Technologie

Einzelzellen im Fadenkreuz

12.04.2021 - Ultrakurze Laserpulse ermöglichen hochpräzise Form des Bio-Printings.

Mit ultrakurzen Laser­pulsen erzeugen Forscher der Hoch­schule München jetzt erstmals Explosionen, die einzelne lebende Zellen in die Höhe schleudern und gezielt auf einen Objekt­träger drucken. Mit dieser hoch­präzisen Form des Bio-Printings lasse sich künftig Gewebe aus körper­eigenen Zellen in bisher unerreichter Qualität herstellen, so die Wissen­schaftler.

Bislang ist der 3D-Druck lebender Zellen Hand­arbeit: Mit Hilfe eines Fluores­zenz-Mikro­skops sucht der Physiker Jun Zhang von der Hoch­schule München aus hunderten von Zellen, die sich in einer mit Flüssig­keit gefüllten Petri­schale befinden, ein vitales Exemplar aus. Auf dem Monitor positio­niert er diese Zelle genau unter dem Faden­kreuz und löst dann mit einem Maus­klick den Druck­vorgang aus. Der Lichtpuls eines Femto­sekunden­lasers erzeugt nur tausendstel Millimeter unter der Zelle eine winzige Plasma­blase, die kurz darauf explodiert und die Zelle mit nach oben reißt.

Zeitlupenaufnahmen zeigen, wie sie an der Spitze des Jets mit einer Geschwindig­keit von fünfzig Kilo­metern pro Stunde in die Höhe schießt. Zehn Sekunden braucht Zhang, um eine Zelle punkt­genau auf einen mit Gel beschichteten Objekt­träger zu trans­ferieren. Das Prinzip ist dasselbe wie beim 3D-Druck: Punkt für Punkt und Schicht für Schicht wird Material aufge­tragen. Nur dass hier nicht Bauteile aus Kunst­stoff oder Metall, sondern Sehnen-, Leber oder Herz­gewebe entstehen.

Neu ist die Präzision des Druck­prozesses. Keiner anderen Forscher­gruppe ist es bisher gelungen, einzelne Zellen mit einem Laser auf wenige Mikro­meter genau zu positio­nieren, ohne ihre biologische Funktions­fähig­keit zu beein­flussen. Die gängigen Inkjet-Bioprinter arbeiten mit Spritz­düsen, in denen die Zellen einer hohen Reibung ausge­setzt sind, die sie schädigt. Laser­drucker, die mit Nano­sekundenden­lasern arbeiten, benötigen eine metal­lische Absorber­schicht, die häufig zu Verun­reini­gungen führt, oder verwenden UV-Strahlung, die bei vielen Zellen das Erbgut schädigt.

Dem Team an der Hoch­schule München ist es gelungen, diese Probleme zu umgehen, indem zwei Techno­logien kombiniert wurden: Dank Fluores­zenz-Mikro­skopie lassen sich Zellen vor­selek­tieren – tote Zellen erscheinen rot, weil sie, im Gegen­satz zu lebenden Zellen, keine intakte Zell­membranen mehr besitzen, die ein Ein­dringen des Farb­stoffs verhindern. Und der Femto­sekunden­laser sorgt dafür, dass die Zellen beim Drucken keinen Schaden nehmen. Die ultra­kurzen Licht­pulse im infra­roten Spektral­bereich des Lichts beein­flussen weder die Organismen noch deren Erbgut. „Mit unserem Verfahren erreichen wir Über­lebens­raten der Zellen von 93 bis 99 Prozent“, berichtet Zhang.

Mehrere Jahre hat er an den Details getüftelt. „Die Heraus­forderung der Technologie­entwicklung lag darin, genau die richtigen Parameter zu finden“, so der Physiker. Es galt, die notwendige Laser-Energie sowie die Position und Größe der Blase zu ermitteln, die optimale Geschwindig­keit des Jets zu finden und den Abstand zum Objekt­träger, auf dem die Zelle landen soll. Das Ergebnis ist mehr als zufrieden­stellend. „Mit der neuen Technik können wir jetzt mit hoher Genauig­keit Gewebe beispiels­weise auf Zell­chips auf­drucken, mit denen Mediziner und Pharma­unter­nehmen Krank­heiten und Wirk­stoffe erforschen können“, erklärt Heinz Huber vom Laser-Zentrum der Hoch­schule München.

Das nächste Ziel ist die Auto­mati­sierung. Um Zell­chips für Anwender in Industrie und Forschung herstellen zu können, müssen Auswahl- und Druck­prozess erheblich schneller werden. Das Team will jetzt zusammen mit zwei Münchner Unter­nehmen eine computer­gesteuerte Anlage entwickeln, die bis zu hundert Millionen Zellen pro Sekunde identi­fi­zieren, trans­ferieren und zu zwei- oder drei­dimen­sionalen Strukturen zusammen­fügen kann.

Die Forschung geht derweil weiter. Zhang experi­mentiert gerade mit Sehnen­zellen. Werden diese in Abständen von weniger als hundert Tausendstel Milli­metern aufge­druckt, verbinden sie sich inner­halb weniger Stunden zu lang­gestreckten Strukturen, die typisch sind für Sehnen. Damit ist ein erster Schritt getan in Richtung „Tissue-Engineering“, der Herstellung von Gewebe­ersatz­material für Implantate aus körper­eigenen Zellen. Die Voraus­setzung dafür ist, dass nicht nur die Zellen selbst, sondern auch ihre Umgebung, die extra­zellulären Matrix, den natür­lichen Bedingungen im Körper entsprechen, erklärt Huber: „Mit unserer Technik lassen sich auch diese genau definierten Zell-Nachbar­schaften herstellen, um dann deren Einfluss auf das Gewebe genauer zu unter­suchen.“

HS München / RK

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