Basis zur schnelleren Herstellung künstlicher Haut in Graz entwickelt

Auf der Technischen Universität Graz (TU) ist ein Verfahren zur schnelleren und kostengünstigeren Herstellung von Mikrofasern, die zur Herstellung künstlicher Haut benötigt werden, entwickelt worden. Damit können in Sekunden mehrere Meter der benötigten Fasern hergestellt werden, während die gängigen Methoden im gleichen Zeitraum nur ein paar Zentimeter liefern. Die Methode eröffnet neue Möglichkeiten, um in Zukunft Brandopfern helfen zu können, teilte die TU am Freitag mit.

In der Biomedizin setzt man verstärkt auf Tissue Engeneering zur Produktion von Haut und Organen. Dabei werden Spenderzellen im Labor vermehrt. Dafür werden biokompatible Mikrofasern mit eingeschlossenen Mikrokapseln in kontrollierter Größe und Form benötigt. Für das Tissue Engineering müssen die verwendeten Zellen in Material eingelagert sein, das der natürlichen Anordnung im Körper möglichst ähnlich ist. Bisher war die Herstellung solcher Fasern bei wenig Ertrag aufwendig und zeitintensiv.

Forschende der TU Graz haben eine neue Methode zur Herstellung von pharmazeutisch und biomedizinisch einsetzbaren Mikrofasern mit den gewünschten Eigenschaften entwickelt, die bei wesentlich geringerem Produktionsaufwand einen deutlich höheren Ertrag als bei bisherigen Verfahren abwirft. In einem von der American Physical Society veröffentlichten Paper legen Carole Planchette und ihr Team vom Institut für Strömungslehre und Wärmeübertragung der TU Graz dar, wie sie in Sekunden mehrere Meter dieser Mikrofaser herstellen können, während die gängige Methode im gleichen Zeitraum höchstens ein paar Zentimeter schafft. Möglich gemacht hat diese Beschleunigung die Abkehr von der Produktion der Mikrofasern in Flüssigkeitsumgebung mittels mikrofluidischer Chips hin zu einer Herstellung, die in steriler Raumluft möglich ist. Dadurch konnten die notwendigen Prozessschritte sowie die Kosten stark reduziert und potenzielle Fehler- und Verstopfungsquellen minimiert werden.

In der vorgestellten Methode verbindet sich ein regelmäßiger Tröpfchenstrom, in dem sich Zellen oder Wirkstoffe befinden, mit einem Flüssigkeitsstrahl aus Alginsäurelösung. Die aus Braunalgen gewonnene Alginsäure bildet in Verbindung mit Calcium Kationen ein elastisches Gel mit dem Namen Alginat - ähnlich dem in der Molekularküche üblichen Verfahren zur Herstellung von Kaviarperlen. Dieses Hydrogel ist einerseits voll biokompatibel und verhindert andererseits, dass die eingelagerten Tröpfchen miteinander verschmelzen. Zur Aushärtung des Stroms aus Alginsäurelösung wird daher kontinuierlich ein zweiter Strahl mit Calcium Kationen darauf geschossen. Die so entstandene Faser, von der bis zu fünf Meter pro Sekunde wachsen, kann danach einfach auf einem Drehteller gesammelt werden, beschrieb die TU in ihrer Aussendung. Diese Schritte erfolgen an der Luft und nicht wie bisher in mikrofluider Herstellung.

Bis es möglich ist, mittels dieser Methode eine hautähnliche Faser aus menschlichen Zellen herzustellen dürfte es noch ein paar Jahre dauern. Dieser Einbau von Zellen in die Mikrofaser ist der nächste Forschungsschritt für Planchette und ihr Team. Das Ergebnis könnte eine große Hilfe für Brandopfer sein, da aus ihren eigenen, unversehrten Hautzellen neue und personalisierte Haut für eine Transplantation in sehr kurzer Zeit produziert werden könnte.

Neben Tissue Engineering bieten sich aufgrund der neuen und schnelleren Herstellungsmethode noch weitere Anwendungsbereiche für die biokompatible Mikrofaser, beispielsweise Zellscreening. Schon recht zeitnah wird es möglich sein, wesentlich umfangreicher neue Moleküle für medizinische Wirkstoffe an Zellen darauf zu testen, ob oder ab wann sie toxisch sind. Aufgrund der verfügbaren Faserlänge können unterschiedliche Temperaturen oder Konzentrationen in einem Durchgang getestet werden. Für derartige Tests in großen Maßstäben wird bisher auf Tierversuche zurückgegriffen, dies ließe sich damit größtenteils umgehen.

"Für mich ist es besonders interessant, wenn ich grundlegende Aspekte der Strömungslehre dazu nutzen kann, neue und innovative Lösungen für bisher ungelöste Probleme zu finden", erklärte Planchette. "Dadurch lassen sich Wege zu neuen Anwendungen entdecken und unsere Herstellungsmethode von biokompatiblen Mikrofasern mit regelmäßigen Einschlüssen bei hohem Output und niedrigen Kosten zeigt das. Die Möglichkeiten für Zellscreening, Gewebekonstruktion und irgendwann auch Organherstellung, die sich damit eröffnen, können für viele Disziplinen von großem Nutzen sein."