AcousticBioprinting

Im Bereich des Tissue Engineering werden 3D-Bioprinting-Verfahren genutzt, um räumlich komplexe, zellbeladene Konstrukte herzustellen, die in einem anschließenden zellulären Kultivierungsprozess zu mimetischem Gewebeersatz heranreifen. Bei den bislang verfügbaren Bioprinting-Techniken werden Düsen zum Verdrucken der in Hydrogele als Trägermaterial eingebetteten Zellen genutzt. Die Düsen sind dabei ein limitierender Faktor, denn sie begrenzen die Druckauflösung auf einige hundert Mikrometer. Bei einem zu kleinen Düsendurchmesser kommt es zum Verstopfen der Düsen. Zudem nimmt die Scherbeanspruchung auf die Zellen mit Verringerung des Düsendurchmessers deutlich zu. Ab einer kritischen Scherbeanspruchung werden die verdruckten Zellen mechanisch irreversibel geschädigt.

In dem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Forschungsprojekt soll das bislang nur im technischen Bereich genutzte Verfahren der akustischen Tropfenerzeugung (Acoustic Droplet Ejection, ADE) für das 3D-Bioprinting nutzbar gemacht werden. Bei diesem Verfahren können Tropfengrößen variabel über mehr als drei Größenskalen hinweg vom Millimeterbereich bis hinunter in den kleinen zweistelligen Mikrometerbereich reproduzierbar erzeugt werden. Über die Variation der Tropfengröße könnten somit skalenübergreifend sowohl größere Zellverbände als auch gezielt Einzel-Zellen präzise dreidimensional verdruckt werden. Dabei benötigt das akustische Verfahren keine Düse. Dies ist von entscheidendem Vorteil für die zu dispensierenden Zellen, da die oben angesprochenen, strömungstechnisch bedingten hohen Schubspannungen beim akustischen Verfahren vermieden werden. Die Mechanismen, die bei der ADE-Technik für das Bioprinting relevant sind, sollen in dem Forschungsvorhaben schrittweise ergründet werden. Durch die Modulation von Frequenz und Amplitude und entsprechende Signaldauer kann auf die Tropfengenauigkeit eingewirkt werden, die mittels Kamerasystem bestimmt wird. Es werden zellbeladene Hydrogele verdruckt. Dabei kommen verschiedene Zelllinien und Primärzellen zum Einsatz, um das zellbiologische Verhalten im ADE-Prozess im Detail zu ergründen. Die Hypothese ist, dass Zellen mit dem schallinduzierten Bioprinting deutlich zellschonender als mit den etablierten, düsenbasierten Bioprinting-Verfahren dreidimensional appliziert werden können.