Spinnenseide eröffnet der regenerativen Medizin neue Chancen

3D-Drucktechniken finden Eingang in die Biofabrikation, bei der es um die Herstellung gewebeähnlich aufgebauter Strukturen geht. Spinnenseide könnte nun die dafür verwendete Biotinte revolutionieren.

Indem man Zellen, Gewebe oder Organe ersetzt, können schon heute viele schwerwiegende Krankheiten geheilt werden. Forscher arbeiten deshalb seit geraumer Zeit intensiv daran, Methoden und Verfahren der regenerativen Medizin zu verbessern, mit deren Hilfe sich Gewebe künstlich herstellen lassen. Dabei könnte eine Technologie eine entscheidende Rolle übernehmen, die wir alle aus dem Büro kennen und die meisten von uns zunächst wohl nicht mit der Produktion künstlicher Organe in Verbindung bringen: der Tintenstrahldruck. Wissenschaftlern des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB aus Stuttgart gelang es vor zwei Jahren, für diese Drucktechnik geeignete Biotinten zu entwickeln. Die durchsichtigen Flüssigkeiten bestehen aus tierischem Material und lebenden Zellen, die in der Regel funktionstüchtig bleiben. So eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten für die Regeneration von Herzmuskel-, Haut- oder Nervengewebe.

Bisher haben Forscher derartige Strukturen hauptsächlich in konsekutiven Verfahren der Biofabrikation entwickelt. Dabei wird zunächst das Gerüst mit den gewünschten molekularen Strukturen vorgefertigt und anschließend mit lebenden Zellen beladen. Vorteilhaft wäre es, für den Gewebeaufbau die neuen 3D-Druckverfahren anwenden zu können, dachten sich Forscher an den Universitäten Bayreuth und Würzburg und entwickelten jetzt eine dafür geeignete Biotinte – bestehend aus den Bausteinen des Gerüsts und aus lebenden Zellen gleichermaßen.

Innovative Biotinte für den 3D-Druck

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Der Durchbruch gelang auf Basis von Spinnenseide, denn dieses Material hat keine zelltoxischen Wirkungen, wird nur langsam abgebaut und löst keine Immunreaktionen aus. Vor allem aber konnte das Forschungsteam in Bayreuth und Würzburg nachweisen, dass eine Biotinte auf Basis von Spinnenseide allen anderen bisher getesteten Materialien überlegen ist. Ein Gel, in dem Spinnenseidenmoleküle und lebende Zellen gemischt sind, fließt im Druckkopf des 3D-Druckers, so dass auch feine Gerüststrukturen auf einer Oberfläche aufgetragen werden können; hier aber 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.

Perspektiven für die Wiederherstellung von Herzmuskel-, Nerven- oder Hautgewebe

Als lebende Zellen wurden zunächst Fibroblasten von Mäusen und anschließend – mit gleichbleibendem Erfolg – menschliche Zellen verwendet. „Die bisher erzielten Forschungsergebnisse machen uns deshalb zuversichtlich, dass sich durch den Einsatz von Spinnenseide als Biotinte langfristig völlig neue Perspektiven für die regenerative Medizin erschließen“, erklärt Thomas Scheibel, der sich in der Forschung seit vielen Jahren der Spinnenseide verschrieben hat und an der Universität Bayreuth den Lehrstuhl für Biomaterialien leitet. „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.“ Und Jürgen Groll, Lehrstuhl für Funktionswerkstoffe der Medizin und der Zahnheilkunde an 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.“