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Wissen & Umwelt

Herzklappen aus dem 3D-Drucker

Erkrankungen der Herzklappen können lebensgefährlich sein. Wird das Blut nicht mehr richtig durch den Körper gepumpt, helfen Herzklappenprothesen weiter. Die könnten künftig aus dem 3D-Drucker kommen.

Mathematiker Hartmut Schwandt von der Technischen Universität Berlin steht vor einem Gerät, das aussieht wie ein überdimensionierter Kühlschrank: Es ist mannshoch, hellgrau und mit einer Glastür versehen.

Auf den ersten Blick ein wenig spektakulärer Kasten, der allerdings fast Unglaubliches leisten kann: Er ist ein laserbetriebener 3D-Drucker, in dessen Inneren menschliche Herzklappen entstehen.

Etwas pathetisch könnte man von der Mensch-Maschine sprechen, doch auch nüchtern betrachtet hört sich das, was die Forscher mit dem Gerät vorhaben, nach Science Fiction an. Dabei ist ihre Idee, menschliche Herzklappen zu drucken, mehr als eine Fiction - die Idee wird bereits umgesetzt.

Maßgeschneiderte Lösung

Die im Drucker hergestellten Herzklappen sollen den natürlichen Herzklappen der Patienten möglichst genau entsprechen. "Um die herstellen zu können, brauchen wir von den betroffenen Patienten zunächst eine Computertomographie der Herzklappe", erläutert Projektleiter Schwandt. Erst danach kommt der 3D-Drucker zum Einsatz.

Ein detailgetreues Herzmodell eines Patienten (Foto: DW)

Auch dieses Herzmodell wurde mit einer Computertomographie hergestellt

Bei den Computertomographien, die in der Medizin seit langem Standard sind, handelt es sich um zweidimensionale Querschnittsbilder - in diesem Fall um Querschnittsbilder des Herzens, die das Organgewebe in verschiedenen Grautönen darstellen.

Mit einer speziellen Software setzen die Forscher hunderte dieser zweidimensionalen Querschnittsbilder zu einem 3D-Modell zusammen. So wie viele übereinandergelegte Brotscheiben einen ganzen Brotlaib ergeben, bilden die zahlreichen zusammengesetzten Bilder des Herzens eine dreidimensionale Herzgrafik.

Zoomen durch die Herzgrafik

Ingenieur Ben Jastram von der TU Berlin sitzt vor einem Monitor und zoomt durch so eine Herzgrafik. Das faustgroße Organ lässt sich dabei mit der Maus beliebig drehen, einzelne Teile lassen sich nach Wunsch vergrößern.

Ben Jastram klickt ein paar Mal mit der Computermaus und schon ist die Aortenklappe zu sehen: eine der vier menschlichen Herzklappen, die das Blut in eine Richtung durch das Herz strömen lassen. "Wenn wir ein bisschen weiter durch die Struktur zoomen, sehen wir auch die anderen Herzklappen", erläutert Jastram.

Und tatsächlich: Nach und nach können die Forscher jetzt die einzelnen Herzklappen vergrößern und ihre genaue Form studieren. Soll etwa die Aortenklappe auf dem 3D-Drucker hergestellt werden, dann visualisieren die Forscher zunächst deren genaue Größe und Form. "Anschließend arbeiten wir dann den Bereich der Aortenklappe soweit heraus, bis wir die genaue Geometrie der Herzklappe vor uns haben", erläutert Jastram.

Eine Maschine zur Metallverarbeitung mit dem Rapid Manufactoring Verfahren (Foto: DW)

Ein Schieber bringt frisches Pulver in den Bauraum. Der Laser verschmilzt es mit der Schicht darunter.

Laser verschmilzt Kunststoffpulver

Diese geometrischen Daten werden dann an den 3D-Drucker geschickt - in dem die Herzklappen aus Kunststoff entstehen. "Im Inneren des 3D-Druckers wird dabei ein Kunststoffpulver verarbeitet", erklärt Projektleiter Hartmut Schwandt.

Das Pulver, das sich aus unzähligen, winzigen Kunststoffkügelchen zusammensetzt, wird dafür zunächst in hauchdünnen Schichten in eine Art Schublade gestreut. Ein Laser verschmilzt dann in jeder einzelnen dieser Schichten die Kunststoffkügelchen an den Stellen, an denen die Herzklappe entstehen soll. An den anderen Stellen bleibt das Pulver lose.

Vorstellen kann man sich das so, als ob die zweidimensionalen Querschnittsbilder der Herzklappe nacheinander in hunderte, hauchdünne Kunststoffschichten eingebrannt werden. Nach und nach baut sich so die dreidimensionale Herzklappe auf, umgeben von losem Kunststoffpulver.

Gedrucktes Modell einer Aortenklappe

Das gedruckte Modell einer menschlichen Aortenklappe gibt es bereits: Es sieht aus wie drei aneinandergelegte Fingerspitzen, die von einem Ring umgeben sind. Auf dem Modell siedeln die Wissenschaftler in einem nächsten Schritt menschliche Zellen an. Nutzen wollen sie dafür Nabelschnurgewebe.

"Die Nabelschnur hat den großen Vorteil, dass sie Stammzellen enthält", sagt Cora Lüders vom Deutschen Herzzentrum, die als Biologin an dem Projekt beteiligt ist. Aus diesen Zellen können viele verschiedene andere menschliche Zellen entwachsen. Als ideal gelten die Nabelschnurzellen auch deshalb, da es sehr junge Zellen sind, die vom menschlichen Körper verhältnismäßig gut angenommen werden.

DW-Infografik zur Funktion des Herzens

Nabelschnurzellen besiedeln 3D-Herzklappe

"Die große Herausforderung aus biologischer Sicht ist, dass sich die auf die gedruckten Herzklappen aufgetragenen Zellen zu einem vollständigen Gewebe entwickeln", erklärt Cora Lüders. Tissue Engineering nennt sich die künstliche Züchtung von solch biologischem Gewebe.

Die Oberfläche der individuell angefertigten Herzklappen soll möglichst porös sein, denn dann können sich die Zellen darauf gut verankern und heranwachsen. Zusammen kommt beides in einen Bioreaktor - in ihm werden die Zellen mit allen lebensnotwendigen Stoffen versorgt.

"Diese Nährlösung ersetzt im Prinzip das Blut des Körpers", erläutert Cora Lüders. "Alle Elemente, die eine Zelle zum Leben braucht, sind in diesem Nährmedium vorhanden. Also etwa Seren, Wachstumsfaktoren und Elektrolyte."

Sobald die Zellen auf der gedruckten Herzklappe herangewachsen sind, ließe sich die Prothese in den Körper des Patienten implantieren, so die Idee der Forscher. Das mit den Zellen besiedelte Implantat soll dann komplett die Funktion der Herzklappe übernehmen.

Noch nicht am Menschen erprobt

Im Labor wird das bereits erforscht: Langzeitstudien an Tiermodellen etwa untersuchen die Tissue-Engineering-Klappen derzeit. Und in der Praxis könnten die gedruckten und mit Zellen besiedelten Modelle künftig möglicherweise eine zusätzliche Form der Herzklappenprothese sein.

"Unser Fernziel ist, dass sich das volle Herzklappengewebe im menschlichen Körper entwickelt", sagt Hartmut Schwandt. "Die gedruckte Herzklappe selbst soll sich im Laufe der Jahre langsam, aber sicher auflösen." Im Körper des Patienten könnte die gedruckte Herzklappe so langfristig ganz durch Zellen ersetzt werden.

Zunächst suchen die Forscher aber noch ein möglichst ideales Druckmaterial, das auch biologisch gut verträglich ist.

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