Entwicklung eines schwerkraftunabhängigen Biofabrikations-Ansatzes zur Anwendung in der niedrigen Erdumlaufbahn
Da sich die Erforschung des Weltraums immer weiter von der Erde entfernt, muss die medizinische Versorgung der Besatzung und der Betrieb lebenserhaltender Systeme unabhängiger von der Erde werden. Dahingehend großes Potential zeigt das 3D-Bioprinting, eine sich rasch entwickelnde, auf additiver Fertigung basierende Tissue-Engineering-Technologie, welche für die regenerative Medizin zunehmend an Bedeutung gewinnt. Es ermöglicht die Herstellung patientenspezifischer Gewebekonstrukte und könnte dazu beitragen, dass die Besatzung einer Weltraummission bei der Behandlung von Verletzungen, wie zum Beispiel Brandwunden oder Hautverletzungen, unabhängig wird. Darüber hinaus kann diese äußerst vielseitige Technologie auch für nichtmedizinische Anwendungen wie die Schaffung von Lebenserhaltungssystemen, die Produktion von Nahrungsmitteln oder zur Arzneimittelsynthese genutzt werden, beispielsweise durch das Biodrucken von Mikroalgen oder Pflanzenzellen.
Das überwiegend eingesetzte 3D-Bioprinting-Verfahren ist die Extrusion von Hydrogel-Strängen, die schichtweise abgelegt werden, um eine spezifische dreidimensionale Geometrie zu erzeugen. Die Schwerkraft unterstützt im Prozess einerseits die Platzierung der Stränge aufeinander, stellt aber andererseits eine Einschränkung in Bezug auf die Formtreue oder die von technischer Seite her realisierbaren Proben-Designs dar. Bevor diese Technologie im Weltraum eingesetzt werden kann, muss daher geklärt werden, welche Anpassungen notwendig sind, um unter Schwerelosigkeit eine vergleichbare Druckqualität wie auf der Erde zu erreichen. Darüber hinaus kann ein Parabelflug helfen, die Frage zu beantworten, ob die Aufhebung der Schwerkraft zu verbesserten Druckansätzen führen kann – sowohl im Hinblick auf mögliche Geometrien als auch auf verwendbare Druckmaterialien. Basierend auf den so erlangten Erkenntnissen sollen in dieser Kampagne Hautmodelle, welche lebende menschliche Hautzellen (Fibroblasten) enthalten, in Schwerelosigkeit gedruckt und anschließend im Labor weiter kultiviert werden.
In einem zweiten Teil der Experimente wird in Kooperation mit der ETH Zürich eine weitere 3D-Drucktechnologie auf ihre Eignung unter Schwerelosigkeit untersucht werden. Mit dem sogenannten Flight-Drucker können durch den Einsatz von Licht Hydrogele sehr schnell vernetzt und hierdurch hochausgerichtete Mikrofilament-Strukturen erzeugt werden, welche auch Zellen (zum Beispiel Muskelzellen) beinhalten können.
Die gewonnenen Erkenntnisse dieser Parabelflug-Mission sollen helfen, den Einfluss von Schwerelosigkeit auf den Druckprozess des 3D-Bioprintings besser zu verstehen und Chancen sowie Limitationen des Mikrogravitations-Biodrucks auszutesten. Dies dient der Vorbereitung von Experimenten an Bord der Internationalen Raumstation ISS, auf der bis Ende 2026 zu Forschungszwecken ein zur Flugkampagne fast baugleicher 3D-Biodrucker durch die ESA etabliert werden soll. Durch unterschiedliche während der Flüge zum Einsatz kommende Vorbereitungsprotokolle für die eingesetzten Biotinten soll die Kampagne außerdem dabei helfen, verschiedene Szenarien für den Transport der (lebende Zellen enthaltenden) Biotinten zur ISS zu evaluieren und zu optimierten.