Ein 3D

Aug 02, 2023

Das Herz ist ein komplexes Organ mit einem einfachen Zweck: Blut hineinzupumpen und wieder herauszupumpen.

Dies geschieht durch ein miteinander verbundenes Netzwerk rechteckiger Herzzellen, sogenannte Kardiomyozyten, die Blut in die Oberseite des Herzens (durch die Vorhöfe) und durch die Ventrikel an der Unterseite pumpen. Schrittmacherzellen im Herzen sorgen dafür, dass es abhängig von der Grundherzfrequenz der Person mit 60 bis 100 Schlägen pro Minute tickt.

Aufgrund der Komplexität des Herzens scheiterten bisher Versuche, ein Modell in 3D zu drucken, um es für Drogentests zu verwenden oder es sogar in eine lebende Person zu implantieren.

Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) haben ein 3D-gedrucktes Modell eines Ventrikels angekündigt, der bei Stimulation mit Elektrizität in seinem eigenen Rhythmus schlägt. Der Trick liegt in einer neuen Art von Fiber-Infused Gel (FIG)-Tinte, die so konstruiert ist, dass sich die Fasern im Inneren wie Kardiomyozyten miteinander verbinden.

„FIG-Tinte kann durch die Druckdüse fließen, aber sobald die Struktur gedruckt ist, behält sie ihre 3D-Form bei“, sagte Suji Choi, wissenschaftlicher Mitarbeiter am SEAS, in einem Interview mit Harvard News. „Aufgrund dieser Eigenschaften habe ich herausgefunden, dass es möglich ist, eine ventrikelartige Struktur und andere komplexe 3D-Formen zu drucken, ohne zusätzliche Stützmaterialien oder Gerüste zu verwenden.“

Die neue 3D-Tinte entstand mit einer Idee eines Postdoktoranden, Luke MacQueen, wurde jedoch im Labor von Kevin Parker entwickelt – Leiter der Gruppe für Krankheitsbiophysik am SEAS. Die Maschine ermöglicht das Weben eines besonders empfindlichen Mikrofasermaterials.

Choi nutzte die Maschine, um ein dünnes, baumwollähnliches Blatt herzustellen, das sie mithilfe von Schallwellen in winzige Segmente brach und der Hydrogel-Tinte hinzufügte. Mit der Zeit fand sie das richtige Verhältnis zwischen Tinte und Fasersegmenten, die nur etwa 100 Mikrometer lang waren. Mit der richtigen Tinte druckte sie einen Ventrikel mit Fasern und Kardiomyozyten, die wie in einem echten Herzen ausgerichtet waren.

Als sie einen elektrischen „Schrittmacher“-Strom anlegte, zog sich die Herzkammer in einer koordinierten Welle zusammen.

„Es war sehr aufregend zu sehen, wie die Kammer tatsächlich auf ähnliche Weise pumpt wie echte Herzkammern“, sagte Choi.

Sie verfeinerte die Struktur, bis sie 5- bis 20-mal mehr Flüssigkeitsvolumen pumpen konnte als frühere Versuche mit 3D-gedruckten Herzen, und das Team möchte sie dicker und herzähnlicher machen.

Das echte Herz schlägt 100.000 Mal am Tag und übt jedes Mal ungefähr die Kraft aus, die nötig ist, um einen Tennisball zu drücken. Bezogen auf das Körpergewicht hat das Herz den höchsten Energiebedarf aller menschlichen Organe und ist auf eine Reihe von Energiequellen angewiesen.

„Im Vergleich zum echten Herzen ist unser Ventrikelmodell vereinfacht und miniaturisiert“, sagte Choi.

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