Skalenübergreifendes und zellschonendes 3D-Drucken humaner Zellen mittels düsenfreier akustischer Tropfenerzeugung (AcousticBioprinting)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Horst Fischer
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423054768

Bei etablierten Bioprinting-Verfahren sind die verwendeten Druckdüsen der limitierende Fak-tor, denn sie begrenzen die Druckauflösung. Bei kleinen Durchmessern kommt es zum Verstopfen der Düsen. Zudem nimmt die Scherbeanspruchung auf die Zellen mit Verringerung des Durchmessers deutlich zu. Ab einer kritischen Scherbeanspruchung werden die verdruckten Zellen mechanisch irreversibel geschädigt. Diese Limitierungen und Probleme könnten durch das akustische Dispensierverfahren (ADE) erfolgreich adressiert werden. Wir konnten in der ersten Projektphase 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 zeigen, dass die Scherspannungsbeanspruchung beim Drucken von Zellen mittels 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.) Dadurch, dass das ADE-Verfahren ohne Düse auskommt, lassen sich, anders als bei den etablierten Bioprinting-Techniken, auch Tropfen mit extrem hoher Zellkonzentration nahe an der physiologischen Zelldichte verdrucken. 2.) Durch eine Kombination aus ADE und einer Mikrofluidik, die Zellen vereinzeltet und dem Ort der akustischen Tropfenerzeugung zuführt, lassen sich auch Einzelzellen präzise in 3D verdrucken. 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 und Oberflächenspannung auf das Auftreffen der zellbeladenen Tropfen auf die Bauplattform und dem Verschmelzen der Tropfen untereinander sowie die prozessbedingte Reaktion der ver-druckten 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.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen