Zusammenfassung
Hintergrund Das Aufkommen von Tissue Engineering (TE) in den frühen 1990er Jahren wurde durch den
zunehmenden Bedarf an funktionellem Gewebe und Organersatz gefördert. Das klassische TE basiert dabei auf der
Kombination von Trägermatrizen, Zellen und Wachstumsfaktoren, um verlorenes oder beschädigtes Gewebe und
Organe wieder herzustellen. Trotz beachtlicher Ergebnisse in vitro und in experimentellen Ansätzen hat der
Mangel an früher Vaskularisierung eine Umsetzung in die tägliche klinische Praxis bisher behindert Ein neues
Forschungsfeld mit dem Namen „Biofabrikation“,. das die neuesten 3D-Drucktechnologien nutzt, zielt darauf ab,
verschiedene Zellen, Biomaterialien und Moleküle hierarchisch und räumlich in eine Matrix zu integrieren, um
eine gerichtete Reifung von künstlichem Gewebe zu gewährleisten.
Material und Methoden Eine Literaturrecherche der relevanten Publikationen zum Thema Biofabrikation und
Bioprinting wurde mit der PubMed-Datenbank durchgeführt. Relevante Papiere wurden ausgewählt und mit einer
sekundären Analyse von spezifischen Zitaten über die Bioprinting-Techniken bewertet.
Ergebnisse Es wurden 180 relevante Publikationen mit den oben genannten Schlüsselwörtern identifiziert
und ausgewertet. Grundprinzipien in dem Entwicklungsfeld der Biodrucktechnologie konnten herausgefiltert
werden. Die Schlüsselelemente umfassen die Hochdurchsatzanordnung von Zellen und die Herstellung von komplexen
und funktionellen, hierarchisch organisierten Gewebekonstrukten. Es wurden fünf relevante technologische
Prinzipien für das Bioprinting identifiziert, wie Stereolithographie, Extrusionsbasiertes Drucken,
laserunterstütztes Drucken, Inkjet-basiertes Drucken und Nano-Bioprinting. Die verschiedenen technischen
Methoden des 3D-Drucks wurden mit verschiedenen positiven, aber auch negativen Auswirkungen auf Zellen und
Proteine während des Druckprozesses assoziiert. Die Forschungsanstrengungen in diesem Bereich zielen
offensichtlich auf die Entwicklung von optimierten so genannten Biotinten und verbesserten Drucktechnologien
ab.
Schlußfolgerung Diese Übersicht beschreibt die Entwicklung der klassischen Methoden des TE in der
Regenerativen Medizin in das sich rapide entwickelnde Gebiet der Biofabrikation durch Bioprinting. Die
Vorteile des 3D-Bioprintings gegenüber herkömmlichen Tissue Engineering-Techniken basieren auf der Anordnung
von Zellen, Biomaterialien und Biomolekülen in einer räumlich kontrollierten Weise zur Reproduktion von
nativen Gewebemakro-, Mikro- und Nanoarchitekturen, die nicht nur dazu genutzt werden können, funktionelle
Ersatzgewebe oder Organe zu produzieren, sondern auch als neue Modelle für die Grundlagenforschung dienen. Die
Nachahmung der stromalen Mikroumgebung von Tumorzellen zur Untersuchung der Tumorbildung und -progression, der
Metastasierung, Angiogenese und Modulation der damit verbundenen assoziierten Prozesse ist eine dieser
Anwendungen in der aktuellen Forschung. Zu diesem Zweck wird eine enge Zusammenarbeit von Fachleuten aus den
Bereichen Ingenieurswesen, Biomaterialwissenschaft, Zellbiologie und rekonstruktive Mikrochirurgie notwendig
sein, um zukünftige Strategien zu entwickeln, die die derzeitigen Einschränkungen des artifiziellen
Gewebe-Ersatzes überwinden können.
Abstract
Background The advent of Tissue Engineering (TE) in the early 1990ies was fostered by the increasing
need for functional tissue and organ replacement. Classical TE was based on the combination of carrier
matrices, cells and growth factors to reconstitute lost or damaged tissue and organs. Despite considerable
results in vitro and in experimental settings the lack of early vascularization has hampered its translation
into daily clinical practice so far. A new field of research, called “biofabrication” utilizing latest 3D
printing technologies aims at hierarchically and spatially incorporating different cells, biomaterials and
molecules into a matrix to alleviate a directed maturation of artificial tissue.
Materials and Methods A literature research of the relevant publications regarding biofabrication and
bioprinting was performed using the PubMed data base. Relevant papers were selected and evaluated with
secondary analysis of specific citations on the bioprinting techniques.
Results 180 relevant papers containing the key words were identified and evaluated. Basic principles
into the developing field of bioprinting technology could be discerned. Key elements comprise the
high-throughput assembly of cells and the fabrication of complex and functional hierarchically organized
tissue constructs. Five relevant technological principles for bioprinting were identified, such as
stereolithography, extrusion-based printing, laser-assisted printing, inkjet-based printing and
nano-bioprinting. The different technical methods of 3D printing were found to be associated with various
positive but also negative effects on cells and proteins during the printing process. Research efforts in this
field obviously aim towards the development of optimizing the so called bioinks and the printing
technologies.
Conclusion This review details the evolution of the classical methods of TE in Regenerative Medicine
into the evolving field of biofabrication by bioprinting. The advantages of 3D bioprinting over traditional
tissue engineering techniques are based on the assembling of cells, biomaterials and biomolecules in a
spatially controlled manner to reproduce native tissue macro-, micro- and nanoarchitectures, that can be
utilized not only to potentially produce functional replacement tissues or organs but also to serve as new
models for basic research. Mimicking the stromal microenvironment of tumor cells to study the process of tumor
formation and progression, metastasis, angiogenesis and modulation of the associated processes is one of these
applications under research. To this end a close collaboration of specialists from the fields of engineering,
biomaterial science, cell biology and reconstructive microsurgery will be necessary to develop future
strategies that can overcome current limitations of tissue generation.
Schlüsselwörter
Tissue engineering - Biofabrikation - Biodrucken - rekonstruktive Mikrochirurgie
Key words
tissue engineering - biofabrication - bioprinting - reconstructive microsurgery
