Medizintechnik: Neues Robotersystem druckt Zellen im Körper

Mit einem neuartigen Robotersystem können Forscher Zellen in 3D auf Organe innerhalb des Körpers drucken. Derzeit ist es ein Prototyp.

Artikel veröffentlicht am 3. März 2023, 10:55 Uhr, Patrick Klapetz

Funktionsprinzip des F3DB für die endoskopische Chirurgie (Bild: Mai Thanh Thai, Phuoc Thien Phan, Hien Anh Tran, et al.)

Ingenieuren der University of New South Wales (UNSW) haben einen winzigen flexiblen, weichen Roboterarm entwickelt, der Organe und Gewebe im menschlichen Körper direkt bedrucken kann. Er wird wie ein Endoskop in den Körper eingeführt.

Das Proof-of-Concept-Gerät mit der Bezeichnung F3DB wird von außen gesteuert und besteht aus einem langen, flexiblen Roboterarm, an dessen Ende sich ein äußerst beweglicher Schwenkkopf befindet, der die Biotinte durch eine kleine, multidirektionale Düse druckt.

"Bestehende 3D-Biodrucktechniken erfordern, dass Biomaterialien außerhalb des Körpers hergestellt werden, und die Implantation in eine Person würde in der Regel einen großen chirurgischen Eingriff auf offenem Feld erfordern, der das Infektionsrisiko erhöht", sagte Dr. Thanh Ngo Do. Er ist einer der Autoren der Studie Advanced Soft Robotic System for In Situ 3D Bioprinting and Endoscopic Surgery (engl. Fortschrittliches Soft-Robotic-System für In-Situ-3D-Bioprinting und endoskopische Chirurgie), die am 19. Februar 2023 im Fachmagazin Advanced Science erschienen ist.

Biomaterial aus dem 3D-Drucker für die Medizin

Derzeit wird das Bioprinting – die Herstellung von Biomaterialien mit lebenden Zellen (Biotinten) und Arzneimitteln – vor allem in der Forschung und zur Entwicklung neuer Medikamente eingesetzt. Beispielsweise für die Herstellung von Herz- oder Magen-Darm-Pflastern.

Dafür werden große 3D-Drucker benötigt, um Konstrukte zu erstellen, die chirurgisch in den Körper implantiert werden. Das birgt einige Risiken wie Gewebeschäden oder Infektionen. Da es sich bei Biomaterialien in der Regel um weiche, zerbrechliche Strukturen handelt, besteht die Gefahr, dass sie bei der manuellen Handhabung während des Implantationsvorgangs beschädigt werden.

Eine weitere Schwierigkeit bei der Verwendung von extern hergestellten 3D-Konstrukten besteht darin, dass es zu einer Fehlanpassung zwischen dem Konstrukt und der Gewebeoberfläche kommen kann.

Prototyp mit Vorteilen, aber noch nicht einsatzbereit

"Unser Prototyp ist in der Lage, mehrschichtige Biomaterialien sowie unterschiedliche Größen und Formen in engen und schwer zugänglichen Bereichen zu drucken, dank seines flexiblen Körpers", erklärt Do.

Sobald der F3DB in einem Bereich fertig gedruckt hat, kann er zu einer anderen Stelle gesteuert werden, um den Prozess erneut zu beginnen. Das bedeutet, dass mit dem Gerät Biomaterialien über weite Bereiche gedruckt werden können, einschließlich der gesamten Oberfläche von Organen wie dem Dickdarm, dem Magen, dem Herz und der Blase. Mit derzeitigen Geräten ist dies nicht möglich.

Die Ingenieure testeten den F3DB außerhalb des Körpers auf flachen und gekrümmten Oberflächen. Dazu gehörten das Innere eines künstlichen Dickdarms oder auch die Oberfläche einer Schweineniere. Dabei wurden Schokolade, Kompositgel und Biomaterialien verwendet, um verschiedene Formen präzise zu drucken.

Das Gerät druckt nicht nur Biomaterialien, sondern funktioniert auch wie ein normales endoskopisches Gerät, das Strukturen mit Wasserstrahlen reinigt, Läsionen markiert und Gewebe zerschneidet. Laut dem Forschungsteam könnte das Gerät innerhalb der kommenden fünf bis sieben Jahre für medizinisches Fachpersonal einsatzbereit sein.