Regenerative Medizin

Biotinte mit Spinnenseide

Biofabrikation: So heißt ein junges Forschungsgebiet, das weltweit mit zunehmender Intensität bearbeitet wird. Es geht dabei vor allem darum, mit 3D-Drucktechniken gewebeähnliche Strukturen für die Regeneration von beschädigtem Herzmuskel-, Haut- oder Nervengewebe zu produzieren. Solche Strukturen bestehen aus einem porösen Gerüst und aus lebenden Zellen, die sich in den Zwischenräumen des Gerüsts befinden.

Biotinte auf Basis von Spinnenseide erscheint vielversprechend für die Produktion von gewebeähnlichen Strukturen für die regenerative Medizin. Hier ein mit dem 3D-Drucker gedrucktes Ohr aus Spinnenseide. (Bild: Universität Würzburg)

Bisher hat man derartige Strukturen hauptsächlich in konsekutiven Verfahren entwickelt. Das heißt, dass zunächst das Gerüst mit den gewünschten molekularen Strukturen vorgefertigt und anschließend mit lebenden Zellen „beladen“ wird. Bei der Optimierung der Gerüstmaterialien hat die Wissenschaft schon deutliche Erfolge erzielt. Trotzdem sind die Verfahren nur eingeschränkt tauglich, um Zellen in den Gerüsten gezielt gewebeartig anzuordnen.

Biotinte mit Spinnenseide ist überlegen
Viel vorteilhafter sind dreidimensionale Druckverfahren, bei denen „Biotinte“ zum Einsatz kommt. In dieser „Tinte“ sind sowohl die Gerüstbausteine als auch die lebenden Zellen schon enthalten. Bei der Entwicklung einer neuen Biotinte auf Basis von Spinnenseide ist einem Forschungsteam von den Universitäten Bayreuth und Würzburg nun ein entscheidender Fortschritt gelungen. Publiziert sind die Ergebnisse in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“.

Spinnenseide hat keine zelltoxischen Wirkungen, wird nur langsam abgebaut und löst keine Immunreaktionen aus. Vor allem aber konnte das Forschungsteam nachweisen, dass eine Biotinte auf Basis von Spinnenseide allen anderen bisher getesteten Materialien überlegen ist.

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Und so wird aus der Biotinte eine gewebeähnliche Struktur: Ein Gel, in dem Spinnenseidenmoleküle und lebende Zellen gemischt sind, „fließt“ im Druckkopf eines 3D-Druckers, so dass auch feine Gerüststrukturen auf eine Oberfläche aufgetragen werden können. Dort verfestigt sich das Gel sofort. Der Grund für diesen blitzschnellen Wechsel von flüssig zu fest liegt darin, dass sich die Spinnenseidenmoleküle in ihrer Struktur umlagern – ein Mechanismus, den auch die Spinne bei der Faserproduktion nutzt.

Neue Perspektiven für die regenerative Medizin
Als lebende Zellen verwendeten die Forscher zunächst Fibroblasten von Mäusen und anschließend – mit gleichbleibendem Erfolg – menschliche Zellen. „Die bisher erzielten Forschungsergebnisse machen uns deshalb zuversichtlich, dass sich durch den Einsatz von Spinnenseide in Biotinte langfristig völlig neue Perspektiven für die regenerative Medizin erschließen“, erklärt Prof. Thomas Scheibel aus Bayreuth.

„Es wäre beispielsweise möglich, Zellstrukturen zu züchten, die funktionsunfähiges Herzmuskelgewebe ersetzen. Und auch im Hinblick auf die Reparatur zerstörter Nervenbahnen oder Hautpartien zeichnen sich hochinteressante Möglichkeiten ab, die wir in unseren Forschungsarbeiten zur Biofabrikation weiter ausloten wollen“, so Scheibel. Prof. Jürgen Groll von der Universität Würzburg ergänzt: „Die Biofabrikation braucht dringend neue Biotinten mit variablen Eigenschaften, um funktionale Gewebestrukturen züchten zu können. Mit dem neuen 3D-Druckverfahren auf der Basis von Spinnenseide konnten wir das Forschungsfeld um eine vielversprechende Möglichkeit erweitern.“

Baustein fürs Bayerische Polymerinstitut
Die beiden Wissenschaftler sehen in ihren Forschungsarbeiten zur Biofabrikation einen vielversprechenden Baustein für das Bayerische Polymerinstitut (BPI). Dieses geplante Institut beruht auf engen Kooperationen zwischen den Universitäten Bayreuth, Erlangen-Nürnberg und Würzburg. Es soll von der Bayerischen Staatsregierung im Rahmen ihrer Nordbayern-Initiative finanziert werden.

Die hier beschriebenen Arbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) sowie von der Europäischen Union gefördert.

Publikation:
Kristin Schacht, Tomasz Jüngst, Matthias Schweinlin, Andrea Ewald, Jürgen Groll und Thomas Scheibel: „Dreidimensional gedruckte, zellbeladene Konstrukte aus Spinnenseide“, Angewandte Chemie (2015), DOI: 10.1002/ange.201409846.

Kontakt
Prof. Dr. Thomas Scheibel
Universität Bayreuth, Lehrstuhl für Biomaterialien
E-Mail: thomas.scheibel@uni-bayreuth.de.

Prof. Dr. Jürgen Groll
Universität Würzburg, Lehrstuhl für Funktionswerkstoffe der Medizin und der Zahnheilkunde
E-Mail: office@fmz.uni-wuerzburg.de.

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