Auf dem Weg zum Mars: Haut und Knochen aus dem 3D-Drucker
Der 3D-Druck von menschlichem Gewebe könnte zur Gesundheit von Astronauten auf dem Weg zum Mars beitragen. Ein ESA-Projekt hat die ersten biogedruckten Haut- und Knochenproben hergestellt.
Diese hochmodernen Proben wurden von Wissenschaftlern des Universitätsklinikums der Technischen Universität Dresden (TUD), die zum Projektkonsortium gehört, zusammen mit OHB System AG als Hauptauftragnehmer und dem Life-Science-Spezialisten Blue Horizon erstellt.
„Mit Hilfe von menschlichem Blutplasma, das für die Besatzungsmitglieder der Mission leicht zugänglich wäre und als nährstoffreiche „Bio-Tinte“ dient, können im 3D-Biodrucker menschliche Zellen gedruckt werden“, sagt Nieves Cubo von der TUD.
„Da Plasma eine sehr flüssige Konsistenz hat, ist es schwierig, damit unter veränderten Gravitationsbedingungen zu arbeiten. Wir haben daher eine modifizierte Rezeptur durch Zugabe von Methylcellulose und Alginat entwickelt, um die Viskosität des Substrats zu erhöhen. Astronauten könnten diese Substanzen aus Pflanzen bzw. Algen beziehen - eine umsetzbare Lösung für eine geschlossene Weltraumexpedition.
Bei der Herstellung der Knochenprobe werden menschliche Stammzellen mit einer ähnlichen Bio-Tinten-Zusammensetzung unter Zugabe eines Calciumphosphat-Knochenzements als strukturtragendes Material gedruckt, das anschließend während der Wachstumsphase absorbiert wird.“
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Um zu beweisen, dass die Biodrucktechnik auf im Weltraum möglich ist, wurde sowohl die Haut- als auch die Knochenprobe „umgekehrt“ gedruckt. Da ein längerer Aufenthalt in der Schwerelosigkeit nicht möglich war, stellte die Herausforderung eines solchen "minus 1 G"-Tests die nächstbeste Option dar.
Diese Proben stellen die ersten Schritte in einer ambitionierten End-to-End-Strategie dar, um den 3D-Biodruck auch im Weltraum zu realisieren. Das Projekt untersucht, welche Einrichtungen in Bezug auf Ausrüstung, Operationssäle und sterile Umgebungen an Bord erforderlich wären und ob es möglich wäre, komplexere Gewebe für Transplantationen herzustellen – bis hin zum Druck ganzer innerer Organe.
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„Bei einer Reise zum Mars oder zu anderen interplanetaren Zielen befinden sich die Astronauten mehrere Jahre im Weltraum“, so der Projektverantwortliche Tommaso Ghidini, Leiter der Abteilung für Strukturen, Mechanismen und Materialien bei der ESA.
„Die Crew ist dabei vielen Risiken ausgesetzt und eine frühzeitige Rückkehr nach Hause ist ausgeschlossen. Die Mitnahme von ausreichend medizinischer Versorgung für alle möglichen Eventualitäten ist an Bord eines beengten Raumschiffes mit begrenzter Masse schlichtweg nicht möglich.
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Ein 3D-Biodrucker würde eine flexible Reaktion auf medizinische Notfälle ermöglichen. Im Falle von Verbrennungen könnte beispielsweise neue Haut gezüchtet und aus den eigenen Zellen des Astronauten gedruckt werden. Sie müsste dann nicht aus anderen Teilen des Körpers transplantiert werden, zumal die Heilung sekundärer Verletzung in der orbitalen Umgebung erschwert ist.
Bei Knochenbrüchen – die durch die Schwerelosigkeit im All und die geringere Gravitation auf dem Mars (0,38 im Vergleich zur Erdgravitation) wahrscheinlicher werden – könnten Ersatzknochen in verletzte Bereiche eingesetzt werden. In allen Fällen würde das durch den 3D-Biodruck entstandene Material vom Astronauten selbst stammen, so dass es keine Probleme mit der Abstoßung des Transplantats geben würde.“
Auf der Erde verzeichnet der 3D-Biodruck laufend Fortschritte. Allerdings ist dieses Projekt das erste, der ihren Einsatz im All untersucht. Tommaso erklärt: „Dieses Vorgehen folgt einem typischen Muster, wenn vielversprechende terrestrische Technologien, von Kameras bis hin zu Mikroprozessoren, erstmals im Weltraum eingesetzt werden. Wir müssen mit weniger Ausrüstung mehr erreichen, damit der Einsatz in der herausfordernden Weltraumumgebung funktionieren kann. Deshalb müssen verschiedene technologische Elemente optimiert und verkleinert werden.
Dabei hoffen wir, dass unsere Arbeit im Zusammenhang mit dem 3D-Biodruck wiederum dazu beitragen wird, schnellere Fortschritte auf der Erde zu erzielen, die breite Verfügbarkeit zu beschleunigen und das Verfahren noch schneller für Menschen einsetzbar zu machen.
Das Projekt 3D Printing of Living Tissue for Space Exploration (3D-Druck von lebendem Gewebe für die Weltraumforschung) wird durch das ESA-Programm Discovery and Preparation unterstützt und von OHB System in Deutschland in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Translationale Knochen-, Gelenk- und Weichgewebeforschung der TU Dresden in Deutschland geleitet.
