Bioprinting: Knochen, Zähne, Fleisch – wie das funktioniert und was schon auf den OP-Tisch kommt. Professor Stampfl über Knochen aus dem 3D-Drucker und den Preis eines printed Schnitzels.
Professor Jürgen Stampfl forscht mit seinem Team an der TU Wien auf dem Gebiet des Bioprinting. Für ein 3D-Druck-Verarbeitungsverfahren für keramischen Zahnersatz wurden sie dieses Jahr mit dem zweiten Platz des renommierten Houska-Preises ausgezeichnet. Prof. Stampfl hat uns erklärt, wie das mit dem Bio-Drucken funktioniert, wieso das überhaupt so sinnvoll ist und was heute bereits leibhaftig aus dem Drucker kommt. Uahhh.
Mit was für 3D-Druckern wird in der Forschung gearbeitet und was sind diese Geräte Wert?
Solche High-End-Geräte können bis zu 500 Tausend Euro kosten. Wir bauen unsere Geräte selbst, die dürften an die 100 bis 200 Tausend Euro Wert sein. Diese professionellen 3D-Drucker härten das gedruckte Material mit Laser- oder Videobeamer-Licht aus, wir sprechen von lithographiebasierter, generativer Fertigung. Licht kann man sehr gut fokussieren und sehr schnell steuern. Es ist ein berührungsloses Verfahren, was den Vorteil hat, dass man sehr hochauflösend drucken kann – in unserem Fall bis auf hundert Nanometer genau. Außerdem geht es relativ schnell. Die Herausforderung liegt noch auf der Materialseite. Deshalb entwickeln wir hier Materialen, die produkttauglich, also sehr fest sind.
Sie arbeiten im Bereich des Bioprinting, oder auch Biofabrication genannt. Wie kann man sich das vorstellen?
Zum einen entwickeln wir Kunststoff-Keramik-Verbindungen für Zahnersatz. Anders als bei heute verwendetem, metallischem Zahnersatz, erkennt man bei diesen eigentlich keinen Unterschied mehr zum natürlichen Zahn. Zum anderen entwickeln wir auch Biokeramiken, Knochen zum Beispiel.
Sie bestehen aus Calciumphosphat, das wir mit dem 3D-Druck-Verfahren sehr gut in knochenähnlichen Strukturen drucken können. Wasser, Collagen – ein Kunststoff, und Calciumphosphat sind die wichtigsten Bausteine bestimmter Strukturmaterialien im Körper, wie Haut, Knochen und Zähne. Die werden vom Körper im Nanometer-Bereich faserartig aufgebaut, bzw. ausgebildet. Diese Strukturen versuchen wir also "nach zu kochen" – also diese Verbindungen im Nanometer-Bereich zu vernetzen durch Licht mit den 3D-Druckern, genauso wie es die Natur auch macht.
Welche Vorteile bietet Bioprinting noch?
So ersetzt man hundert Tausende Zellen, die man bräuchte, um solche Strukturen "her zu stellen". Der Knochen ist ja ein lebendes Gewebe. Er wird von bestimmten Zellen auf- und wieder abgebaut, je nach Belastung und Benutzung – so wie das von Astronauten oder bei Osteoporose passiert. Da Calciumphosphat das körpereigene Material ist, sind diese Stoffe sehr gut verträglich und werden im Körper wie "echte" Knochen auch "umgebaut".
Werden solche Knochen aus dem 3D-Drucker eigentlich schon eingesetzt?
Ja, kleinere Knochenteile. Die Firma Lithoz hier im vierten Bezirk z.B. – die ist übrigens von zwei ehemaligen Dissertanten von mir – entwickeln solche Biomaterialien. Neu entwickelt, wurde diese Methode anfangs auch überschätzt. Für größere Defekte müsste der Knochen auch mit Nährstoffen versorgt werden, sprich es müssten Blutgefäße mit "eingedruckt" sein – daran arbeitet man derzeit auf dem Gebiet. Aber es gibt jetzt noch keine verwendbaren Produkte.
Üblicher – also was jeder Implantologe bereits macht – ist, Rinderknochen als „Ersatzteile“ zu verwenden. Man bereitet diese auf, zerkleinert diese und löst alle Allergieträger heraus. Spezielle Rinder werden dazu z.B. in Australien gezüchtet unter streng kontrollierten Bedingungen. (Anm. der Redaktion: siehe z.B. die Schweizer Firma Geistlich, die solche Knochenersatzmaterialien u.a. Biomaterialien herstellt und verkauft.)
Was meinen Sie zu gedrucktem Fleisch, wie es die US-amerikanische Firma Modern Meadow gerade herstellt?
Da gibt es einige Firmen, die in diesem Bereich forschen und entwickeln. Die Amerikaner sind halt im Marketing z.T. ein bisschen besser, aber auch in Europa gibt es da einige Firmen.
Und zu meiner Meinung; ja, das kann man machen, aber es ist recht teuer, also das wird dann ein recht teures Schnitzel (schmunzelt). Die Umgebung muss extrem steril sein und das Verfahren ist sehr aufwendig – schon auf der Materialseite – es braucht Zellkulturen mit Enzymen, Wachsumsfaktoren usw. Also für die Fleischproduktion selbst wird diese Entwicklung, glaube ich, nie tatsächlich interessant sein.
Was kostet so ein Schnitzel?
Im Moment würde ich schätzen; ab 50 Tausend Euro aufwärts.
Es stellt sich doch auch die Frage, weshalb man nicht einfach das Rohmaterial isst, und kein teueres Druckverfahren zusätzlich anwendet, oder?
Einen solchen Eiweißbrei als Fleischersatz – das könnte ich mir eher vorstellen – das hätte dann aber Tofu-Charakter. Aber ein schmackhaftes Rindsfilet aus dem 3D-Drucker? Das will ich sehen… (schmunzelt).
Aber diese Forschungen sind schon sehr interessant, auch für die Entwicklungen im Druck von Knochen.
Seit wann wird 3D-Druck in der Forschung tatsächlich verwendet?
Seit Mitte der 80er Jahre etwa. Für 3D-Drucker gab es bereits im 19. Jahrhundert Ideen. Aber erst durch die Entwicklung der Computer konnte man sie auch steuern. Erst Mitte der 80er Jahre waren die Computer dann auch in der Lage, 3D-Modelle darzustellen und zu verarbeiten, denn numerisch ist dies extrem aufwendig.
Damit wurden in den 80ern Prototypen-Modelle hergestellt mit so komplexen Strukturen, dass es unmöglich gewesen wäre, diese Modelle per Spritzguss oder Fräsen herzustellen. Aber auch Heimanwender gab es zu der Zeit bereits. Die Preisentwicklungen im Hobbybereich haben eben in den letzten Jahren dazu geführt, dass das Ganze so populär wurde.
Wird 3D-Druck heute auch in der Massenindustrie schon eingesetzt?
Im Werkzeugbau z.B. zur Herstellung von simplen Flaschen-Drehverschlüssen. Außerdem verwendet man 3D-Drucker in der digitalen Zahnmedizin und in auch in der Luft- und Raumfahrt – für Leichtbauteile: Titan kann z.B. mit 3D-Druckern in schaumartigen oder zellularen Strukturen hergestellt werden, die das Material extrem stabil belassen, aber trotzdem sehr leicht machen.
Infos zum Forschungsprojekt an der TU Wien
Hier geht es zur aktuellen Coverstory: "Die Welt aus dem Drucker"
Fragen und Antworten zu 3D-Druck
Außerdem: das HappyLab in Wien im i>Interview
