XIMBio – Weiterentwicklung der Xolographie: Ein leichter und kompakter Bioprinting-Demonstrator als Forschungsinstrument für biologische Studien in Mikrogravitation
Die Fertigung direkt im All ist für Langzeitmissionen wichtig und ist für Weltraumforschung maßgeblich. Das Projekt XIMBio richtet den Blick dabei auf die Biofabrikation, also das Herstellen von lebendem Gewebe. Ziel ist ein Verfahren, mit dem sich an Bord Organ- oder Krankheitsmodelle drucken lassen. Solche Modelle helfen zu verstehen, wie sich Schwerelosigkeit auf lebende Zellen auswirkt, und versprechen zugleich Erkenntnisse für die Medizin auf der Erde.
Getragen wird XIMBio von einem Team aus Chemikern, Material- und Biowissenschaftlern, Ingenieuren und Softwarespezialisten der xolo GmbH, jenem Unternehmen, das die zugrunde liegende Technologie erfunden hat. Die Xolographie ist ein volumetrisches 3D-Druckverfahren: Am Kreuzungspunkt zweier Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge wird eine flüssige Ausgangssubstanz (das „Resin“) gezielt chemisch vernetzt und damit zu einem gewünschten Material. So entsteht in einem durchgehenden Prozess, ohne einzelne Schichten und ohne Stützstrukturen, innerhalb von Sekunden ein hochaufgelöstes dreidimensionales Objekt.
In einem vorhergehenden Projekt konnte xolo bereits während der 40. und 41. DLR-Parabelflugkampagne zeigen, dass sich die Xolographie hervorragend für das Drucken von Plastikmaterialien in Schwerelosigkeit eignet. Anders als die meisten Fertigungsverfahren arbeitet ihr Grundprinzip völlig unabhängig von der Gravitation, sodass der Prozess im Vergleich zur Erdanwendung nicht angepasst werden muss. Dabei wurde genau verstanden, welche Fließeigenschaften das Resin mitbringen muss. Es bestätigte sich, dass der Druck in Mikrogravitation dieselbe Qualität liefert wie auf der Erde und dass sich dabei sogar dünnflüssige Formulierungen verarbeiten lassen.
Für die 47. DLR-Parabelflugkampagne wurde die Voraussetzungen für die Arbeit mit lebenden Zellen geschaffen. Zum einen wurden wasserbasierte, zellverträgliche Druckformulierungen entwickelt. Sie ergeben weiche, gelartige und mikroskopisch feinporöse Materialien, in denen sich Zellen wie im natürlichen Gewebe verhalten. Sie wechselwirken miteinander, differenzieren sich aus und führen biochemische Prozesse aus. Entscheidend ist die hohe Formauflösung der Xolographie, denn ein funktionierendes Organmodell hängt davon ab, dass die Zellen räumlich passgenau angeordnet sind. Über die gezielte Krümmung feiner Hohlräume lässt sich zum Beispiel steuern, in welche Richtung Gewebe wächst, oder es lassen sich übergeordnete Strukturen wie eine Blutgefäßversorgung anlegen.
Zum anderen wurde für den Einsatz in Schwerelosigkeit ein miniaturisierter Biodruck-Demonstrator gebaut. Er erfüllt die sicherheitstechnischen Anforderungen eines Parabelflugs, hält die nötigen Bedingungen (Temperatur, Präzision, Steuerung) bereit und zeigt durch seine Robustheit und geringe Größe, dass ein solches Gerät als Nutzlast einer Raumfahrtmission mitfliegen könnte. So soll die Xolographie als Technologie für den Biodruck im Weltraum etabliert werden.
Während der 47. DLR-Parabelflugkampagne liefern zwei dieser Demonstratoren in den Schwerelosigkeitsphasen bis zu 180 Einzeldrucke aus drei verschiedenen Biomaterialien. Anschließend wird im Labor gezeigt, wie feine Details im Mikrometerbereich das Verhalten der Zellen beeinflussen.