3D Lab

Das 3D Lab des Biomaterialschwerpunktes BiomaTiCS unter der Leitung von Univ.-Professor Dr. Dr. Bilal Al-Nawas erlaubt es im Bereich des „additiven Manufacturing“ sowohl auf der Basis grundlagenorientierter Forschung im 3D Bioprinting als auch im klinischen Setting anhand anwendungsorientierter und individualisierter Lösungsansätze effektiv neue Erkenntnisse zu gewinnen und anzuwenden.

Neben Räumlichkeiten auf dem Campus der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und der Universitätsmedizin stehen 3D Drucker, 3D Workstations mit entsprechender Software, 3D-Scaneinrichtungen sowie Laborinventar zur Herstellung und Analyse von druckbaren Biomaterialien zur Verfügung.

Durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit und Translation zwischen den verschiedenen klinischen Disziplinen und Materialwissenschaftlern aus dem Bereich der Grundlagenforschung ist es möglich innerhalb des komplexen Themenbereiches des additiven Manufacturing Ergebnisse und Wissen erfolgreich in die klinische Umgebung zu Überführen und an individuellen und patientenorientierten Lösungen zu arbeiten.

Zur Erzeugung azellulärer Gerüste nutzt unser 3D Lab den ZPrinter 450. Hiermit können beispielsweise aus MRT Datensätzen eines Skeletts scaffolds in Form und Größe des Originalknochens gedruckt werden.

Der 3D-Bioplotter von EnvisionTec® erlaubt Herstellung von Druckgut mit lebenden Zellen. Die Anforderungen an Geräte und Material sind dabei sehr hoch. Neben einem sterilen Workflow müssen alle Umgebungsvariablen wie beispielsweise Temperatur, chemische Reaktionen des druckbaren Materials, Druckparameter wie Geschwindigkeit und Auspressdruck zellfreundlich sein, um die empfindlichen Zellen während des Druckvorgangs nicht zu schädigen. Herkömmliche druckbare Materialien benötigen zur Verarbeitung hohe Temperaturen oder UV-Licht zur Aushärtung und scheiden somit zum kombinierten Druck von Zellen und umgebendem Gerüstmaterial aus. Der Arbeitsgruppe um Prof. Werner E. G. Müller ist es gelungen geeignete Matrices zum Druck vitaler Zellen zu entwickeln (1-3), die zum Druck von Gefäßgrafts (4) oder Scaffolds zur Knochenrekonstruktion (5) genutzt werden können. Diese werden derzeit in weiteren Studien erprobt und könnten den Brückenschlag zwischen präklinischer Materialforschung und klinischer Anwendung bilden.

Der klinische Bereich des 3D Lab beschäftigt sich unter anderem mit der Planung komplexer Operationen (6, 7). Dadurch wird es möglich, Operationszeiten zu verkürzen und bessere Operationsergebnisse zu erzielen. Nach der dreidimensionalen virtuellen Operation auf leistungsstarken Workstations werden Resektionsschablonen und Modelle der Operationsplanung zur weiteren OP-Vorbereitung in einem Eden260 von Stratasys® gedruckt.

3D Workstation / CAD-Bereich

Um hochpräzise Modelle und Gerüste planen und drucken zu können, müssen immens viele Datenmengen be- und verarbeitet werden. Hierzu stehen den Wissenschaftlern des 3D Labs des Forschungsschwerpunktes BiomaTiCS – Biomaterials, Tissues and Cells in Science - neben entsprechender Software zur Segmentierung der CT und MRT Daten, Software zur Durchführung der virtuellen Operation sowie Konstruktion von scaffolds, OP-Modellen und Operationsschablonen entsprechend leistungsstarke und an die 3D Planung angepasste Hardware zur Verfügung.

Weitere Bereiche des 3D Lab beschäftigen sich mit der Aquise und Nutzung dreidimensionaler Daten vor und für die Verarbeitung von CAD/CAM-Anwendungen. Hierbei geht es unter anderem um die cephalometrische und Oberflächenvermessung von 3D-Scans des Gesichtes (Gruppe OÄ Dr. Susanne Wriedt, Kieferorthopädie; Gruppe OÄ Prof. Dr. Susanne Pitz, Augenheilkunde), intraoraler 3D-Scans (Gruppe OA Dr. Helmut Dietrich, Zahnersatzkunde).

Materialherstellung und Analyse von Materialoberflächen und -eigenschaften

Die Bestandteile der druckbaren Materialien werden innerhalb von BiomaTiCS selbst synthetisiert und modifiziert.

Gedruckte Gerüste werden auf ihre Materialeigenschaften wie Elastizitätsmodule oder Zusammensetzung untersucht. Ebenso werden Oberflächeninteraktionen zwischen Geweben und verschiedenen Materialien untersucht (8-10). Bei der Auswahl und Umsetzung der Analysemöglichkeiten kann aber auch auf die Expertise der zentralen wissenschaftlichen Plattform zurückgegriffen werden, um mikroCT Untersuchungen durchzuführen oder detaillierte Oberflächenstrukturen mittels konfokaler Laserscanningmikroskopie darzustellen (11, 12). Durch die Interdisziplinarität ist es möglich die Analyse optimal zu gestalten und effektive Versuchsabläufe zu entwickeln.

1. Muller WEG, Tolba E, Schroder HC, Neufurth M, Wang SF, Link T, et al. A new printable and durable N,O-carboxymethyl chitosan-Ca2+-polyphosphate complex with morphogenetic activity. J Mater Chem B. 2015;3(8):1722-30.

2. Neufurth M, Wang X, Schroder HC, Feng Q, Diehl-Seifert B, Ziebart T, et al. Engineering a morphogenetically active hydrogel for bioprinting of bioartificial tissue derived from human osteoblast-like SaOS-2 cells. Biomaterials. 2014;35(31):8810-9.

3. Wang X, Schroder HC, Grebenjuk V, Diehl-Seifert B, Mailander V, Steffen R, et al. The marine sponge-derived inorganic polymers, biosilica and polyphosphate, as morphogenetically active matrices/scaffolds for the differentiation of human multipotent stromal cells: potential application in 3D printing and distraction osteogenesis. Mar Drugs. 2014;12(2):1131-47.

4. Neufurth M, Wang X, Tolba E, Dorweiler B, Schroder HC, Link T, et al. Modular Small Diameter Vascular Grafts with Bioactive Functionalities. PLoS One. 2015;10(7):e0133632.

5. Wang S, Wang X, Draenert FG, Albert O, Schroder HC, Mailander V, et al. Bioactive and biodegradable silica biomaterial for bone regeneration. Bone. 2014;67:292-304.

6. Goetze E, Schulz P, Bolm I, Al-Nawas B. 3D-Planung mandibulär-maxillärer Umstellungsosteotomien. Int Poster J Dent Oral Med. 2014;16(1):740.

7. Goetze E, Surjono S, Righesso L, Koch F, Wagner W. Primary dental bar use for fibula transplants Int Poster J Dent Oral Med. 2014;16(5):767.

8. Kammerer PW, Lehnert M, Al-Nawas B, Kumar VV, Hagmann S, Alshihri A, et al. Osseoconductivity of a Specific Streptavidin-Biotin-Fibronectin Surface Coating of Biotinylated Titanium Implants - A Rabbit Animal Study. Clin Implant Dent Relat Res. 2015;17 Suppl 2:e601-12.

9. Schiegnitz E, Palarie V, Nacu V, Al-Nawas B, Kammerer PW. Vertical osteoconductive characteristics of titanium implants with calcium-phosphate-coated surfaces - a pilot study in rabbits. Clin Implant Dent Relat Res. 2014;16(2):194-201.

10. Heller M, Kammerer PW, Al-Nawas B, Luszpinski MA, Forch R, Brieger J. The effect of extracellular matrix proteins on the cellular response of HUVECS and HOBS after covalent immobilization onto titanium. J Biomed Mater Res A. 2015;103(6):2035-44.

11. Al-Nawas B, Goetz H. Three-dimensional topographic and metrologic evaluation of dental implants by confocal laser scanning microscopy. Clin Implant Dent Relat Res. 2003;5(3):176-83.

12. Klein M, Goetz H, Pazen S, Al-Nawas B, Wagner W, Duschner H. Pore characteristics of bone substitute materials assessed by microcomputed tomography. Clin Oral Implants Res. 2009;20(1):67-74.