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Uni Bayreuth: Blutgefäße aus dem 4D-Drucker

Feinstrukturierte Blutgefäße können in Zukunft möglicherweise mit einem Drucker hergestellt werden. Die Grundlagen dafür erforscht der Chemiker und Materialwissenschaftler Leonid Ionov mit einer Arbeitsgruppe an der Universität Bayreuth.

Arpan Biswas, Postdoc am Lehrstuhl für Biofabrikation der Universität Bayreuth, und Lehrstuhlinhaber Leonid Ionov (rechts). Foto: Christian Wißler.

120.000 Euro von Volkswagen

Das Ziel: Dünne Polymerschichten sollen so strukturiert werden, dass die Moleküle von selbst Gefäße in den verschiedensten Größen und Strukturen herstellen. Ein 4D-Drucker, der die Zeit als vierte Dimension einbezieht, soll die Schichten erzeugen und in die nötigen Ausgangspositionen bringen. Das kürzlich gestartete Vorhaben wird von der VolkswagenStiftung mit 120.000 Euro gefördert.

Trotz der enormen Fortschritte in der Implantationsmedizin gibt es für die Herausforderung, feinste Blutgefäße mit hoher Präzision in den jeweils benötigten Strukturen herzustellen, noch keine befriedigende Lösung. In unserem Projekt verfolgen wir daher einen neuen Ansatz, der zwei wissenschaftliche Arbeitsgebiete kombiniert: Die Polymerwissenschaften erforschen die Fähigkeit von Molekülen, sich unter definierten Bedingungen in neuen räumlichen Strukturen zu organisieren, und haben dabei beeindruckende Resultate erzielt. Parallel dazu sind Techniken und Anwendungen des 4D-Drucks zunehmend verfeinert worden. Deshalb wollen wir jetzt Polymerschichten drucken, die so strukturiert sind und miteinander wechselwirken, dass daraus von selbst Gefäßstrukturen entstehen, wie sie in der Medizin benötigt werden.

(Leonid Ionov, Projektleiter)

Charakteristisch für Blutgefäße sind sogenannte „Kreuzungen“, bei denen sich zwei Gefäße zu einem neuen Gefäß verbinden. Diese Strukturelemente können mit den bisherigen Techniken des 3D-Drucks nicht mit der nötigen Präzision reproduziert werden. Indem die Bayreuther Forscher die Druck-Programmierung nicht nur auf räumliche Strukturen, sondern auch auf die Zeit als vierte Dimension ausrichten, wollen sie eine sogenannte  molekulare Selbstorganisation ermöglichen, die solche Kreuzungen erzeugt – ohne dass die Verbindungen zwischen den jeweiligen Gefäßen undicht sind. Die Wissenschaftler bezeichnen ihr Vorhaben auch als „Mikro-Origami“. Der Name spielt auf die japanische Faltkunst an, die allein durch die in ihrer zeitlichen Abfolge definierten Papierfaltungen die unterschiedlichsten Figuren und Muster hervorbringt.

Nächster Schritt: Materialien finden

Wenn sich die Forschungsarbeiten als erfolgreich erweisen, stehen die Bayreuther Wissenschaftler vor einer weiteren Herausforderung: polymere Materialien zu finden, die nicht allein die nötigen Potenziale zur Selbstorganisation aufweisen, sondern auch im Organismus keine Abstoßungsreaktionen oder Infektionen hervorrufen.