3D-gedruckte Organe: nur einen Herzschlag von der Verwirklichung entfernt?

Von Cindy Glass
- 11. Jun 2015 - 5 min-LEKTÜRE
Mit freundlicher Genehmigung von Advanced Solutions.

Michael Golway, der President und CEO von Advanced Solutions, ist der Meinung, dass die Menschheit noch nie eine so großartige Zeit erlebt hat wie heute. Immerhin ist sein Roboter ein überzeugender Beweis dafür. Der Plan für seinen künstlichen Gehilfen? Er soll menschliche Ersatzorgane in 3D drucken … und sogar ein voll funktionsfähiges Herz.

Spulen wir zurück zum Oktober 2010. Golway nahm an einer Benefizveranstaltung der Absolventen der University of Louisville teil, in deren Rahmen auch ein Besuch im Cardiovascular Innovation Institute (CII) in Louisville/Kentucky stattfand. Dabei erhielten Teilnehmer die Chance, von Dr. Stuart Williams mehr über die Vision des CII – die Herstellung des ersten „biokünstlichen Herzes“, d. h. eines Ersatzherzes, das aus den Zellen des Patienten selbst gezüchtet wird – zu erfahren.

Golway dachte: „Das klingt wirklich beeindruckend, doch lässt es sich auch in die Praxis umsetzen?“ Einige Tage später ließ ihm der Vortrag von Dr. Williams immer noch keine Ruhe, und er begann zu überlegen, ob Advanced Solutions, ein diversifizierter Technologieanbieter mit umfangreichem technischem Know-how auf zahlreichen Gebieten, helfen könnte. Bei einem darauf folgenden Mittagessen schlossen die beiden Männer auf Anhieb Freundschaft.

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Beispiel für ein Experiment, bei dem eine Arterie und kleinere Gefäße auf ein Herzmodell gedruckt werden. Mit freundlicher Genehmigung von Advanced Solutions.

Golway beeindruckte zwar die Fähigkeit von Williams und seinem Team, sich gedanklich „in einer Welt zu bewegen, die zehn Jahre in der Zukunft liegt“. Trotzdem ging er zu den praktischen Dingen des Hier und Jetzt über. „Ich bin Geschäftsmann“, erklärt er. „Ich habe Stromrechnungen und Mitarbeiter, die ich bezahlen muss. Welchen Kurs können wir einschlagen, um diese Vision zu verwirklichen und eine Lösung zu entwickeln, die möglichst vielen Menschen hier und heute nützt?“

Golways Leidenschaft für Technik und die Möglichkeiten unserer Gegenwart ist geradezu greifbar. Genauso wie sein Gefühl der Dringlichkeit.

„Drei Dinge hatten großen Einfluss auf mich als Unternehmer“, führt Golway aus. „Erstens: Wenn ich zurückschaue, wie das Leben vor 500 Jahren war – ich hätte mich in der damaligen Welt einfach nicht sehr gut zurechtgefunden. Der Technik verdanken wir unsere unglaubliche Lebensqualität. Zweitens hat die Menschheit noch nie eine so großartige Zeit erlebt wie heute, und außerdem wurden wir durch einen glücklichen Zufall an einem der besten Orte der Erde geboren. Wir hätten genauso gut irgendwo auf die Welt kommen können, wo das Lebensumfeld extrem unerbittlich ist. Dann hätten wir eine ganz andere Weltsicht. Und drittens wird mir allmählich bewusst, dass das Leben einfach zu kurz ist, und selbst wenn du deine maximale Lebenserwartung erreichst, ist es einfach verdammt kurz.“

Vor diesem Hintergrund beschäftigten sich Golway und sein Team von Ingenieuren zwei Jahre lang mit dem CII-Programm für biokünstliche Herzen. In dieser Zeit wurden gewaltige Fortschritte hinsichtlich der vier Kernelemente erzielt, die nach Ansicht Golways kombiniert werden mussten, um ein biokünstliches Herz herzustellen: Zellquelle, Design, Zusammenfügen und Inkubation.

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Mit freundlicher Genehmigung von Advanced Solutions

Nach zweijähriger Forschung traute Golway seinem Team zu, das Design in Angriff zu nehmen und einzelne Teile auf sinnvolle Weise zusammenzufügen. Damit konnten beträchtliche Hemmnisse beseitigt werden, die der Entwicklung des biokünstlichen Herzens bislang im Weg gestanden hatten. Im März 2013 wurde die Life-Sciences-Abteilung von Advanced Solutions gegründet und begann mit der Entwicklung der ersten integrierten Hardware- und Software-Lösung speziell für den Einsatz in biologischen Systemen: Software für Tissue Structure Information Modeling (TSIM) in Kombination mit dem sechsachsigen 3D-Drucker BioAssemblyBot.

Ein leistungsstarkes Gespann. TSIM ist eine intuitive Design-Software, die Biologen und Forschern die Modellierung in einem biologischen 3D-Format ermöglicht. Design-Spezialisten können damit herkömmliche Patientendaten wie CT-Scans und MRT-Bilder zur Unterstützung der Modellierung importieren und integrieren. Dieser Aspekt ist wesentlich, da er Wissenschaftler in die Lage versetzt, „Rezepturen“ zur Gewebezüchtung kontinuierlich zu verbessern. Anhand dieser Rezepturen lässt sich biologisches Material zu funktionsfähigem Gewebe und letztlich zu vollständigen Organ zusammenfügen. Sobald das Design fertig ist, kann der BioAssemblyBot, ein einzigartiger sechsachsiger 3D-Printer für den Druck menschlicher Gewebeteile, das Modell in eine physische Struktur umwandeln.

Der BioAssemblyBot weist eine ungewöhnliche Bauweise auf und funktioniert anders als herkömmliche Technologien für additiven 3D-Druck, die auf einer X-Y-Ebene arbeiten – mit einer Z-Ebene, die sich schrittweise nach unten bewegt, um Strukturen in Schichten zu schaffen. Das Team von Golway versuchte ursprünglich, vorhandene 3D-Drucktechnik anzupassen, stieß dabei jedoch auf Hindernisse. Insbesondere mussten die Ingenieure neu durchdenken, wie sich die komplexe Geometrie der biologischen Strukturen und die mitunter ungewöhnlichen, besonders engen und geringen Toleranzen der verwendeten Biotinten oder lebenden Zellen handhaben lassen.

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Mit freundlicher Genehmigung von Advanced Solutions

Die sechsachsige Bauweise, die Advanced Solutions anhand von Autodesk AutoCAD, Autodesk Inventor Professional und einem MakerBot-3D-Drucker für die frühe Prototypenentwicklung konzipierte und umsetzte, löste diese Probleme und bot den Biologen und Forschern, denen das Team helfen wollte, uneingeschränkte Flexibilität.

Das integrierte System funktionierte. Sobald es im CII eingesetzt wurde, reduzierte sich die zur Herstellung neuer Zellstrukturen benötigte Zeit von drei oder vier Monaten auf eine Stunde, was die Anlaufphase der Herstellung von 3D-gedruckten Organen drastisch verkürzte. Seit August 2014 ist das System von Advanced Solutions Life Sciences im Handel erhältlich. Der Roboter, der irgendwann ein menschliches Herz drucken wird, war damit auf dem Markt.

Golway ist ein Visionär mit Bodenhaftung. „Mich erfüllt das Bewusstsein mit Ehrfurcht, einer der ersten Generationen in der Geschichte der Menschheit anzugehören, zu deren Lebzeiten diese unglaublich rasante Technisierung stattfindet“, stellt er fest. „Wenn wir mehrere Generationen zurückgehen, sehen wir, dass sich die Technik exponentiell weiterentwickelt hat, auch wenn das Tempo zunächst langsam verlief. Unsere Ururururgroßeltern wurden im Laufe einer Generation vielleicht Zeuge einer einzigen technischen Weiterentwicklung. Wir sind wirklich die erste Generation, die das nicht nur für eine oder bestenfalls zwei Technologien miterlebt hat, sondern für eine große Menge von Technologien in zahlreichen Branchen.“

„Unsere Generation ist in der Lage, sämtliche Erfolge und Fehlschläge im Zuge dieser technischen Weiterentwicklung zur Bewältigung anspruchsvollerer Aufgabenstellungen wie dem Drucken menschlicher Ersatzorgane zu nutzen“, fährt Golway fort. „Wir befinden uns an einem Punkt der technischen Entwicklung, an dem wir die Biologie wie eine Informationstechnologie behandeln können, denn im Grunde ist sie nichts anderes.“

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