Künstliche Haut aus Fischgelatine?
Wie ein neues Hydrogel Hautkrankheiten verständlicher macht
Zellen im Labor kultivieren – das ist für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler längst Alltag. Sobald jedoch komplexe Gewebe nachgebildet werden sollen, stehen sie vor neuen Herausforderungen. Ein Team der Empa arbeitet nun daran, ein lebendiges, dreidimensionales Modell der menschlichen Haut zu entwickeln. Das soll nicht nur neue Einblicke in Hautkrankheiten ermöglichen, sondern auch deren Behandlung verbessern helfen.
Die Haut - unser größtes Organ
Die Haut ist unser größtes Organ – sie macht etwa 15 Prozent unseres Körpergewichts aus und schützt uns vor äußeren Einflüssen wie Krankheitserregern, Flüssigkeitsverlust oder extremen Temperaturen. Umso schwerwiegender können Hautkrankheiten verlaufen: Hautkrebs, chronische Wunden oder Autoimmunerkrankungen sind weit verbreitet – und über ihre Ursachen und Behandlungsmöglichkeiten ist noch vieles unklar.
Hier setzen die Forschenden der Empa an. In den Laboren „Biointerfaces“ und „Biomimetic Membranes and Textiles“ entwickeln sie gemeinsam mit Ärztinnen und Ärzten ein lebendes Modell menschlicher Haut. Das Projekt ist Teil der nationalen Forschungsinitiative "SKINTEGRITY.CH", die ein tieferes Verständnis von Hautprozessen bei Verletzungen, Krankheiten und Heilung anstrebt.
Haut aus dem Drucker
Das Besondere an dem neuen Modell: Es handelt sich nicht um ein rein synthetisches oder digitales Abbild, sondern um ein lebendes Gewebe mit echten Hautzellen. Diese sind in einem eigens entwickelten Hydrogel eingebettet, das die Schichten und Faltenstruktur echter Haut nachbildet.
Ein zentrales Element dabei ist die sogenannte extrazelluläre Matrix – ein fein vernetztes Gefüge aus Proteinen und Biomolekülen, das der Haut ihre Struktur verleiht. Die Empa-Forschenden haben ein Hydrogel entwickelt, das diese Matrix simuliert und dabei eine entscheidende Eigenschaft mitbringt: Es lässt sich 3D-drucken.
„Der 3D-Druck ist ein mächtiges Werkzeug für die Entwicklung von Hautmodellen. Damit lassen sich die Hautzellen in bestimmten Mustern in die Hydrogel-Matrix einsetzen“, erklärt Kongchang Wei, Leiter der Forschungsgruppe „Tissue-Regenerative Soft Materials“. „3D-Druck erlaubt uns, mehrere Materialien und Zelltypen in einer einzigen Struktur zu vereinen – wie dies bei der echten Haut auch der Fall ist.“
Vom Kabeljau zum Hautmodell
Die Basis des neuen Hydrogels ist ein Naturprodukt: Gelatine aus der Haut von Kaltwasserfischen wie Kabeljau, Seelachs oder Schellfisch. Diese lässt sich auf einfache Weise so vernetzen, dass ein nicht-quellendes Hydrogel entsteht – ein wichtiger Vorteil, denn viele andere Hydrogele verändern ihre Form beim Kontakt mit Flüssigkeit, was beim 3D-Druck präziser Hautmodelle problematisch ist.
„Wir haben festgestellt, dass die Natur bereits eine viel einfachere, elegantere Lösung hat“, so Wei. Die Fischgelatine ermögliche nicht nur stabile Strukturen, sondern sei auch besonders verträglich.
Ziel der Forschenden ist es, mit dem Hydrogel ein möglichst realistisches Hautmodell zu erzeugen – inklusive Dermis, Epidermis und der dazwischenliegenden Basalmembran. „Mit dem Hydrogel auf der Basis von Gelatine aus Kaltwasserfischen sowie mit einer weiteren Polymerverarbeitungstechnik, dem Elektrospinnen, kommen wir diesem Ziel näher“, sagt Wei.
Potenzial für Wundheilung
Das Material könnte künftig nicht nur in der Forschung, sondern auch in der Medizin Anwendung finden – etwa als neuartiges Verbandsmaterial. Auch ohne lebende Zellen ist das Hydrogel biologisch kompatibel mit menschlicher Haut und gut formbar. Dabei bringt es noch einen weiteren Vorteil mit sich: Weil Fische evolutionär weiter vom Menschen entfernt sind als etwa Schweine oder Rinder, birgt ihre Gelatine ein geringeres Risiko für Immunreaktionen oder Krankheitsübertragungen.
„Fischhaut wird zurzeit als ein vielversprechendes Mittel zur Wundheilung erforscht“, berichtet Wei. „Unser Hydrogel ist homogener, sicherer und kann genau auf die Bedürfnisse der Patientinnen und Patienten zugeschnitten werden, beispielsweise mit unterschiedlichen Formen, Stärken und Festigkeit. Sogar die Integration von Medikamenten wäre denkbar.“
Die Forschenden haben ihre Entwicklung auf Fischgelatinebasis zum Patent angemeldet. Nun steht die nächste Etappe an: Das lebende Hautmodell soll weiterentwickelt und anderen Forschungsteams zugänglich gemacht werden. „Wir hoffen, damit ein besseres Verständnis für die Entstehung und die Behandlung von Hautkrankheiten zu fördern“, so Wei. Auch das besondere Quellverhalten des Hydrogels wird künftig noch näher untersucht.
Über die Forschungsinitiative
Das Projekt ist eingebettet in das Schweizer Forschungsnetzwerk SKINTEGRITY.CH, das seit 2016 besteht und 2020 auf die ganze Schweiz ausgeweitet wurde. Ziel des Konsortiums ist es, die Vorgänge in der Haut bei Verletzungen, Krankheiten und Heilungsprozessen besser zu verstehen – und Diagnostik sowie Therapie zu verbessern. Neben der Empa und ihren beiden beteiligten Laboren zählen auch weitere Institutionen der Universitätsmedizin Zürich zu den Partnern. Die Initiative bietet zudem eine interdisziplinäre Ausbildung für Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler in der Hautforschung.
Mit dem Hydrogel aus Fischgelatine geht die Empa einen innovativen Schritt in der Entwicklung realistischer Hautmodelle – mit Potenzial für Forschung, Diagnostik und möglicherweise auch Therapie.
Originalpublikation:
Hammer, T., Yang, K., Spirig, T., Meier-Schiesser, B., Rottmar, M., Maniura-Weber, K., Rossi, R. M., & Wei, K. (2025). Mechanically robust non-swelling cold water fish gelatin hydrogels for 3D bioprinting. Materials Today Bio. DOI/10.1016/j.mtbio.2025.101701
Quelle: EMPA
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