Motivation

Räumlich genaues Dispensieren und platzieren von einzelnen, biologischen Zellen ist entscheidend für Fortschritte in Biomedizintechnik, personalisierter Medizin und Biotechnologie, und ermöglicht auf Einzelzellbasis Anwendungen wie Wirkstoffscreening und künftigen den additiven Aufbau von künstlichen Organteilen. Beide Bereiche sind gesellschaftlich und wirtschaftlich hochrelevant.

Identifizierter Forschungsbedarf

Aktuelle Methoden des Einzelzell-Biodrucks stoßen auf Einschränkungen bei der Zellisolierung, der Zellablage-Geschwindigkeit, der Präzision und Auflösung und der Lebensfähigkeit des Endprodukts. Diese Herausforderungen behindern die effektive Anwendung und breite Akzeptanz von Einzelzelltechnologien den oben aufgezeigten Bereichen. Fünf Mindestanforderungen an die Einzelzell-Dispensierung für den Biodruck wurden aus den Defiziten der aktuellen Methoden abgeleitet und unter dem Akronym „ORCAS“ zusammengefasst.

Die Vorgeschlagene Lösung

Mit dem Ziel die fünf Mindestanforderungen erstmals gleichzeitig zu erfüllen, wird ein neues Zelldruck-Paradigma, genannt „TrapJet“, vorgeschlagen, das thermischen Tintenstrahldruckmethoden mit mikrofluidische Zellfallen kombiniert. Das TrapJet-Konzept zielt insbesondere darauf ab, die Einzelzell-Dispensierrate und -Auflösung zu steigern und dabei skalierbar und anpassbar für verschiedene Zelltypen und Anwendungen zu sein.

Ergebnisse

Bereits in der grundlegenden „Proof-of-Concept"-Konfiguration zeigte die TrapJet-Technologie eine signifikante Steigerung der Druckgeschwindigkeit gegenüber bestehenden Lösungen. Eine weitere Erhöhung der Druckrate ist über einfache Array-Skalierung möglich. Eine Auflösung und Platzierungspräzision die direkten Kontakt zwischen den einzeln dispensierten Zellen gewährleistet, wurde bestätigt. Die grundlegende Erfüllung aller fünf ORCAS-Kriterien wurde bestätigt. Das am 12. Juli 2023 eingerichtet Patent zum TrapJet-Konzept wurde erteilt, und im Oktober 2024 offengelegt.

Ausblick

Die weitere Optimierung und Leistungssteigerung wird TrapJet voraussichtlich zu einer industrietauglichen Lösung für den hochpräzise Biodruck auf Einzelzellbasis heranreifen lassen. Zusätzliche Anwendungen werden durch geringfügige Anpassung zugänglich. Herausforderungen hinsichtlich einer robusten Zellzufuhr, der Erhöhung der Fallen-Neubesetzungsrate, optische Erkennung und der Prozessautomatisierung werden systematisch bearbeitet. Um das volle Potenzial von TrapJet in den nächsten zehn Jahren auszuschöpfen, müssen zur Skalierung etablierte Methoden aus dem Tintenstrahldruck übernommen werden. Um Herausforderungen auf dem Weg zur Industriereife frühzeitige zu begegnen, wird die Integration in bestehende Hybrid-Bioprinter bereits erprobt.