Überprüfung des aktuellen Fortschritts bei der robotischen Herstellung von chirurgischen Implantaten zur Förderung der Regeneration von Knorpel.

22. Juni 2023 feature

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von Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Im Laufe ihres Lebens können einige Menschen aufgrund von Schäden am Knorpel, den flexiblen Bindegeweben, die die Knochen abfedern, teilweise oder vollständig die Fähigkeit verlieren, ihre Gliedmaßen zu bewegen. Dies kann auf degenerative Erkrankungen wie Osteoarthritis oder körperliche Verletzungen zurückzuführen sein.

Schäden am Knorpel können erhebliche Schmerzen und Behinderungen verursachen und die Lebensqualität der Betroffenen beeinträchtigen. Bisherige chirurgische Verfahren, die darauf abzielen, diese Schäden zu reparieren oder ihre Auswirkungen zu reduzieren, erzielen in der Regel begrenzte Ergebnisse und die Patienten berichten von sehr wenigen Vorteilen und keinen oder nur geringen langfristigen Auswirkungen.

Medizinische Forscher und Ingenieure bemühen sich daher um alternative therapeutische Interventionen, die darauf abzielen, Knorpelschäden effektiver zu reparieren. In den letzten Jahren hat sich die 3D-Bio-Drucktechnologie, die auf fortschrittlichen Druckern zur Erstellung von dreidimensionalen biochemischen und biophysikalischen Systemen beruht, als vielversprechende Lösung zur Schaffung von Systemen herauskristallisiert, die die Regeneration des Gewebes fördern können.

Forscher der University of Manchester, der Nanyang Technological University und anderer Universitäten weltweit haben kürzlich Untersuchungen über den Einsatz von Bioprinting zur Reparatur von Knorpelgewebe durchgeführt. Ihr Review-Artikel, der im International Journal of Extreme Manufacturing veröffentlicht wurde, hebt sowohl die potenziellen Vorteile als auch die Grenzen dieser aufkommenden Lösung hervor.

'3D-Bioprinting wurde eingesetzt, um biochemische und biophysikalische Umgebungen herzustellen, die das native Mikroumfeld nachahmen und die Regeneration des Gewebes fördern sollen', schrieben Yaxin Wang, Ruben Pereira und ihre Kollegen in ihrer Arbeit. 'Die herkömmlichen in-vitro-Bioprinting-Verfahren haben jedoch aufgrund der mit der Herstellung und Implantation gedruckter Konstrukte und der Integration mit dem nativen Knorpelgewebe verbundenen Herausforderungen ihre Grenzen.'

Zunächst versuchten Forscher, die 3D-Bioprinting-Technologie zu nutzen, um Systeme zu erstellen, die später in den menschlichen Körper implantiert werden konnten. Diese Ansätze, bekannt als in-vitro-Ansätze, können erhebliche Einschränkungen haben, da die erstellten Systeme schwierig zu implantieren sein können oder vom Körper der Patienten schlecht aufgenommen werden und eine schlechte Integration mit ihrem biologischen Knorpel aufweisen.

Einige Forschungsteams haben in jüngster Zeit das Potenzial eines alternativen Ansatzes namens in situ Bioprinting untersucht, der diese Probleme potenziell umgehen könnte. In ihrer Review-Arbeit fassten Wang, Perreira und ihre Kollegen die bestehenden Arbeiten zu diesem Ansatz zusammen, insbesondere zu seinen Implementierungen mit robotergestützten Werkzeugen.

'In situ Bioprinting ist eine neuartige Strategie zur direkten Lieferung von Bioinks an die gewünschte anatomische Stelle und hat das Potenzial, die mit herkömmlichem Bioprinting verbundenen Hauptnachteile zu überwinden', schrieben die Forscher. 'In dieser Übersicht konzentrieren wir uns auf die neue Front robotergestützter in situ Bioprinting-Chirurgiesysteme zur Regeneration von Knorpeln.'

Wang, Perreira und ihre Kollegen untersuchen verschiedene vorgeschlagene roboterunterstützte in situ Bioprinting-Ansätze, von denen einige minimalinvasiv und andere nichtinvasiv sind. Da offene Operationen erhebliche Komplikationen haben können, wären diese Ansätze besonders wünschenswert, auch wenn sie noch sehr früh in der Entwicklung sind.

Als sie vorherige Bemühungen in diesem Bereich überprüften, stellten sie fest, dass der Einsatz von starren oder halbstarren Druckdüsen die Komplexität dieser Verfahren erheblich erhöhen könnte, so dass flexible Robotersysteme mit hoher Bewegungsfreiheit eine wertvolle Alternative sein könnten. Einige Forscher versuchten auch, Ansätze zu entwickeln, die auf digitaler Nahinfrarot-Technologie beruhen, um ohrähnliche Strukturen direkt am Körper des Patienten zu drucken, obwohl dieser Ansatz viel schwieriger, wenn nicht sogar unmöglich, in den Körper implementiert werden kann.

Andere vorgeschlagene in-situ-Ansätze zur Förderung der Regeneration von Knorpelgewebe beruhen auf dem Einsatz winziger Roboter, die in den Körper eingeführt werden können, ohne ihn zu schädigen, und die gewünschte Verfahren durchführen können. Diese Roboter könnten beispielsweise Stammzellen oder Substanzen an verletzten Stellen im Körper abgeben, könnten jedoch auch potenziell mit 3D-Bioprinting-Werkzeugen integriert werden, um biologische Systeme direkt in gezielten Regionen zu drucken.

While all these approaches could be promising, several challenges will need to be overcome and many trials will need to be carried out before they can be tested on humans and introduced in clinical settings. The recent paper by Wang, Perreira and his colleagues offers a broad overview of the stage at which these promising strategies are today, while also highlighting areas ways in which they could be developed further in the future.

More information: Yaxin Wang et al, Robotic in situ bioprinting for cartilage tissue engineering, International Journal of Extreme Manufacturing (2023). DOI: 10.1088/2631-7990/acda67

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