Biomaterial und 3D-Drucker

bioprinterDie Anwendungsgebiete der 3D-Drucker scheinen schier unendlich und viele Branchen der Industrie ist dabei, neue Methoden zu entwickeln, die Herstellungsprozesse und die Kosten für Aufwand und Material senken sollen. Auch in der Medizin möchte man die digitalen Fabrikatoren einsetzen, erste Versuche wurden bereits erfolgreich durchgeführt. So gab es zum Beispiel im April 2013 in England einen Fall, bei dem ein Patient durch einen Tumor sein halbes Gesicht verlor. Sprechen und Nahrungsaufnahme waren nicht mehr möglich, ein Schlauch, der direkt in den Magen führte, stellte die Nahrungsaufnahme sicher.

prostheticHeute hat der Patient eine Gesichtsprothese, die direkt aus dem 3D-Drucker stammt. Dazu wurden Fotos und Aufnahmen von vor der Krankheit sowie ein Abdruck der verbliebenden, gesunden Gesichtshälfte verwendet. Das Material wurde im Computer zusammengeführt und arrangiert, dieser berechnete aus den vorhandenen Daten ein Voxelbild, dass auf einen Aluminiumträger aufgebracht wurde und als Grundlage, eine Art Stempel, für die aus Silikon bestehende Prothese verwendet wurde. Als Herstellungsmethode entschied man sich für den 3D-Druck, weil die Durchführung von Anpassungen und Änderungen dadurch stark vereinfacht wurden. Auch in anderen Anwendungsgebieten der Medizin, beispielsweise bei der Fertigung von Prothesen, könnte der 3D-Drucker von Vorteil sein, da es wesentlich einfacher ist, die Produkte an den Patienten anzupassen.

ibmSeit der Erfindung des Buchdrucks, zunächst noch mit festen Schablonen, später mit austauschbaren Stempeln, in der Frühzeit der Zivilisationen ist eine Menge Zeit vergangen. Ursprünglich sollte der Buchdruck nur eine zeiteffiziente Möglichkeit darstellen, bereits geschriebene Texte, Lyrik und Belletristik zu kopieren. Die Gutenberg-Druckerpresse ersetzte die bis dato benutzten handschriftlichen Texte aber bereits vollständig und auch die Öffentlichkeit begann sich für die als “Drucker” bezeichneten Maschinen zu interessieren. Dennoch sollte es noch lange dauern, bis im Jahre 1970 der erste 2D-Drucker, ein von IBM entwickelter Tintenstrahldrucker auf den Markt kam, dessen Druckqualität zwar nicht mit den heutigen Standards vergleichbar war, es dank allerlei Zusatzgeräten aber bereits erlaubte, Fotos auf Fotopapier oder auf Trägerfolie aufgebrachte Klebestreifen zu bedrucken. Im Laufe der Jahre wurde auch der 2D-Drucker immer wieder weiterentwickelt, dennoch hätte man sich bis vor ein paar Jahren nicht vorstellen können, Materialien wie Glas, Plastik oder Aluminium zu bedrucken. Heute sind wir nicht nur dazu in der Lage, Farbe oder Tinte aufzubringen, sondern können komplexe Formen sozusagen “aus dem Nichts” erschaffen. Die Entwicklung bezahlbarer 3D-Drucker und die Vereinfachung der dafür nötigen Software eröffnet ganz neue Türen. Neben den oben bereits genannten Beispielen gibt es viele Ideen, wie man die neuen Geräte nutzen könnte. Und zwar sowohl in der Kunst und Ästethik als auch in der Wissenschaft.

Selbst die NASA ist an den 3D-Druckern interessiert, erst kürzlich wurde im Rahmen des “NASA Innovative Concept“-Programms ein Projekt gestartet, bei dem es mithilfe von 3D-Druckern gelingen soll, neue Biomatierialien aus bestehenden Zellen herzustellen. Dazu wollen die Forscher eine Art Matrix verwenden, in die das Material eingeschlossen wird und den Zellen erlaubt, das benötigte Biomatieral abzusondern. Der Begriff Biomaterial ist hier eine Art Pauschalbezeichnung, denn sollten die Forscher erfolgreich sein, könnte man eine große Anzahl der benötigten Grundmaterialien für Missionen im All selbst reproduzieren und in die gewünschten Produkte umwandeln. 100.000 Dollar hat die NASA bereits in das Projekt investiert und sollte es Aussicht auf Erfolg geben, möchte man weitere 500.000 Dollar für weitere zwei Jahre Forschungsarbeit ausgeben.

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Selbstverständlich könnte die Synthese von Biomaterialien mithilfe von 3D-Druckern nicht nur Astronauten zugute kommen, sollte es der NASA wirklich gelingen, benötigte Materialien aus organischen Zellen zu synthetisieren, wären die Anwendungsgebiete schier unendlich, man könnte vom Türgriff über das Auto bis zu kompletten menschlichen Körpern fast alles herstellen, ohne dabei die Ressourcen der Erde aufbrauchen zu müssen.

GABRA2-Genotyps in Verbindung mit dem Abhängigkeitsrisiko verschiedener Stoffe

4.2Das Department of Psychiatry der Universität von Iowa hat in Zusammenarbeit mit dem Programm für Genetik und Neurowissenschaften der Universität von Iowa, der Georgetown Universität in Washington D.C. sowie der University of Georgia in Athens herausgefunden, dass die genetische Variation des GABRA2-Genotyps möglicherweise im Zusammenhang mit dem Risiko für Abhängigkeiten der als leichten Drogen klassifizierten Stoffe Alkohol(Ethanol), Nikotin sowie Cannabis(THC) steht. Dafür wurden die Genotypen von 516 Teilnehmern der ehemals durchgeführten Studien der Universität Iowa erneut ausgewertet und mit den relevanten Daten, der Einnahme der oben erwähnten Stoffe über die gesamte Lebensdauer, verglichen.

Als zweiter Faktor wurde die Analyse der Lebensgeschichte hinzugezogen, um auszuschließen, dass die Abhängigkeiten durch äußerliche Einflüsse hervorgerufen wurden. Zudem griffen die Analysten auf diverse Proben von Biomaterialien zurück, um beispielsweise die Konzentration der sekundären Anhangstoffe von Cannabis und Nikotin im Blut zu erkennen. Hier ist die Analyse jedoch nicht immer eindeutig, da sowohl die Blätter als auch die Samen der Cannabispflanze stark unterschiedliche Konzentrationen an THC haben können. Pflanzen, die für die medizinische Verwendung vorgesehen oder das Endprodukt qualitativ hochwertiger Samen sind, verfügen meist über eine höhere Dichte des halluzenogenen Stoffes als solche, die frei auf dem Markt erworben werden können, da hier der Profit im Vordergrund steht.

Das Ergebnis ist überraschend, denn sowohl der Genotyp als auch der Haplotyp des als GABRA2 bezeichneten Gens scheinen tatsächlich für eine Steigerung des Abhängigkeitsrisikos verantwortlich zu sein.

Die Analysten bescheinigen, dass es bei Probanden mit Auffälligkeiten innerhalb des Genotyps eine Abhängigkeit weitaus häufiger vorkommt, sofern diese mit den Stoffen in Berührung gekommen sind. Die Studie zeigt jedoch Schwächen, denn zunächst ist die Anzahl der Probanden relativ klein, wesentlich klener als für represäntative Studien vorgeschrieben, zudem sind die meisten Personen männlich, weiß und bei Durchführung der Studie in ihren 40er Jahren, haben also Zeiten erlebt, in denen es noch wenige Informationen über die Langzeitrisiken der erwähnten Stoffe gab. Unglücklicherweise, so die Experten, sind die gesammelten Daten noch kein gesicherter Hinweis darauf, dass die Auffälligkeiten des Genotyps wirkliche Auswirkungen auf die Risiken haben, der Haplotyp hingegen scheint eine weitaus höhere Bedeutung zu haben, sich jedoch nur auf die männliche Bevölkerung auszuwirken. Die Analysten empfehlen, weitere Studien bezüglich dieses Hinweises anzugehen.
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Verbesserung von Zahnimplantaten

Die Bioforschung ist in vielen Bereichen bereits weit vorgedrungen, auch von der Natur schaut sich die Forschung ab, welche Materialien sich als Biomaterial nutzen lassen könnten. Beim Zahnersatz und in der Zehenreparatur beispielsweise gehen die Forscher ständig neue Wege. So wird momentan ein kleines, eigentlich ganz unscheinbares Tier erforscht, welches mit seinen Zähnen sogar Steine zerbeißen kann.

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a, High-Angle ringförmigen Dunkelfeld-STEM Bild chiton Zahn Magnetit zeigt dunkle (low-Z) faserige Strukturen mit einer Länge> 1 um und einen Durchmesser von ~ 5-10 nm in der nanokristallinen Magnetit eingebettet (für low angle ringförmigen dunkel Feld STE …

Die Käferschnecke, mit lateinischem Namen: Chaetopleura apiculata, welche auf dem Grund der Ozeane lebt, gibt neue Einblicke in ein Material für langlebige Implantate. Denn die Schnecke hat, ähnlich dem Gebiss des Hais, mehrere Reihen von Zähnen, die sie im Laufe der Zeit nach vorne geschoben werden, auf ihrer Zunge. Einzigartig an der Konstruktion ihres Zahnschmelzes ist dabei die Elastizität, denn das Biomaterial bildet keine Risse und ist somit zu anderen, heute bereits eingesetzten Materialien, nicht spröde.

Die Forscher versuchen nun die Schneckenzähne und ihre Zusammensetzung auf Nanoebene zu begreifen, damit sie den Verbund von Mineralien und Eiweißen nachbilden können. Dies geschieht via Atomsonden-Tomografie, welche eigentlich für die Halbleitertechnik oder Metallurgie gedacht ist, scheinbar funktioniert sie ebenso mit den Schneckenzähnen und deren Struktur. Auch wenn die genaue Zusammensetzung den Forschern bekannt wird, ist die Nachbildung jedoch schwierig, da momentan noch zu wenig Möglichkeiten bestehen, Material auf Nanoebene zusammenzufügen.

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a, Auflicht optische Aufnahme der Spitze eines C. apiculata radula, mit vier Reihen von vollständig mineralisierten Zähne (Pfeil). Maßstab bar, 200 um. b, REM-Bild von polierten Querschnitt eines Zahnes mit der ungefähren Stelle, wo Proben für APT und TEM extrahiert (Pfeil) wurden. Maßstab bar, 50 um. c, Rasterelektronenmikroskopie-Energie-Röntgen-Spektroskopie (SEM-EDS) elementarem Karten Querschnitt (b) zeigt ein Ca / P / O-reichen Kern (Apatit) und Fe / O-reichen Kappe (Magnetit). Maßstab bar, 20 um.

Damit sind sie der Natur noch unterlegen, jedoch ist ein Erfolg trotzdem nicht auszuschließen, sobald eine Methode entwickelt wird, die ausreichend kleine Teile zusammenfügen kann, an solchen Verfahren wird in der Struktur und Evolutionsbionik geforscht. Sollte es den Forschern gelingen den harten Zahnschmelz der Schnecke nachzubilden, wäre dieses Biomaterial sicherlich ein guter Stoff, um bisherige Probleme mit Brücken, Implantaten und anderen Zahnreparaturen langfristig zu lösen.

Neue Studienfächer mit Schwerpunkt Biomaterialien

Während früher die Biomechanik einen Teil der Biomechanik und der Bionik darstellte, ist sie heute ein eigenständiges Studienfach und wird auch in der Wirtschaft als eigenständig angesehen. So gibt es einen eigenen Studiengang der „Biomaterials Science“ an der Hochschule Rhein-Waal. In 7 Semestern wird der „Bachelor of Science, B.Sc.“ verliehen. Das Studium ist sehr praxisorientiert und findet komplett auf Englisch statt.

Hier wird Biomaterial allerdings ein wenig anders verstanden. Im Gegensatz zur allgemeinen Ansicht von Biomaterial wird der Werkstoff Erdöl ausgeklammert und zukunftsorientiert mit pflanzlichen und tierischen Rohstoffen gearbeitet. Es handelt sich damit um eine Ausbildung in Materialkunde und nicht um einen reinen Studiengang zu Biomaterial, welches in der Medizin verwandt wird. Damit ist der menschliche Körper kein Schwerpunkt in dieser Ausbildung. Die biologischen Materialien werden eher in der allgemeinen Industrie verwendet.

Der Umgang mit Biomaterialien und die Forschung setzen eine medizinische oder biologische Vorbildung voraus. In späteren Jahren können Fortbildungen bei Unternehmen, welche sich mit Biomaterial beschäftigen hilfreich sein. Hierzu gehört z.B. das Unternehmen “Geistlich Biomaterials Vertriebsgesellschaft mbH”, welches Kurse zu den von ihnen hergestellten Biomaterialien anbietet.

Neue Hornhaut durch Bioforschung

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Besonders in der Forschung am Auge und der Hornhaut ist die Erkenntnis im Punkt Biomaterial weit fortgeschritten. So gibt es nicht nur zahlreiche Versuche zu Biomaterialien, die zu einer kurzzeitigen Verbesserung der Sehschärfe beitragen, wie Kontaktlinsen, sondern es wird versucht, ganze Hornhäute aus Biomaterial herzustellen. Synthetische Implantate, die eine Hornhaut komplett ersetzen können, nach einer Ablösung, einer Verletzung oder Infektion sind das erklärte Ziel. Forschern in Schweden ist kürzlich ein Durchbruch gelungen. Synthetisches Kollagengewebe soll in Verbindung mit Bio-Klebstoff in Zukunft die menschliche Hornhaut teilweise oder gar vollständig ersetzten können und das Licht genauso gut brechen wie die menschliche Hornhaut, die heutzutage meistens als Implantat genutzt wird.

Die künstliche Hornhaut hat demgegenüber jedoch einige Vorteile, nicht nur, dass die Betroffenen nicht ewig auf eine Spende warten müssen, sondern auch das Infektionsrisiko mit Krankheiten vom Spender, würde entfallen. Außerdem ist die künstliche Hornhaut auch in Sachen der Immunsystemunterdrückung vorzuziehen, das heißt, sogenannte Immunsuppressiva müssen nicht vom Empfänger der synthetischen Hornhäute eingenommen werden, weil der Körper keine Abwehr gegen die Implantate auffährt. Die Forschungsergebnisse sind positiv. Bei den Testpersonen wurde die synthetische Hornhaut vom Körper häufig integriert. Lediglich bei manchen erreichte die Sehschärfe nicht das Maximum und konnte jedoch durch Kontaktlinsen ergänzt werden.

Biomaterial und Biomechanik

diashow_05Hervorgegangen ist dem Biomaterial häufig die Forschung in der Biomechanik. Denn ohne den Bewegungsablauf des menschlichen Körpers genaustens zu kennen, wäre es nicht möglich, Biomaterial hervorzubringen, welches allen Anforderungen gerecht werden kann. Ein Arbeiter im normalen Job unterscheidet sich von den Bewegungsabläufen eines Sportlers deutlich. Wenn der gleiche Mensch beiden Aufgaben nachgeht, muss auch der Bewegungsapparat dazu passen. Ein Mensch, der ein Knochenimplantat bekommt, sollte seinen Bewegungen schließlich immer noch nachkommen können.

Welche dies sind und wie dies erreicht werden kann, ist Aufgabe der Biomechanik. Denn diese zeigt auf, welche Veränderungen entstehen, wenn ein Knochennagel oder Implantat gesetzt wird. Sie zeigt aber auch auf, welche Materialeigenschaften der menschliche Körper hat und wie die Materialien zusammenspielen, damit ist die Biomechanik eine wichtige Grundlage für die Erforschung in der Biomaterialkunde, denn alle Bewegungsabläufe grundsätzlich auf höchstem Niveau zu erhalten – vielleicht sogar zu verbessern – ist ebenso ein Teil der Biomechanik wie auch der Forschung im und am Biomaterial. Ferner kann die Forschung in der Biomechanik Prävention leisten, damit es gar nicht erst zum Einsatz von Biomaterial kommen muss.

Biomaterial und Bionik

Während Biomaterial sich häufig an der Bionik orientiert, sind jedoch nicht alle bionischen Stoffe gleichzeitig als Biomaterial zu klassifizieren. Denn die Bionik setzt tierische und andere natürliche Verhaltensweisen und Stoffe in synthetisch hergestellte Pendants um. Ob und wie sich diese Stoffe dann mit dem menschlichen Körper vereinbaren lassen, stellt die Bionik jedoch nicht in den Vordergrund. Lediglich die Handhabbarkeit ist interessant. Wenn jedoch beispielsweise Zähne nachgebildet werden, wie die der Käferschnecke, ist dies ein Teil der Bionik und gleichzeitig ebenfalls ein Biomaterial. Bionik umfasst also den menschlichen Körper und ebenfalls alle menschlichen Güter, während Biomaterialkunde sich auf den menschlichen Körper beschränkt.

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Zur Bionik gehören z.B. Saugnäpfe, die den Tentakeln der Kraken entsprechen, oder das Sonar, welches der Wahrnehmung von Walen und Fledermäusen entspricht. In der Medizin ist ein Beispiel für angewandte Bionik die Spritze, welche sich aus dem Stachel von Bienen, Wespen und anderen Insekten entwickelte. So zielt die Bionik darauf, sich möglichst viel Wissen aus der natürlichen Umgebung abzuschauen und das bis zur kleinsten Ebene, dabei kommt sie natürlich auch immer wieder mit Materialien in Verbindung, die durchaus interessant für die Nachbildung im Bereich der Biomaterialforschung sind.

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