AcousticBioprinting

Gängige Bioprinting-Verfahren wie Inkjet oder Extrusionsverfahren verwenden Druckdüsen, ähnlich wie die bekanntesten FDM-3D-Druckverfahren. Obwohl diese Düsen notwendig für die Umsetzung der jeweiligen Verfahren sind, stellen sie gleichzeitig eine Limitation dar, indem sie eine feste Druckauflösung des jeweiligen Verfahrens festlegen. Eine Erhöhung dieser Auflösung bei optimaler Druckkonfiguration ist nur durch eine Reduktion des Düsendurchmessers möglich. Kleinere Durchmesser erhöhen aber das Risiko einer Düsenverstopfung und die Scherbelastung der verwendeten Biotinte. Vor allem dieser letzte Aspekt ist besonders kritisch für Zellen, da sie durch die erhöhte Scherbeanspruchung geschädigt werden können, ab einer bestimmten Beanspruchung sogar irreversibel. Diese Problematik könnte durch die Verwendung des Prinzips des Acoustic Droplet Ejection (ADE) gelöst werden, da anhand dieser Technik das Bioprinting ohne die Verwendung von Düsen möglich wird. Wir konnten in der ersten Projektphase des durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Vorhabens zeigen, dass mit der ADE-Technik zellbeladene Hydrogelstrukturen im Millimetermaßstab dreidimensional aufgebaut werden können. In Einzeltropfen eingebettete humane mesenchymale Stammzellen wiesen nach dem Druckvorgang eine sehr hohe Viabilität auf. Mit Hilfe von strömungsmechanischen Finite-Elemente-Simulationen konnten wir zudem zeigen, dass die Scherspannungsbeanspruchung beim Drucken von Zellen mittels der ADE-Technik fast dreimal geringer als beim Bioprinting mittels Mikroventil-basiertem Inkjet-Verfahren ist.

In einer zweiten Projektphase wollen wir auf eine Reihe im ersten Forschungsabschnitt noch nicht abschließend beantworteter grundlegender wissenschaftlicher Fragen Antworten finden. Entsprechend dieser wissenschaftlichen Fragen haben wir für den zweiten Projektabschnitt vier Arbeitshypothesen formuliert: 1.) Die Vermeidung von Druckdüsen beim ADE-Verfahren ermöglicht den Druck von Biotinten mit Zellkonzentrationen in physiologischen Größenordnungen. 2.) Die Technik ermöglicht den Druck von Einzelzellen, was durch eine entsprechende Modifizierung der bestehenden Anlage erreicht werden kann. 3.) Auch Gele mit komplexer Geliertechnik lassen sich mittels ADE prozessieren. 4.) Das Auftreffen der zellbeladenen Tropfen auf die Bauplattform ist durch eine entsprechende Analyse prozesstechnisch kontrollierbar, was Grundvoraussetzung ist für das Verständnis, wie mittels ADE-Technik dreidimensionale zellbeladene Hydrogelstrukturen reproduzierbar aufgebaut werden können

Wesentlicher Schlüssel zur Überprüfung der Arbeitshypothesen in der zweiten Phase des Forschungsprojektes ist die zusätzliche Implementierung von hochpräziser 3D-Messtechnik in die Anlage. Dies ermöglicht, die Druckobjekte noch während des Druckvorgangs zu vermessen und die Auswirkungen von Dichte, Geschwindigkeit, Tropfendurchmesser, Viskosität und Oberflächenspannung auf das Auftreffen der zellbeladenen Tropfen auf die Bauplattform und dem Verschmelzen der Tropfen untereinander sowie die prozessbedingte Reaktion der verdruckten Zellen im Detail zu erforschen. Auf der Grundlage der erwarteten Ergebnisse und neuen Erkenntnisse aus der zweiten Projektphase kann die akustische Bioprinting-Methode abschließend im direkten Vergleich mit etablierten düsenbasierten Druckverfahren umfassend wissenschaftlich bewertet werden.