3D-biogedrucktes Herz bietet neues Werkzeug für Chirurgen

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PITTSBURGH, 20. November 2020 /PRNewswire/ -- Der Professor für Biomedizintechnik an der Carnegie Mellon University, Adam Feinberg, und sein Team haben das erste gedruckte 3D-biogedruckte Modell des menschlichen Herzens in Originalgröße mit Hilfe ihrer Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels (FRESH)-Technik erstellt. Das Modell, das in einem kürzlich von der American Chemical Society veröffentlichten Video vorgestellt und mit einem speziell gebauten 3D-Drucker aus MRT-Daten erstellt wurde, ahmt die Elastizität von Herzgewebe und Nahtmaterial realistisch nach. Dieser Meilenstein stellt den Höhepunkt einer zweijährigen Forschungsarbeit dar, die sowohl für Chirurgen und Kliniker unmittelbar vielversprechend ist, als auch langfristige Auswirkungen auf die Zukunft hat Biotechnologische Organforschung.

Die FRESH-Technik des 3D-Biodrucks wurde in Feinbergs Laboratorium erfunden, um eine nicht erfüllte Nachfrage nach 3D-gedruckten Weichpolymeren zu befriedigen, denen die Steifigkeit fehlt, um ungestützt wie bei einem normalen Druck zu stehen. Beim FRESH 3D-Druck wird Bioink mit einer Nadel in ein Bad aus weichem Hydrogel injiziert, das das Objekt beim Drucken unterstützt. Sobald es fertig ist, lässt eine einfache Wärmezufuhr das Hydrogel wegschmelzen, so dass nur noch das 3D-Biodruckobjekt übrig bleibt.

Während Feinbergs Laboratorium sowohl die Vielseitigkeit als auch die Treue der FRESH-Technik unter Beweis gestellt hat, war das größte Hindernis bei der Erreichung dieses Meilensteins der Druck eines menschlichen Herzens in Originalgröße. Dies erforderte den Bau eines neuen 3D-Druckers, der speziell für die Aufnahme eines Gel-Trägerbads entwickelt wurde, das groß genug ist, um in der gewünschten Größe drucken zu können, sowie kleinere Softwareänderungen, um die Geschwindigkeit und Genauigkeit des Drucks aufrechtzuerhalten.

Größere Krankenhäuser verfügen oft über Einrichtungen zum 3D-Drucken von Modellen des Körpers eines Patienten, um Chirurgen bei der Aufklärung der Patienten und der Planung des eigentlichen Eingriffs zu unterstützen, jedoch können diese Gewebe und Organe nur in Hartplastik oder Gummi modelliert werden. Das Herz von Feinbergs Team besteht aus einem weichen natürlichen Polymer namens Alginat, das ihm ähnliche Eigenschaften wie echtes Herzgewebe verleiht. Für Chirurgen ermöglicht dies die Erstellung von Modellen, die ähnlich wie ein echtes Herz schneiden, nähen und manipuliert werden können. Feinbergs unmittelbares Ziel ist es, mit Chirurgen und Klinikern zusammenzuarbeiten, um ihre Technik zu verfeinern und sicherzustellen, dass sie für den Einsatz im Krankenhaus bereit ist.

„Wir können jetzt ein Modell entwickeln, das nicht nur eine visuelle Planung, sondern auch eine physische Übung ermöglicht", sagt Feinberg. „Der Chirurg kann sie manipulieren und sie tatsächlich wie echtes Gewebe reagieren lassen, so dass er, wenn er in den Operationsbereich gelangt, eine zusätzliche Ebene realistischer Praxis in diesem Umfeld erhält."

Dieses Papier stellt eine weitere wichtige Markierung auf dem langen Weg zur Biotechnik eines funktionierenden menschlichen Organs dar. Weiche, biokompatible Gerüste wie das von Feinbergs Gruppe geschaffene könnten eines Tages die Struktur liefern, an der Zellen anhaften und ein Organsystem bilden, wodurch die Biomedizin der Fähigkeit, ganze menschliche Organe zu reparieren oder zu ersetzen, einen Schritt näher kommt.

„Obwohl beim Bioprinting eines voll funktionsfähigen menschlichen Herzens in voller Größe noch große Hürden bestehen, sind wir stolz darauf, dass wir mit Hilfe der FRESH-Plattform dazu beitragen können, die grundlegenden Grundlagen zu schaffen und gleichzeitig unmittelbare Anwendungen für realistische chirurgische Simulationen zu zeigen", fügte Eman Mirdamadi, Hauptautor der Publikation, hinzu.

Der in ACS Biomaterials Science and Engineering veröffentlichte Beitrag wurde von Feinbergs Studenten Joshua W. Tashman, Daniel J. Shiwarski, Rachelle N. Palchesko und dem ehemaligen Studenten Eman Mirdamadi mitverfasst.

Foto - https://mma.prnewswire.com/media/1337962/Carnegie_Mellon_University_3D_Heart.jpg