Ein winziger, ypsilonförmiger Kunststoffschlauch – auf den ersten Blick sieht das künstliche Blutgefäß nicht besonders spektakulär aus. Und doch steckt in diesem verzweigten, elastischen Röhrchen sehr viel Hightech. »Die künstlichen Adern sind aus einem neuentwickelten biokompatiblen Kunststoff hergestellt. Das flüssige Ausgangsmaterial lässt sich mit einem 3D-Drucker verarbeiten und in beliebige dreidimensionale Form bringen«, verrät Dr. Günter Tovar stolz. Der studierte Chemiker leitet das Projekt »Biorap«. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, Blutgefäßsysteme aus der Retorte zu entwickeln. Daran arbeiten insgesamt fünf Fraunhofer-Institute (siehe Kasten). Doch wofür braucht man künstliche Blutgefäße? Mithilfe von Tissue Engineering kann man inzwischen künstliches Gewebe aufbauen, an größeren Organen scheitern die Wissenschaftler aber bisher. Weil das nötige Gefäßsystem fehlt, lassen sich die Gewebe aus der Retorte noch nicht mit Nährstoffen versorgen. Und das wollen die Forscher ändern.

Innovative Produktionstechnik

Keine einfache Aufgabe: Denn mit herkömmlichen Fertigungstechniken lassen sich dünne, verzweigte Kapillaren nicht herstellen. »Um winzige Äderchen mit einem Durchmesser von weniger als einem Millimeter zu fertigen, haben wir zwei neue Verfahren aus der Produktionstechnik mit einander kombiniert: Die 3D-Tinten- Drucktechnik aus dem Rapid Prototyping und die Multiphotonen-Polymerisation«, erläutert Projektleiter Tovar vom Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart die Herangehensweise. Und so funktioniert das Kombi-Verfahren: Mit einer Art Tintenstrahldrucker tragen die Forscher zunächst eine viskose Flüssigkeit ringförmig auf einen Glasträger auf. Dann fährt ein Laserstrahl über die noch flüssige Schicht. Eine fotochemische Reaktion beginnt, das Material polymerisiert und wird fest. Darauf lässt sich die nächste Schicht auftragen. »Diese Reaktion kann man derart gezielt steuern, dass der Aufbau von feinsten Strukturen nach einem dreidimensionalen Bauplan möglich ist«, berichtet Tovar. Sogar fein verästelte Blutgefäße lassen sich fertigen.

Über das Know-how für die 3D-Drucktechnik verfügen die Experten vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart.  Das Verfahren zur Multiphotonen-Polymerisation haben Mitarbeiter des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT in Aachen entwickelt. »Die einzelnen Techniken funktionieren schon und arbeiten momentan in der Testphase; der Prototyp für die kombinierte Anlage ist im Aufbau«, fasst  Projektleiter Tovar den aktuellen Stand zusammen.

Zur erfolgreichen Herstellung dreidimensionaler elastischer Körper braucht es aber auch das richtige Ausgangsmaterial. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP in Potsdam entwickelten spezielle biokompatible Kunststoffe. Die Ausgangsstoffe lassen sich wie Tinte drucken und dann mittels Laserlicht zu Materialien mit maßgeschneiderten elastischen Eigenschaften vernetzen.

Damit diese künstlichen Blutgefäße später auch mit dem natürlichen Gewebe interagieren können, haben die Forscher die synthetischen Kunststoffoberflächen zusätzlich biofunktionalisiert. »Wir integrieren modifizierte Biopolymere wie Heparin, Wachstumsfaktoren und spezifische Ankerpeptide für Zellen in die Innenwände der Röhrchen, um so die Besiedelung der Materialien mit Endothelzellen zu ermöglichen«, erklärt Dr. Kirsten Borchers vom Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart, die als stellvertretende Projektleiterin die Koordination der interdisziplinären Forschung unterstützt.

Diese Zellen bilden im Körper die innerste Wandschicht eines jeden Gefäßes. »Die Auskleidung ist wichtig, damit die Bestandteile des Bluts nicht kleben bleiben, sondern weitertransportiert werden«, führt die Wissenschaftlerin aus. Nur wenn es gelingt, eine komplette Schicht lebender Zellen anzusiedeln, kann das Gefäß so arbeiten wie seine natürlichen Vorbilder und die Nährstoffe an ihr Ziel dirigieren. Um die Biofunktionalisierung und die Besiedelung der künstlichen Gefäße mit Zellen im Bioreaktor kümmern sich die Kollegen am IGB.

Doch wie fließt das Blut in den künstlichen Gefäßen? Das haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM  in Freiburg vorab in virtuellen Simulationen untersucht. Um die optimale Fließgeschwindigkeit zu gewährleisten oder einen Stau zu verhindern, haben sie den Aufbau der Strukturen und den Verlauf der Gefäßsysteme genau berechnet.

Mit ihren Arbeiten haben die Forscher wichtige Grundlagen für die künftige Herstellung künstlicher Blutgefäßsysteme gelegt. »Wir wenden hier erstmalig Rapid Prototyping bei elastischen, organischen Biomaterialien an. Die künstlichen Adern illustrieren die Möglichkeiten dieser Technologie, aber das ist noch längst nicht alles, was geht«, betont Tovar. Die Vision: Mit den so erzeugten Blutgefäßen komplett künstliche Organe an einen Kreislauf anzubinden und mit Nährstoffen zu versorgen. »Diese eignen sich dann zwar noch nicht für eine Transplantation, dafür kann der Organkomplex als Testsystem genutzt werden und so Tierversuche ersetzen«, schätzt Tovar ein.

»Als erstes könnten unverzweigte Systeme den Patienten zugutekommen. Diese könnten zum Beispiel bei Bypass-Operationen eingesetzt werden«, sagt der IGB-Wissenschaftler. Derzeit werden dafür körpereigene Venen entnommen. Bei älteren Patienten ist das Venenmaterial nicht immer optimal. Dann greifen die Ärzte meist auf Schläuche aus Teflon zurück. Doch deren Elastizität ist anders als bei natürlichen Adern. »Wenn man da eine synthetische Variante hätte, die mit körpereigenen Zellen ausgestattet wird, wäre dies ein Schritt nach vorn«, betont Tovar. Bis allerdings Organe aus dem Labor mit eigenen Blutgefäßen tatsächlich implantiert werden, wird es noch einige Zeit dauern.

Für die Zellen des Menschen ist der Transport von Atemgasen, Nähr- und Abfallstoffen essenziell. Im Körper übernimmt das Blutgefäßsystem diese lebenswichtige Aufgabe. Bisher ließ sich das fein verzweigte Blutgefäßsystem nicht im Labor künstlich nachbauen. Das ist aber eine wichtige Voraussetzung, um künftig auch künstliche Organe züchten zu können. Fünf Fraunhofer-Institute wollen jetzt mithilfe der generativen Fertigung dreidimensionale, verzweigte Gefäßsysteme herstellen. Das Projekt  »Herstellung bio-inspirierter Versorgungssysteme für Transplantate mittels Rapid Prototyping über Inkjet-Druck und Multiphotonen-Polymerisation«, kurz »BioRap« ist Ende 2011 ausgelaufen.

An dem Projekt arbeiten mit:
– Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP
– Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
– Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
– Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
– Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM