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15.08.2017 | Additive Fertigung | Im Fokus | Onlineartikel

Kunstherz aus dem 3D-Drucker

Autor:
Dieter Beste

Schweizer Forscher druckten unlängst ein Kunstherz aus weichem Silikon. Forscher der Universitäten Bayreuth und Erlangen nutzen den 3D-Druck zur Produktion von künstlichem Herzgewebe aus Spinnenseide.

Nach Jahrzehnten intensiver interdisziplinärer Forschung und Entwicklung und ersten Studien des Humaneinsatzes haben heute mechanische Pumpsysteme zur Unterstützung oder zum Ersatz des versagenden Herzens (Ventricular Assist Devices, VAD, bzw. Total Artificial Heart, TAH) ihren festen Platz in der Behandlung des terminalen Herzversagens gefunden, konstatieren die Springer-Autoren Roland Hetzer, Friedrich Kaufmann und Eva Maria Delmo Walter in "Medizintechnik" und geben dort ab Seite 555 einen Überblick über den aktuellen Entwicklungsstand mechanischer Herzunterstützungssysteme.

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Heute existierende Kunstherzen haben allerdings noch viele Nachteile. Die Mechanik ist störungsanfällig. Zudem kommen die derzeitig verwendeten Kunstherzen ohne Puls aus, wobei noch unklar ist, welche Folgen dies für den Körper haben könnte. "Ziel muss also sein, ein Herz zu entwickeln, das ungefähr die gleiche Größe hat, wie das eines Patienten und welches das menschliche Herz in Form und Funktion so gut wie möglich imitiert", sagt Nicholas Cohrs von der ETH Zürich. Dort hat er in der Arbeitsgruppe von Wendelin Stark, Professor für Funktionelles Material-Engineering, ein Silikonherz entwickelt, das sehr ähnlich pumpt wie ein menschliches Herz.

Das weiche Kunstherz wurde mittels 3D-Drucker aus Silikon hergestellt, wiegt 390 Gramm und hat ein Volumen von 679 Kubikzentimeter. "Es handelt sich um einen Silikon-Monoblock, der ein kompliziertes Innenleben hat“, erläutert Cohrs. Wie ein echtes Menschenherz besteht auch dieses Kunstherz aus einer rechten und einer linken Herzhälfte. Anders als beim menschlichen Herzen werden diese aber nicht durch eine Scheidewand, sondern durch eine zusätzliche Kammer getrennt. Diese wird durch Luftdruck bewegt und ist nötig, um die Flüssigkeit aus den Blutkammern zu pumpen und ersetzt so die Muskelkontraktion des menschlichen Herzens.

In eine neue Richtung denken

Die Forscher konnten beweisen, dass das weiche Kunstherz grundsätzlich funktioniert und sich sehr ähnlich bewegt wie das menschliche Pendant. Ein Problem hat das künstliche Herz aber: Bis jetzt steht es nur rund 3000 Schläge durch, was einer Laufdauer von etwa einer halben bis einer dreiviertel Stunde entspricht. Danach hielt das Material der Belastung nicht mehr Stand. Cohrs: "Es handelt sich bei diesem Versuch klar um einen Machbarkeitstest. Unser Ziel war nicht, ein implantierbares Herz vorzustellen, sondern bei der Entwicklung von künstlichen Herzen in eine neue Richtung zu denken." Natürlich müssten noch die Reißfestigkeit des Materials und die Leistung entscheidend erhöht werden.

Kunstherz aus Spinnenseide

In eine neue Richtung gedacht haben auch Thomas Scheibel und Felix Engel von den Universitäten Bayreuth und Erlangen. Sie nutzten in ihren Teams die 3D-Drucktechnik, um den Grundstein zur Produktion von künstlichem Herzmuskelgewebe zu legen. Ihr Material: Spinnenseidenprotein.

Rund 1,8 Millionen Menschen leiden laut deutscher Herzstiftung e. V. in Deutschland unter einer Herzschwäche (Herzinsuffizienz). Ursache ist meist der irreversible Verlust von Herzmuskelzellen durch Herzerkrankungen, zum Beispiel Herzinfarkt. Zurzeit gibt es keine Therapie, die einen solchen Schaden an den Zellen umkehren kann. Der Schlüssel zu künstlichem Herzgewebe ist aus Sicht der Bayreuther und Erlangener Forscher Seide – oder vielmehr die Proteine, die der Seide ihre Struktur und mechanische Festigkeit verleihen: Fibroine.

Rekombiniertes Seidenprotein der Gartenkreuzspinne

Felix Engel aus der Nephropathologischen Abteilung des Universitätsklinikums der Universität Erlangen konnte zeigen, dass sich die Seide des Indischen Seidenspinners besonders gut als Gerüstmaterial eignet, um Herzgewebe herzustellen. Bisher war es aber nicht möglich, das Protein in ausreichender Menge und gleichbleibender Qualität herzustellen. "Uns ist es gelungen, ein rekombiniertes Seidenprotein der Gartenkreuzspinne in größeren Mengen und bei gleichbleibender hoher Qualität zu produzieren", sagt Thomas Scheibel, Inhaber des Lehrstuhls für Biomaterialien an der Universität Bayreuth. Spinnenseide eigne sich hervorragend als Material für Biotinte, mit der gewebeähnliche Strukturen im dreidimensionalen Druck hergestellt werden können. Die dabei verwendeten lebenden Zellen von Menschen oder Tieren blieben in der Regel funktionstüchtig.

Die Arbeit der Erlanger und Bayreuther Wissenschaftler sowie die Möglichkeiten, künstliche Seidenproteine im 3D-Verfahren zu drucken, sind somit die ersten Schritte in Richtung künftiger Verfahren zur Produktion funktionellen Herzgewebes. Thomas Scheibel ist optimistisch: "Funktionierendes Herzgewebe kann sehr bald künstlich hergestellt werden. Die Frage ist nun, wann und wie dies in der Klinik ankommt."

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