellen für die Pharmazie gewesen. In diesem Zusammenhang wurde die Herstellung eines bioprinted Leber-Mikroorganmodells für den Arzneimittelstoffwechsel untersucht (Abb. 3). Das bioprinted 3D-Leber-Mikroorgan wurde für die Simulation der physiologischen Leberreaktion auf Medikamentenverabreichung und toxische Chemikalienexposition verwendet. Der Arzneimittelmetabolismus wurde durch die Umwandlung des nicht fluoreszierenden Pro-Drugs 7-Ethoxy-4-Trifluormethylcumarin (EFC) in den fluoreszierenden Metaboliten 7-Hydroxy-4-Trifluormethylcumarin (HFC) demonstriert. Epithelzellen und Hepatozyten, die in Matrigel™ eingekapselt sind, wurden verwendet, um den Weg des Wirkstoffs zu zeigen, der aus dem Blutkreislauf in das Gewebe diffundiert. Epithelzellen sind die Zellen, die das Lumen abdecken, durch das die Medikamente vom Blutstrom zum Ziel gelangen, wobei Hepatozyten als Zielzelltyp verwendet wurden. Basierend auf dem vorgestellten Gewebemodell wurde ein computergestütztes Makromodell unter Verwendung eines numerischen Rahmens für Konvektions-Diffusions-Zellkinetik entwickelt. Das neueste Modell erweist sich als sehr hilfreich für die zukünftige Forschung im Bereich der 3D-Mikroorganismen-Pharmakokinetik und Toxizität.
Abbildung 3. Bioprinted Gewebemodelle für Medikamententests und Hochdurchsatz-Screening. (a) Bioprinted Lebergewebe. (b) Bioprinted-Nierengewebe (c) Bioprinted-Hautgewebe (d) 3D-Bioprinted-Knochenreparaturmaterial (e) gedrucktes zellhaltiges Hydrogel (f) multizelluläre 3D-Bioprinted-Herzgewebekonstrukte.
Sich entwickelnde mikrotechnische Technologien ermöglichen eine anpassungsfähige Produktion von zellbasierten 3D-Mikroarrays, einschließlich weicher Lithographie, Oberflächenstrukturierung, mikrofluidischer Manipulation und Bioprinting. Unter ihnen hat die Bioprinting-Technologie den Vorteil, Co-Kulturen und Einzelzell-Arrays mit präziser Kontrolle der Zelldichte herzustellen. In einer kürzlich durchgeführten Studie wurde eine neuartige tintenstrahlbasierte Bioprinting-Methode für die Herstellung einer Miniaturplattform für das Screening von Medikamenten mit hohem Durchsatz verwendet. Die Autoren haben mit Escherichia coli beladenes Alginat bioprinted, um einen Chip auf Deckgläsern anzuordnen. Mittels Layer-by-Layer-Ansatz wurden Tröpfchen von drei Antibiotika auf die Zellflecken gedruckt. Die Ergebnisse zeigten eine ähnliche Zellviabilität, Funktionalität und antibakterielle Wirkung der Antibiotika in inkjet-bioprinted und mikropipettierten Proben. Damit erweisen sich die Inkjet-bioprinted High-Throughput Arrays als effektive Methode, um die Dauer typischer Wirkstoff-Screening-Tests zu minimieren. Weiterhin wurden zellbasierte Biosensoren (CBBs) vorgestellt, bei denen mittels akustischem Bioprinting ein Microarray aus glatten Muskelzelltröpfchen in Kollagen erzeugt wurde. Das bioprinted Microarray wurde dann verschiedenen Umgebungsbedingungen (z.B. Temperatur) ausgesetzt und der Effekt der applizierten Stimuli sowie der Bioprinting-Prozessparameter auf die Zellviabilität wurde bewertet. Neben dem 3D-Bioprinting von Zell-Microarrays mit hohem Durchsatz ist auch die kontrollierte Abgabe von Wirkstoffkandidaten in Zell-Microarrays ein wichtiger Faktor für ein effektives Wirkstoffscreening. Es wurden verschiedene Methoden für die kontrollierte Wirkstoffabgabe auf Zell-Mikroarrays vorgeschlagen, einschließlich Wirkstoffmusterung, Wirkstoffstempeln, Aerosolsprays und mikrofluidische Wirkstoffbeladung.
Krebsforschung
Die immensen zukünftigen Möglichkeiten der 3D-Bioprinting-Technologie im biomedizinischen Bereich sind bereits gut dokumentiert. Einer der Bereiche, in dem sich Wissenschaftler vom 3D-Bioprinting einen Nutzen erhoffen, ist die Krebsforschung. Die Mikroumgebung des Tumors sowie die biologischen Strukturen und Substanzen, die den Tumor umgeben, sind ein wesentlicher Bestandteil des Krebsverhaltens und noch nicht vollständig verstanden. Bisher wurden für diese Untersuchungen Tiermodelle und 2D-Zellkulturen eingesetzt. Sie bilden jedoch das Verhalten menschlicher Krebszellen in vivo, das eine komplizierte Interaktion der Tumorzellen mit der zellulären Umgebung und anderen Zellen beinhaltet, nicht präzise ab. Neueste Forschungen legen nahe, dass 3D-Modelle das Verhalten von Tumorzellen genauer widerspiegeln, und das Bioprinting ist eine vielversprechende Technik, die bei solchen Studien zum Einsatz kommen könnte. Ein Vorteil, den das 3D-Bioprinting besitzt, ist, dass Zellen explizit in ein 3D-Modell mit seinen extrazellulären und strukturellen Elementen gestaltet werden können. Alternative Ansätze unterscheiden sich dadurch, dass sie eine Selbstmontage erfordern, die wesentlich zeitaufwändiger ist, oder ein Scaffolding, bei dem die Stützmatrix unabhängig von der Zellkultur entwickelt wird. Darüber hinaus bietet das 3D-Bioprinting sowohl die Möglichkeit, bestimmte Gewebe- und Zellstrukturen zu drucken als auch patientenspezifisch zu sein. Die Zellen eines Patienten können biopsiert, gezüchtet und bioprintet werden, entsprechende Strukturen hergestellt und das Ansprechen auf ein Medikament oder die effektive Dosis untersucht werden.
Der Einsatz des Bioprinting-Ansatzes in der Krebsforschung ist jedoch neu und es wurden nur wenige Studien in diesem aufstrebenden Anwendungsbereich durchgeführt. Zum ersten Mal wurde das Bioprinting von Tumorgewebe mit menschlichen Ovarialkarzinomzellen (OVCAR-5) und MRC-5-Fibroblasten demonstriert. In dieser Studie wurde eine Inkjet-basierte Bioprinting-Plattform mit Dual-Ejektoren verwendet. Der vorgeschlagene Ansatz stellte nicht nur ein Werkzeug für die Krebsforschung dar, sondern bot auch eine großartige Plattform für das Hochdurchsatz-Screening. Dieselben Forscher führten Bioprinting von HeLa-Zellen durch, um Gebärmutterhalstumormodelle zu bilden. Obwohl diese beiden Studien die Bioproduktion von Tumor-Sphäroiden mit Hilfe der Bioprinting-Technologie vorstellten, ist die Konstruktion größerer Gewebemodelle zur Untersuchung der Migration und Metastasierung von Krebszellen ebenfalls entscheidend. Ein anderer Ansatz konzentrierte sich auf die Verwendung eines laserbasierten 3D-Projektionsdrucksystems zum Bioprint von HeLa-Zellen und nicht krebsartigen 10 T1/2-Fibroblasten in PEGDA zusammen mit einem mikrovaskulären Netzwerk mit Kanalbreiten von 25, 45 und 120 μm, um Blutgefäßdurchmesser zu simulieren. Zusätzlich zu den gerüstbasierten Ansätzen wurde auch ein gerüstfreies Bioprinting eines Brustkrebsmodells mit der NovoGen Bioprinting™-Plattform durchgeführt. Bei diesem Versuch wurden Krebszellen von einem physiologisch relevanten Stromamedium umgeben, das aus MSC-differenzierten Fettzellen, Brustfibroblasten und Endothelzellen besteht.
Schlussbemerkungen und Ausblick
Jüngste Untersuchungen haben gezeigt, dass das 3D-Bioprinting ein aufstrebender Ansatz ist, der eine breite Anwendung in verschiedenen Bereichen findet, einschließlich der Grundlagenforschung im Tissue Engineering, der regenerativen Medizin und der Krebspathogenese, dem Gewebe-Bioprinting für Transplantationen und Kliniken, und erfolgreich in der Pharmazie für Medikamententests und Hochdurchsatz-Screening eingesetzt werden könnte. Derzeit gibt es etwa 15 verschiedene Gewebetypen, die in unterschiedlichen experimentellen Studien verwendet werden. Es gibt jedoch noch einige andere menschliche Gewebe, die noch nicht angefasst wurden. In dieser Hinsicht müssen zukünftige Versuche im Bioprinting anderer Gewebe- und Organmodelle unternommen werden, die eine Herausforderung darstellen, aber die Medizin revolutionieren können. Dies hängt auch von den Innovationen auf dem Gebiet des Tissue Engineering ab, da die Bioprinting-Forschung entscheidend von unserem Verständnis unerforschter Gewebetypen abhängt. Darüber hinaus sollte sich eine der neuen Richtungen im Bioprinting auf die Biofabrikation neuer Arten von Organen konzentrieren, wie z. B. bionische Organe oder Organe, die in der Natur nicht existieren.
Der Großteil der 3D-Bioprinting-Forschung hat sich um homozelluläre Gewebemodelle mit einem einzigen Zelltyp entwickelt. Natives Gewebe hat jedoch eine heterozelluläre Natur mit mehreren Zelltypen, die in einer hochkomplexen Anatomie organisiert sind. Obwohl einfache Bioprinting-Gewebsmodelle in der Grundlagenforschung relativ akzeptabel sind, erfordert die Herstellung von funktionellem Gewebe für klinische oder pharmazeutische Studien die Einbeziehung mehrerer Zelltypen. So kann ein Teil der Funktionalität von Zellen durch Zell-Zell-Interaktionen ermöglicht oder weiter verstärkt werden. Daher erfordert das Bioprinting mehrerer Zelltypen weitere Untersuchungen zu den optimalen Kulturbedingungen einschließlich des richtigen Mediums und der Reagenzien, um ihr Wachstum und Verhalten zu unterstützen.
Heutige Versuche der Translation von Bioprinting in die Transplantation beschränken sich hauptsächlich auf Mausmodelle. Allerdings sind die Mausmodelle klein und die physiologischen Bedingungen unterscheiden sich deutlich von denen des Menschen. Zum Beispiel kann ein kleines Pankreasgewebe mit 3D-bioprinted Inseln in ein diabetisches Mausmodell implantiert werden und die Insulinsekretion regulieren. Andererseits ist das durchschnittliche Volumen der Inselchen in einer Mauspankreas etwa 100.000 Mal kleiner als in einer menschlichen Bauchspeicheldrüse. Daher ist das Bioprinting von Geweben und Organen im Maßstab 1:1 extrem wichtig, um sie in klinisch relevanten Dimensionen zu konstruieren. Größere Tiere wie ein Schweinemodell können ein Übergangsschritt zu Versuchen am Menschen sein, da diese Tiere der menschlichen Physiologie näher entsprechen als kleine Tiere. Um bioprinted Organe für den klinischen Einsatz zu skalieren, ist neben der mechanischen Festigkeit, Elastizität und strukturellen Langzeitstabilität auch die Herstellung von hierarchischen Gefäßnetzwerken entscheidend. Zusätzlich ist die Integration von Nervengewebe und die Bildung von Innervation ein kritischer Schritt zur Herstellung von funktionellem Gewebe und Organen, da Gewebe wie Herz, Muskel und Haut Innervation benötigen, was derzeit eine Herausforderung beim Bioprinting darstellt. Der Großteil der Bioprinting-Forschung verwendet Hydrogel-basierte Biotinten, da sie eine günstige Umgebung für das 3D-Wachstum von Zellen darstellen. Allerdings haben Hydrogele schwache mechanische Eigenschaften, wenn sie in niedrigen Konzentrationen verwendet werden, um die Zellproliferation zu unterstützen. Darüber hinaus können biologisch abbaubare Materialien wie Thermoplaste als Hintergrundgerüst für das Scale-up von Geweben und Organen verwendet werden. Verfügbare Biomaterialien, wie z. B. synthetische Polymere, sind zwar stabil, aber ihr Abbau ist schwierig, zeitaufwendig und passt nicht genau zum Prozess der Geweberegeneration. Daher ist die Entwicklung neuer Biomaterialien entscheidend für den Fortschritt beim Bioprinting von Geweben und Organen für den klinischen Einsatz. Neben den Biomaterialien ist auch die Auswahl der richtigen Zellquelle ein kritischer Faktor für den erfolgreichen klinischen und pharmazeutischen Einsatz. Für die personalisierte Medizin ist es eine Herausforderung, verschiedene primäre Zelltypen zu erhalten. Stammzellen stellen eine vielversprechende Zellquelle dar. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um Standardprotokolle für die Differenzierung von Stammzellen in verschiedene stabile und funktionale Zelllinien zu etablieren.
Eine weitere prominente Art der Gewebeherstellung für das Hochdurchsatz-Screening sind die Miniatur-3D-Array-Plattformen wie Tissue-on-a-Chip- oder Organ-on-a-Chip-Modelle. Die Kombination der Bioprinting-Technologie mit anderen Technologien, wie z. B. der Mikrofluidik, ist für die Herstellung von physiologisch simulierten, komplexen und langfristig lebensfähigen Ziel-Mikroorganismen-Arrays unerlässlich. Die Anwendung von Technologien, die Pikoliter-Tropfen mit geringem Grad an Zellschädigung erzeugen und über Einzelzellsortierfähigkeiten verfügen, sollte beim Bioprinting von Zell-Mikroarrays gefördert werden. Die kontrollierte Abgabe von Medikamenten auf Zell-Mikroarrays sollte ebenfalls in Betracht gezogen und umgesetzt werden.
Obwohl bereits mehrere Versuche unternommen wurden, die Mikroumgebung von Krebszellen mit Hilfe der Bioprinting-Technologie nachzubilden, sind weitere Fortschritte erforderlich, um eine physiologisch relevante, vollständige Mikroumgebung zu konstruieren, die den Tumorbereich, den gesunden Bereich und das dazwischen liegende mikrovaskuläre Netzwerk umfasst, um Krebsmetastasenforschung zu betreiben. Tumorgewebe-Modelle sollten präzise in bioprinted vaskularisierten parenchymalen Geweben platziert werden, um ihr Wachstum, die Intravasation und Extravasation von Tumorzellen zu untersuchen.
Test: LO2 Fortgeschrittenes Niveau
Referenzen
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