Neun von hundert Menschen entwickeln im Laufe ihres Lebens Stimmstörungen. Zysten, Polypen und Knötchen an den Stimmbändern können die Ursache sein. Eine Operation entfernt sie, doch der Preis dafür ist oft hoch: Narben, die das Gewebe versteifen, und eine dauerhaft heisere Stimme. Hydrogele würden die Heilung fördern, aber sie präzise in den Rachen zu injizieren ist nahezu unmöglich.
Doch nun gibt es eine Lösung: einen mikroskopischen Biodrucker, der in das Laryngoskop passt und das Gel direkt im Rachenraum druckt, genau dort, wo es benötigt wird. Im Operationssaal, in Echtzeit, ohne zusätzliche Skalpelle.
Ein Roboter von der Größe eines Sesamsamens
Das Team von McGill University von Montreal hat das gebaut, was er den nennt kleinstes jemals hergestelltes Bioprinting-GerätZwei und sieben Zehntel Millimeter im Durchmesser. Dünn genug, um durch den Arbeitskanal eines Standard-Laryngoskops zu passen, das Chirurgen normalerweise zur Untersuchung des Racheninneren verwenden. Swen GroenEin Biomedizintechniker, der die Entwicklung leitete, arbeitete drei Jahre lang daran, ein Konzept zu miniaturisieren, das unmöglich schien.
Das Gerät heißt MIISB (Minimalinvasiver In-situ-Biodrucker) und funktioniert wie ein Miniatur-Elefant. Der Druckkopf ist an einem flexiblen „Rüssel“ befestigt, der über hauchdünne Kabel gesteuert wird. Der Chirurg manövriert alles manuell, positioniert die Düse millimetergenau und trägt biokompatibles Hydrogel exakt an den Stellen auf, an denen Gewebe entfernt wurde. Die gedruckten Linien sind 1,2 Millimeter dick und können überlappend dargestellt werden, um komplexe Geometrien zu rekonstruieren.
Der globale Markt für 3D-Biodruck wird erreichen 8,5 Milliarden US-Dollar bis 2035, nach Prognosen von Markteinblicke der ZukunftGeräte für orthopädische und regenerative medizinische Anwendungen verzeichnen ein jährliches Wachstum von 19 %. Bioprinting für den direkten chirurgischen Einsatz, wie es beispielsweise von McGill entwickelt wurde, stellt eines der vielversprechendsten Segmente dar.
Das Problem der Stimmlippennarben
Die Stimmbänder sind empfindliche Strukturen. Sie sind etwa 1,5 Zentimeter lang und schwingen tausende Male pro Sekunde, um die Stimme zu erzeugen. Wenn sich Zysten oder Polypen bilden, werden diese operativ mit Lasern oder Mikroinstrumenten entfernt. Doch was danach geschieht, ist das eigentliche Problem. Zwischen 5 % und 18 % der Patienten entwickeln postoperative Fibrose: Narbengewebe, das die Stimmbänder versteift und die Fähigkeit zum normalen Sprechen beeinträchtigt.
Wie ich Ihnen vor einiger Zeit bereits geschrieben habe in einem Artikel über schnelles BioprintingHydrogele auf Hyaluronsäurebasis können dieses Problem verhindern. Sie bilden ein weiches Gerüst, das das Wachstum von gesundem Gewebe unterstützt und Entzündungen reduziert. Das Problem bestand schon immer darin, dass… wie die Platzieren Sie sie präzise. Äußere Injektionen durch die Haut des Halses erreichen nicht alle notwendigen Bereiche und landen oft an den falschen Stellen.
Echtzeitdruck während des Betriebs
Der Bioprinter von McGill löst, wie bereits erwähnt, das Problem, indem er direkt in das Operationsfeld eingeführt wird. Der Chirurg führt den Eingriff wie gewohnt mit angehobenem Mikroskop durch und entfernt das beschädigte Gewebe. Anschließend wird das MIISB verwendet, um die Geometrie der Stimmbänder durch schichtweises Drucken des Hydrogels zu rekonstruieren. All dies, ohne den Patienten zu bewegen, ohne die Sicht zu behindern, ohne zusätzliche Einschnitte.
Audrey Sedal, Mitautor der Studie, nutzte einen wirkungsvollen Vergleich:
„Es ist wie mit einem Gartenschlauch. Wenn man schon mal gesehen hat, was passiert, wenn man das Wasser in einem Schlauch aufdreht, weiß man, dass es sich unvorhersehbar bewegt. Dieses Gerät hingegen verhält sich vorhersehbar.“
Das Geheimnis liegt im kinematischen Modell, das die Befehle des Chirurgen in koordinierte Kabelbewegungen umsetzt. Ein Algorithmus kompensiert die systembedingte Flexibilität und stellt sicher, dass die Düse immer an der richtigen Stelle landet.
Tests an anatomischen Modellen, die für die chirurgische Ausbildung verwendet werden, haben gezeigt, dass das Gerät dazu in der Lage ist. Durch Verletzungen entstandene Hohlräume können rekonstruiert, Teildefekte aufgefüllt und sogar eine vollständig fehlende Stimmlippe wiederhergestellt werden.Die Positioniergenauigkeit liegt im Bereich eines Zehntelmillimeters. Nicht schlecht für einen handgesteuerten Roboter, der in einem Raum von der Breite einer Münze arbeitet.
Vom Operationssaal zum menschlichen Körper
Das MIISB ist derzeit ein präklinischer Prototyp. Es funktioniert, weist aber noch Einschränkungen auf, die es zu überwinden gilt. Die Steifigkeit des Kopfes ist so kalibriert, dass sie sicher ist (lieber zu weich als zu hart), was jedoch Vibrationen während der Gel-Extrusion verstärkt. Eine feinere Steuerung ist erforderlichHinzu kommt die Variabilität zwischen den verschiedenen Produktionsstätten: Jeder Druckkopf weist leicht unterschiedliche Eigenschaften auf, was die Standardisierung erschwert.
Der nächste Schritt, erklärt er. Luc Mongeau Der Forschungskoordinator, Dr. A.S., testet die Hydrogele an Tieren, um zu überprüfen, ob die Reparatur in lebendem Gewebe tatsächlich funktioniert. Bei positiven Ergebnissen folgen klinische Studien am Menschen. „Wir arbeiten daran, dieses Gerät in die Klinik zu bringen“, sagte er. Das Team entwickelt außerdem eine teilautonome Version, die manuelle Steuerung und autonomes Fahren kombiniert.
Ähnliche Geräte existieren bereits für andere Organe. Forscher haben sie entwickelt. Ultraschall-Biodrucker zur Herstellung von Hydrogelen im Dickdarm und in der Leber, aber diese sind zu groß für den Rachen.
Die Miniaturisierung des MIISB eröffnet die Möglichkeit für Eingriffe an noch empfindlicheren Geweben. Ibrahim Ozbolat, Experte für Bioprinting bei Penn State University, kommentierte: „Es ist das erste Mal, dass ich einen Bioprinter zur Anwendung auf Stimmbänder gesehen habe.“
Jenseits der Stimmbänder
Das im Gerät verwendete Hydrogel wurde von Mongeaus Arbeitsgruppe speziell für diese Art von Operation entwickelt. Es wird unter Druck dünnflüssiger und lässt sich daher optimal durch eine 1,2 Millimeter kleine Düse einbringen. Nach dem Auftragen behält es seine Form und unterstützt das Wachstum von neuem Gewebe. Das Material ist in der Fachliteratur noch nicht beschrieben, gehört aber zu einer Familie von… regenerative Techniken die die Phonochirurgie verändern.
Die eigentliche Frage ist, ob sich das Konzept auf andere Gewebe übertragen lässt. Ein durch Nase oder Mund eingeführter Bioprinter könnte Schäden an Rachen, Kehlkopf und Luftröhre reparieren. Mit den richtigen Düsen und geeigneten Biotinten ließen sich nicht nur Gele, sondern auch lebende Zellen einbringen. Der Weg zu in situ gedruckten Organen ist zwar noch lang, doch dieses Gerät zeigt, dass extreme Miniaturisierung in Zukunft weit verbreitet sein wird.
Il medizinischer Bioprinting-Sektor Der Markt wächst jährlich um 13,9 % und wird voraussichtlich bis 2033 ein Volumen von über 4,7 Milliarden US-Dollar erreichen. Medizinproduktehersteller halten bereits 47 % des Marktes. Tools wie MIISB könnten dieses Wachstum weiter beschleunigen und den Bioprinting-Prozess von den Laboren in die Operationssäle verlagern.
Der kleinste Bioprinter der Welt wartet derzeit darauf, sein Potenzial an lebendem Gewebe unter Beweis zu stellen. Sollte er funktionieren, könnten Tausende von Menschen nach einer Stimmbandoperation wieder normal sprechen können. Und vielleicht wird eines Tages jemand dasselbe Prinzip nutzen, um andere Organe von innen heraus zu reparieren – ohne Narbenbildung, ohne Abstoßungsreaktionen, ohne auf einen Spender warten zu müssen.
Einfach ein Drucker, der kommt, seine Arbeit erledigt und wieder geht. Zurück bleibt neuer Stoff anstelle des alten.
