3D-Scaffolds: "Sie können beliebige Implantatgeometrien generieren"

Mithilfe der 3D-Lithografie via Zwei-Photonen-Polymerisation von bioabbaubaren Copolymeren wurden erstmalig 3D-Scaffolds mit Substrukturen im Mikrometermaßstab hergestellt. Das Verfahren wird neue Möglichkeiten in der Therapie von Knorpel-Knochen-Defekten eröffnen. Wir haben mit Prof. Dr. Klaus Liefeith zum Thema gesprochen. 

Herr Prof. Dr. Liefeith, wie funktioniert die Herstellung der Scaffolds per 3D-Druck?

Prof. Dr. Klaus Liefeith: Wir nutzen ein spezielles maskenloses 3D-Druckverfahren im Sinne einer 3D-Nano-Lithographie, basierend auf dem Prinzip der Multiphotonen-Absorption. Das heißt, es wird eine Strukturierungsverfahren eingesetzt, das fotochemisch sensitive Polymere adressiert. Die Polymerisation findet dort ausschließlich im Fokus-Volumen des Lasers statt und ist damit – makroskopisch formuliert – auf einen Punkt reduziert. Der Fokus des beweglichen Lasers hinterlässt überall dort, wo er computergesteuert entlang geführt wird, eine Spur polymerisierten Materials. Dieses Material wird nun Schicht für Schicht aufgebaut, sodass man entsprechende Strukturen programmieren kann. Auf diese Art und Weise wird ein Polymer zu einer festen Struktur vernetzt. Das Schöne daran ist, dass das ohne kostenintensive Masken funktioniert: Sie können alle Strukturen, die mathematisch verarbeitbar sind, verwenden und beliebige Implantatgeometrien generieren.

Welche Materialien werden dafür verwendet?

Liefeith: Die Forschungen sind Teil des Förderprogramms ProMatLeben, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung vor einigen Jahren ins Leben gerufen wurde. Der Zweck dieses Programmes war, Biopolymere mit Milchsäure-Anteilen (Polylactide und Polyglycolide) zu substituieren. Man hatte durch entsprechende Studien festgestellt, dass diese Art von Polymeren bei der Zersetzung im Körper saure Degradationsprodukte bilden. Die Reaktions-Produkte selber sind zwar nicht toxisch, aber beim Degradations-Prozess entsteht ein sehr niedriger pH-Wert, in dessen Folge auch das Gewebe im Umfeld dieser Implantate Nekrosen entwickelt. Damit das nicht mehr passiert, war das ProMatLeben-Programm dazu bestimmt, entsprechende alternative Biopolymere zu entwickeln, die diese Effekte nicht mehr zeigen.

Wir haben ein Amid-Caprolacton-Polymer entwickelt und es mit einem Lactid-Caprolacton (mit dem unerwünschten Lactid darin) verglichen: Das Amid-Caprolacton-Polymer hat die sauren Degradationsprodukte nicht mehr gebildet – das ist die Polymer-Plattform, mit der diese neuen Implantat-Strukturen geschrieben werden.

Für welche Krankheits-Fälle kann dieses Verfahren eine Lösung bedeuten?

Liefeith: Als Lösung-Ansatz für verschiedene Krankheiten sollte man das Verfahren auch über den Horizont eines Knorpel-Knochens-Implantats hinaus adressieren. Wir sind bei unserem Institut dabei, alle möglichen Disease-Modelle zu erstellen. Das heißt, wir gehen zum einen in Richtung Diagnostik: Um dreidimensionale Zellkulturen auf einem Chip zu generieren, braucht man eine künstliche Matrix, die wir mit einem Zwei-Photonen-Polymerisations-Verfahren schreiben. Diese Matrices werden dann mit Zellen besiedelt, sodass eine dreidimensionale Gewebestruktur entsteht, mit der man deutlich besser und physiologisch adäquater Untersuchungen planen kann als mit der bisher genutzten Standard-2D-Zellkultur.

Und wir gehen natürlich auch im Hinblick auf therapeutische Dinge in die verschiedensten Richtungen: Wir produzieren mit der Universitätsmedizin Göttingen entsprechende Implantate, die in Kiefern eingesetzt werden. Es sind aber auch noch andere Ansätze, zum Beispiel als Haut-Ersatz denkbar. Grundsätzlich benötigt man für Tissue Engineering immer entsprechende Zellträger – die kann man mit diesem Verfahren mit einer sehr hohen Flexibilität herstellen.

Was denken Sie, wann diese Forschung marktreif sein wird?

Liefeith: Es sieht aus, als gelänge es, diese Implantate auch zu kommerziell interessanten Konditionen herzustellen. Früher haben wir mehrere Tage an so einem Implantat geschrieben. Heute ist diese Zeit durch die Industriepartner, die mit an dem Projekt beteiligt sind, runtergedrückt worden auf anderthalb Stunden.

Und es gibt natürlich noch eine Reihe von technischen Möglichkeiten, mit denen man das Verfahren noch Upscalen kann. Beispielsweise gibt es Defraktive Optische Elemente (DOE's), bei denen man den Laser aufspalten kann, sodass man nicht mit einem Laserstrahl schreibt, sondern mit acht oder 16 Strahlen. Für periodische Strukturen kann man dann die Strukturierungsgeschwindigkeit auf einen Schlag um den Faktor 16 hochsetzen. Möglicherweise werden auch irgendwann neuere Photo-Initiatoren entwickelt, die schneller sind, sodass auch die eigentliche Polymerisationsreaktion noch schneller abläuft. Es gibt also noch Möglichkeiten, die genutzt werden können, um die Verfahren noch deutlich interessanter zu machen.

Was denken Sie, wie sich der 3D-Druck im medizinischen Bereich weiterentwickelt?

Liefeith: Ich bin der Meinung, dass wir da noch am Anfang stehen. Ich glaube, es existieren noch sehr viele interessante Möglichkeiten und dass die Perspektiven aus unserer Sicht wirklich phänomenal sind: Vom Elektro-Spinning über die 2-Photonen-Absorption bis hin zum 3D-Druck. Ich glaube, dass der 3D-Druck gegenüber den herkömmlichen Verfahren große Vorteile bringt und sich über lang oder kurz im Bereich der Industrie durchsetzen wird.