Bioinks als Materialsystem für die Verarbeitung über 3D-Bioprinting sind eine Enabler-Technologie für die Erzeugung von künstlichen Geweben als Organersatz oder von Laborfleisch. Diese Technologie hat demnach Potenziale für die Biotechnologie, Medizintechnik und Nahrungsmittelindustrie. Im Cross-Cluster-Projekt WECLA haben der Cluster Neue Werkstoffe, der Cluster Ernährung, der Chemie-Cluster Bayern, die Koordinierungsstelle Additive Fertigung und das Kompetenz-Netzwerk Digitale Landwirtschaft Bayern Informationen zu zukünftigen Technologiefeldern aufbereitet, um Hintergründe und Anwendungspotenziale aufzuzeigen. Der Beitrag wurde im Rahmen des Projektes von der Koordinierungsstelle Additive Fertigung (Bayern Innovativ) und vom Cluster Neue Werkstoffe erstellt.
Bioinks oder Biotinten sind eine Formulierung mit Zellen, die mittels eines automatisierten Biofabrikationsverfahrens prozessiert werden und auch biologisch aktive Zusätze und Biomaterialien enthalten können [1]. Biotinten setzen sich häufig aus Stammzellen, Zellkulturmedien zur Versorgung der Zellen mit Nährstoffen und Biomaterialien zusammen. Die Biomaterialien dienen als Strukturmaterial für Zellen und können diese während der Verarbeitung mittels 3D-Bioprinting schützen. Als Materialklasse kommen hier sehr häufig Hydrogele zum Einsatz, welche Polysaccharide, Proteine oder synthetischen Polymere enthalten. Die charakteristische, verbindende Eigenschaft von Hydrogelen ist deren hoher Wasseranteil durch eine hohe Schwellfähigkeit dieser dreidimensionalen Polymernetzwerke.
Das Ziel des interdisziplinären Forschungsfeldes der Biofabrikation ist es, funktionale, biologische Produkte wie künstliche Gewebe zu erzeugen. Bioprinting ist eine spezielle Form des 3D-Drucks und umfasst eine ganze Gruppe an Verfahren, welche Biotinten verarbeiten können. Bekannte Verfahren sind das Inkjet-, das Extrusion- oder das Laser-assisted-Bioprinting. Es befinden sich jedoch auch völlig neue Verfahren in der Entwicklung, wie beispielsweise ultraschallgestütztes Bioprinting.
Die Herausforderungen für zukünftige industrielle Anwendungen, welche über den Labormaßstab hinausgehen, liegen in der Skalierung der Verfahren, der Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit, der Angiogenese der künstlichen Gewebe und der Zellvitalität. Weiterhin werden neue Zusammensetzungen von Zellkulturmedien untersucht und Bioreaktoren entwickelt, welche auf Kostenreduktion und Großproduktion hinwirken.
Bioinks und Bioprinting sind von Interesse für die Medizintechnik und Pharmaindustrie. Die Erzeugung künstlicher Gewebe für Medikamententests oder als Teil von in-vitro Krankheitsmodellen kann zur Reduzierung von Tierversuchen führen. Neben den Kosteneinsparungen liegen auch die ethischen Aspekte auf der Hand. Weiterhin könnten künstliche Organe den bestehenden Mangel an Spenderorganen ausgleichen.
Die Erzeugung von gedrucktem zellbasierten Fleisch im Labor bzw. in der Fabrik, auch als Cellular Agriculture bezeichnet, würde das Konzept der konventionellen Tierhaltung herausfordern. Zukünftige Vorteile könnten eine Reduktion von CO2-Emissionen und weniger Massentierhaltung sein. Auch in Kombination mit alternativen Proteinen als Ersatz für Fisch und Fleisch kann die Technologie zur Anwendung kommen.
Es gibt weltweit bereits zahlreiche Start-Ups, welche sich den beschriebenen technologischen Herausforderungen widmen. Sie arbeiten an der Entwicklung von Hydrogelen, neuartigen Zellkulturmedien für den Ersatz von fötalem Kälberserum und innovativen Bioreaktoren oder Biodruckern.
Mit den beschriebenen möglichen Einsatzfeldern im Bereich der medizinischen Versorgung und der Lebensmittelerzeugung können Bioinks und Bioprinting einen wichtigen Beitrag zur Lösung bestehender Herausforderungen liefern. Die Marktprognosen gehen davon aus, dass sich die erzielten Einnahmen aus dem Bioprinting von 182 Mio. € im Jahr 2022 auf 1,2 Mrd. € im Jahr 2028 erhöhen werden, wobei 70 % des Umsatzes mit Anwendungen und Dienstleistungen erzielt würden [2].
Quellen:
[1] Groll J. et al; A definition of bioinks and their distinction from biomaterial inks; Biofabrication 11 013001; 2019; DOI: 10.1088/1758-5090/aaec52
[2] https://3druck.com/industrie/bioprinting-industrie-wird-bis-2028-vorraussichtlich-auf-12-milliarden-us-dollar-wachsen-49112958/?utm_source=mailpoet&utm_medium=email&utm_campaign=22kw44 , aufgerufen am 20.01.2023
Cross-Cluster-Projekt „WECLA“
“Alternative technologische Ansätze für Inhaltsstoffe, Materialien und Lebensmittel – Umfeldanalyse zu innovativen Start-ups und aktuellen Forschungsentwicklungen mit dem Ziel des Wissenstransfers“
Eine Zusammenarbeit der Cluster und Initiativen:
Gefördert vom Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie, im Rahmen der Förderinitiative “Cross-Cluster-Bayern 2022”.
