Biofabrikation – Bausteine für die Medizin der Zukunft

Die Zukunft der Medizin ist biologisch. Das Fraunhofer IGB bündelt zellbiologische, materialwissenschaftliche und biotechnologische Technologien zur Herstellung von In-vitro-Geweben – von der Zellkultivierung, über die Optimierung der als Gerüststruktur benötigten Biomaterialien bis zur Herstellung dreidimensionaler Gewebekonstrukte mittels Druckverfahren. Die In-vitro-Gewebe finden Einsatz als Testsysteme zur Untersuchung der Wirksamkeit von Wirkstoffkandidaten, als Gewebemodelle für die biomedizinische Forschung oder als personalisierte und – zukünftig – biologische Implantate, die geschädigte Gewebe zur Regeneration anregen oder substituieren.

Das Forschungsfeld Biofabrikation umfasst am Fraunhofer IGB die systematische Herstellung komplexer biologischer Strukturen, etwa Gewebe und Organe, durch das gezielte Zusammenspiel von Zellen, Biomaterialien und prozessbasierten Fertigungstechnologien. Insbesondere additive Verfahren erlauben die Erzeugung hierarchisch strukturierter Gewebe, die für die Funktionalität der Zellstrukturen entscheidend sein kann. Biofabrikation bildet damit die technologische Grundlage, um biologische Systeme gezielt zu entwickeln, funktional zu gestalten und skalierbar herzustellen.

Als interdisziplinäres Feld an der Schnittstelle von Zellbiologie und Biotechnologie, Materialwissenschaften und Verfahrenstechnik ist die Biofabrikation ein zentraler Enabler für die moderne Biomedizin – ob zur Entwicklung funktioneller Gewebemodelle, aussagekräftiger In-vitro-Testsysteme, personalisierter Implantate oder perspektivisch auch für den regenerativen Gewebeersatz. 

In vivo sind Zellen in eine natürliche Gewebematrix, die extrazelluläre Matrix (EZM), eingebettet, ein dynamisches Strukturgeflecht aus Proteinen wie Kollagen und Kohlenhydraten mit der Konsistenz eines stark wasserhaltigen Gels. Die EZM stabilisiert das Gewebe, verleiht ihm mechanische Festigkeit und Elastizität. Darüber hinaus ist sie aber auch an der interzellulären Kommunikation beteiligt und stellt die Versorgung mit Nährstoffen sicher. Diese umfassenden Funktionen sind nicht einfach durch synthetische Materialien nachzubilden.

In der Biofabrikation setzen wir sogenannte Biomaterialien als Gerüst- oder Trägerstrukturen (Scaffolds) für die Zellen ein, um biologisch aktive Zellmodelle, Gewebekonstrukte oder Implantate zu erzeugen. Wie im natürlichen Vorbild müssen die Biomaterialien den Zellen zudem eine möglichst physiologische Umgebung bieten, das heißt Bedingungen, welche die Anhaftung, das Wachstum und die Differenzierung fördern.

Vielseitige Anwendungen in Biomedizin und Biotechnologie

Das Institut erforscht und entwickelt bereits seit vielen Jahren biobasierte und funktionelle Biomaterialien für Anwendungen in der Biofabrikation. Dazu zählen natürliche und polymerbasierte Trägermaterialien und Hydrogel‑Systeme, beispielsweise aus Gelatine, Kollagen oder Hyaluronsäure, die gezielt für die jeweilige Anwendung hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften, Strukturierbarkeit und biologischen Funktionalität ausgelegt werden. Besonderes Augenmerk liegt auf nachhaltigen Rohstoffkonzepten, präziser Anpassbarkeit an zelluläre Anforderungen sowie der Integration in skalierbare Fertigungsprozesse.

Die entwickelten Materialien kommen unter anderem als Beschichtung von Implantaten und weiteren Medizinprodukten, aber auch in Tinten und Formulierungen für das Bioprinting von Gewebemodellen, biomedizinischen Testsystemen und biotechnologischen Produktionsplattformen zum Einsatz.

Die kontrollierte Kultivierung von Zellen stellt eine zentrale Herausforderung der Biofabrikation dar – insbesondere im Hinblick auf Reproduzierbarkeit, Maßstabsübertragung und Prozessstabilität. Das Fraunhofer IGB etabliert hierfür passende Zelllinien und Produktionsstämme, entwickelt definierte und nachhaltige Zellkulturmedien, Co‑Kulturmodelle sowie prozessbasierte Kultivierungskonzepte, die physiologisch relevante Bedingungen realitätsnah abbilden.

Diese Arbeiten bilden die Grundlage für robuste In‑vitro‑Modelle und ermöglichen den Transfer von biointelligenten Forschungslösungen in industrielle Entwicklungsumgebungen. Hierzu wird derzeit eine Bioreaktor-Pilotanlage am Fraunhofer IGB aufgebaut, mit der Prozesse in den anwendungsnahen Maßstab übertragen werden können. Damit setzen wir einen Meilenstein, von denen unsere Partner und Kunden direkt profitieren.

Um im Labor Gewebe aufzubauen, die ebenso gut funktionieren wie ihre natürlichen Vorbilder, werden neben dem optimalen Biomaterial auch Herstellungsprozesse benötigt, die hinsichtlich der Formgebung möglichst wenig Grenzen setzen. Additive Verfahren bieten diesbezüglich große Flexibilität. Mit ihrer Hilfe lassen sich dreidimensionale Objekte, die zuvor am Computer entworfen wurden, Schicht für Schicht aufbauen. Neben dem Vorteil eines freien und präzisen Designs bietet der 3D-Druck darüber hinaus die Möglichkeit einer schnelleren Prototypenentwicklung. Hierbei kommt auch zum Tragen, dass die Fertigung durch Automatisierung und digitale Steuerung unter kontrollierten und standardisierten Bedingungen erfolgt.

Bevor die Biomaterialien mittels Druckverfahren in Form gebracht werden können, müssen ihre Fließeigenschaften an die jeweils verwendete Drucktechnik angepasst werden. Nach dem Druckprozess wird die erzeugte Struktur dann zusätzlich durch eine zellverträgliche Vernetzungsreaktion stabilisiert. 

Druckfähige Biomaterialien ermöglichen additive Fertigung

Ein wesentlicher Fokus liegt daher auf der Entwicklung druckfähiger Biotintenformulierungen für den 2D‑ und 3D‑Bioprinting‑Einsatz. Am Fraunhofer IGB werden natürliche Polymermaterialien (z. B. Alginate, Gelatine, Kollagen oder Hyaluronsäure) und biobasierte Polymermaterialien (z. B. chemisch modifizierte Biopolymere wie GelMA, modifizierte Hyaluronsäure) zu anwendungsspezifischen Biotinten kombiniert, die hohe Zellviabilität, definierte rheologische Eigenschaften und zuverlässige Verarbeitbarkeit vereinen. Für Anwendungen im Tissue Engineering werden beispielsweise vernetzende biokompatible Hydrogele eingesetzt und Biomoleküle – durch chemische Modifizierung mit vernetzbaren Gruppen oder Funktionalitäten – zur Steuerung der Löslichkeitseigenschaften und Viskosität ausgestattet.

Die enge Verzahnung von Materialdesign, Druckprozess und Anwendung ermöglicht den Aufbau komplexer Zell‑Material‑Konstrukte für Forschung, Technologieentwicklung und industrienahe Demonstratoren. Die flexible Formgebung der additiven Fertigung ist auch in Hinblick auf die Vision, gedruckte biologische Implantate zu fertigen, von Bedeutung. Moderne bildgebende Diagnoseverfahren, die heute vielfach schon im medizinischen Alltag eingesetzt werden, können genau die digitalen 3D-Daten liefern, die zur Fertigung individualisierter Implantate erforderlich sind.

Beispiel TriAnkle: Schnellere Regeneration dank personalisierter Implantate

Ein erfolgreiches Beispiel war das europäische Forschungsprojekt TriAnkle, das die Entwicklung neuartiger personalisierter Implantate für die Regeneration von Sehnen‑ und Knorpelgewebe im Sprunggelenk zum Ziel hatte. Am Fraunhofer IGB haben wir hierzu neue Materialien aus Gelatine und Collagen entwickelt, die mit einem speziellen 3D‑Drucker zu künstlichem Gewebe geformt wurden. In Tierversuchen mit Ratten und Schafen hat sich gezeigt, dass dieses künstliche Gewebe dem Körper hilft, sich besser und schneller zu regenerieren. Das Projekt steht auch exemplarisch für den systemischen Ansatz der Biokonvergenz von Materialwissenschaften, Biologie und Medizintechnik.

Neben Medizin und Medizintechnik eröffnet die Biofabrikation darüber hinaus neue Perspektiven als ressourceneffiziente Produktionssysteme. Im Forschungsfeld Biofabrikation setzen wir die entwickelten Biofabrikationstechnologien daher auch für andere Anwendungen ein.

So arbeiten wir aktuell an tierischen Zellkultursystemen für eine nachhaltige Ernährung und »zellbasierte Landwirtschaft«. Ein Schwerpunkt liegt hierbei auf der Bereitstellung von alternativen Proteinquellen wie kultiviertem Fleisch und Fisch.

Ein weiteres Anwendungsfeld sind sogenannte Engineered Living Materials (ELM), biologisch aktive Strukturen auf Basis lebender Pilzzellen, die zu vordefinierten Formen heranwachsen. Am Fraunhofer IGB nutzen wir Pilzmyzel als vielversprechendes Material für eine neue Generation nachhaltiger, biobasierter Verbundwerkstoffe, die biologisch abbaubar sind und aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden. Der Fokus unserer Forschung liegt darauf, solche lebenden Materialien strukturiert aufzubauen, zu formen und funktional einzustellen. In laufenden Vorhaben beschäftigen wir uns etwa mit der Entwicklung passender Tinten für den 3D-Druck myzelbasierter Materialien, die sich für nachhaltige Leichtbaukonstruktionen, als biologisch abbaubare Bauteile und biologisch aktive Filtersysteme einsetzen lassen.