In Duitsland staan ongeveer 9.500 mensen op de wachtlijst voor een donororgaan. De meesten van hen wachten op een niertransplantatie, sommigen wachten zelfs op meerdere organen. Terwijl in 2018 volgens Organspende ongeveer 5.000 mensen op de wachtlijst werden geplaatst, waren er in het hele land slechts 955 donoren. Dit komt neer op 11,5 orgaandonaties per miljoen inwoners. Hoewel het aantal donoren met 20% is toegenomen ten opzichte van 2017, zijn er binnen dat jaar 901 mensen die op de wachtlijst stonden overleden.

Van de 955 donoren zijn er vorig jaar in totaal 3.113 organen na de dood verwijderd, maar in vergelijking met andere lidstaten van de Eurotransplant Association is Duitsland nog steeds het land met het grootste aantal mensen op de wachtlijst. Spanje heeft overigens het hoogste aantal orgaandonoren: 46,9 per miljoen inwoners.

Om in de toekomst meer mensen een “tweede kans op leven” te kunnen geven dankzij een nieuw orgaan, is onderzoek naar de productie van kunstmatige organen een populair onderwerp. Kunstorganen zijn bedoeld om het gebrek aan orgaandonaties te compenseren en dierproeven te vervangen. Tot nu toe hebben de wetenschappers zich geconcentreerd op experimenten met 3D-printers die gebruik maken van een “bio-inkt” met levende cellen. In de lucht- en ruimtevaart- en automobielindustrie is dit proces al aan de orde van de dag, maar er is nog geen enkel functioneel orgaan geproduceerd met behulp van 3D-printen.

In het kader van het EU project BRIGHTER (Bioprinting by light sheet lithography: engineering complex tissues with high resolution at high speed), werkt een Europees consortium, gecoördineerd door Dr. Elena Martinez van het Institute for Bioengineering of Catalonia in Barcelona (IBEC) en met medewerking van de Goethe Universiteit Frankfurt, momenteel aan de ontwikkeling van een 3D bio-printsysteem met nieuwe lichtschijflithografie. Dit nieuwe lithografieproces maakt gebruik van speciale hydrogels gemengd met levende cellen.

Een hydrogel bestaande uit levende cellen en fotogevoelige moleculen wordt in een speciale cuvet geplaatst. Een dun laserlichtblad verlicht de gel volgens een geprogrammeerd patroon (groene straal). Dit leidt tot de vorming van 3D-microstructuren die de weefselarchitectuur en -functie reproduceren. De resterende, nog vloeibare hydrogel wordt na het drukproces uitgewassen. © F. Pampaloni, BRIGHTER, 2019

“Top-down” in plaats van “bottom-up”

Alle 3D-printtechnologieën hebben één ding gemeen: de modellen zijn in lagen gebouwd en niet uit één blok materiaal gefreesd. Ze zijn ofwel van onder naar boven (“bottom-up”) of van boven naar beneden (“top-down”) gebouwd. Tot nu toe is dit proces vooral toegepast in prototypebouw- en ontwerpobjecten.

Volgens wetenschappers hebben bio-printsystemen die laag voor laag “bottom-up” structuren bouwen echter een aantal grote nadelen. Ten eerste zou het drukproces veel te lang duren. Als gevolg daarvan zou de overlevingskans van de cellen in de bio-inkt en in de gepolymeriseerde lagen aanzienlijk afnemen. Ten tweede zou de extrusiedruk leiden tot een aanzienlijk celsterftecijfer, vooral voor stamcellen. Ten derde is de resolutie van de methode, ongeveer 300 micrometer, veel te laag om de delicate structuren van natuurlijk weefsel te reproduceren. Tot slot is het bijzonder moeilijk om complexe holle structuren, zoals bloedvaten, in het celweefsel te integreren.

“Met ons project willen we de andere kant op gaan door een top-down lithografische methode te ontwikkelen”, legt Dr. Francesco Pampaloni van het Buchmann Instituut voor Moleculaire Levenswetenschappen (BMLS) aan de Goethe Universiteit uit. De methode werkt op dezelfde manier als lithografie in de halfgeleidertechnologie, waarbij hydrogel met fotogevoelige moleculen de halfgeleider en de fotogevoelige laag, die door een masker wordt verlicht, vervangt.

Met behulp van de lichtschijftechniek, uitgevonden door Prof. Dr. Ernst Stelzer voor lichtmicroscopie, wordt deze hydrogel blootgesteld aan een dun laserlichtblad, wat leidt tot de vorming van vertakte ketenstructuren (polymeren). Deze dienen als een matrix voor kolonisatie door levende cellen. De resterende, nog vloeibare hydrogel wordt uitgewassen.

Deze methode zal ons in staat stellen om de ruimtelijke structuur en de stijfheid aan te passen met een ongekende resolutie, zodat we dezelfde heterogene microstructuren kunnen creëren die cellen in natuurlijke weefsels vinden

…legt Pampaloni uit. Hij gaat ervan uit dat het nieuwe proces volledig nieuwe mogelijkheden zal openen voor de biologische productie van complexe weefsels en hun anatomische microstructuren. Bovendien kunnen de specifieke eigenschappen van de matrix worden gebruikt om “stamcellen in duidelijk gedefinieerde compartimenten in te voeren of om de vorming van vaten mogelijk te maken”. De onderzoekers zien grote voordelen ten opzichte van conventionele 3D printsystemen in de hoge productiesnelheid en kostenefficiënte productie.

Vanaf juli 2019 wordt het BRIGHTER-project voor drie jaar gefinancierd in het kader van het gerenommeerde en zeer selectieve “Future and Emerging Technologies” (FET) Open Horizon 2020 Program van de Europese Unie. Van het totale bedrag van 3.450.000 euro gaat 700.000 euro naar het team van Dr. Pampaloni’s team in de Groep Fysische Biologie van Prof. Stelzer van de afdeling Biowetenschappen van de Goethe Universiteit. Andere partners zijn het IBEC (Barcelona, Spanje, coördinatie), Technion (Haifa, Israël) en de bedrijven Cellendes (Reutlingen, Duitsland) en Mycronic (Täby, Zweden).

Ook interessant:
U Graz probeert huizen uit de betonprinter met zo min mogelijk grondstoffen te realiseren
Eerste succesvolle test van ESA met 3D-geprinte raketmotor
Volkswagen kiest Additive Industries voor zijn 3D metaal geprinte onderdelen