Entwicklung, Charakterisierung und Anwendung eines laserbasierten Drucksytems für lebende Zellen

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Mit der Herstellung von autologem Gewebeersatz und vollständigen Organen aus patienteneigenen Zellen wird die Hoffnung verbunden, Leiden therapieren zu können, die derzeitig noch unheilbar sind. Allerdings macht die Komplexität von natürlichen Geweben es notwendig, neue technische Methoden zu entwickeln, die eine naturgetreue 3D Kopie der Gewebestörung des Patienten herstellen können. Eine viel versprechende Lösungsmöglichkeit dieses Problems ist die Weiterentwicklung von 3D-Drucktechniken für die Herstellung von autologem Gewebeersatz und lebenden Organen. Für dieses Anwendungsgebiet wurden in den letzten Jahren viele unterschiedliche Drucktechniken adaptiert, unter anderem ein direktes Laserschreibverfahren, das auf dem Laser-induzierten Vorwärtstransfer (LIFT) basiert. Hierbei funktioniert der eigentliche Materialübertrag im Gegensatz zu anderen Drucktechniken düsenfrei, da das Zell-Fluid-Volumen direkt aus einer flüssigen Schicht ausgetrieben wird. Das Zell-Fluid-Gemisch wird dafür vor dem Druckprozess als homogener Film auf einem beschichteten Glasträger aufgetragen, dem sogenannten Donor. Dieser wird planparallel zu einem weiterem Glasträger (Kollektor) befestigt. Für den Übertrag des Zell-Fluides wird ein geringer Bereich der Absorptionsschicht durch den einfallenden Laserpuls verdampft, dadurch bildet sich eine Dampfblase aus, die die Zellfluidschicht lokal ausbeult und beschleunigt. Das Kollabieren der Dampfblase mündet in der Ausbildung eines Fluidjets, der das Zellfluid vom Donor zum Kollektor “fließen“ lässt.

Durch den Einsatz von biologischen Fluiden, die in einen gelartigen Zustand mittels geeigneter chemischer oder physikalische Wechselwirkung überführt werden können, sind auch komplexe 3D Zell-Geometrien mit dieser Technik realisierbar.

Diese Arbeit präsentiert die Ergebnisse der Adaptierung der fundamentalen LIFT-Technik für den Zelldruck und die Untersuchung verschiedener Einsatzgebiete dieses Drucksystems. Da wenig über den eigentlichen Übertragungsprozess bekannt war, wurde ein stroboskopischer Kameraaufbau entwickelt, mit dem sich der Jetentstehungsprozess sowie Einflüsse auf das Übertragungsverhalten dokumentieren ließen. Es konnte gezeigt werden, dass sich trotz nichtlinearer Zusammenhänge der Prozessparameter bei Kenntnis der Fluidcharakteristika das Übertragungsvolumen, einhergehend mit den gedruckten Zellmengen, in einem weiten Bereich gezielt variieren ließ. Außerdem konnte anhand der zeitaufgelösten Bildfolgen der Jetübertragung ein theoretisches Modell abgeleitet werden, mit dessen Hilfe auf die Fluidströmungen innerhalb des Jets geschlossen werden konnte.

Durch den nachgewiesen schädigungsfreien Übertrag unterschiedlicher Zelltypen konnten lebende dreidimensionale mono- und multizellulare Konstrukte mit dieser Drucktechnik erzeugt werden, die eine Vielzahl neuer in-vitro- und in-vivo-Ansätze eröffneten. Außerdem konnte mit dem gedruckten 3D Zellarray eine neue Methode vorgestellt werden, die die grundlegende Untersuchung von Zell-Zell- und Zell-Umgebungs-Interaktionen einer beliebigen Anzahl unterschiedlicher Zelltypen ermöglicht.

Ein Überblick über die jüngsten Veröffentlichungen im Bereich der laserbasierten Zelldrucksysteme zeigt, dass diese Technik weltweit von einer steigenden Anzahl wissenschaftlicher Arbeitsgruppen verwendet wird.

Aktuell sind im Verlauf dieser Arbeit elf peer-reviewed Publikationen sowie zahlreiche Beiträge auf Fachkonferenzen entstanden.