DE102007016852A1 - Verfahren zur Herstellung einer kristalline Cellulose umfassenden Struktur - Google Patents

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung einer kristalline Cellulose (10) umfassenden Struktur werden Cellulose (10) bildende Organismen wenigstens teilweise in einer Hohlform (5) kultiviert. Die Herstellung der Hohlform (5) erfolgt mittels eines 3-D-Druckers (1), der wenigstens einen Teil (2a, 2b) der Hohlform (5) schichtweise aus einem Modelliermaterial aufbaut.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer kristalline Cellulose umfassenden Struktur gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Struktur, ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlform gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12 und eine Hohlform. Außerdem betriff die Erfindung Verwendungen eines 3D-Druckers.
  • Stand der Technik
  • Strukturen aus kristalliner Cellulose können in zahlreichen Anwendungen nützlich sein, zum Beispiel als Stützstruktur zum Züchten lebender Zellen in vitro („Tissue Engineering") aus Zellen, die einem Organismus entnommen worden sind, um die gezüchteten Zellen dem selben Organismus zu implantieren und so eine Gewebefunktion zu erhalten oder wiederherzustellen. Bei den Geweben handelt es sich vorzugsweise um Weichgewebe, z. B. Haut-, Muskel- oder Fettgewebe, im Gegensatz zu Hart- oder Knochengewebe.
  • Ein lebendes Gewebe besteht in der Regel aus einer Vielzahl spezialisierter Zellen, die sich gegenseitig mit Hilfe von Signalmolekülen beeinflussen, und es wird vermutet, dass Zellen sich innerhalb von Konzentrationsgefällen kleinmolekularer Stoffe orientieren und in einer bestimmten Weise verhalten können. Man spricht hier auch von „positioneller Information". Zwischen den Zellen eines Gewebes gibt es Stützstrukturen, extrazelluläre Matrix genannt, die aus von den Zellen abgegebenen Makromolekülen bestehen und die die Zellen in ihrer jeweiligen Position stabilisieren. Wird die extrazelluläre Matrix zerstört und werden die Zellen durchmischt, sind normale, differenzierte Körperzellen nicht mehr in der Lage, sich neu zu organisieren und die verlorenen Strukturen wieder aufzubauen. Man hat jedoch festgestellt, dass diese Zellen ihre normale Funktion wieder aufnehmen können, wenn sie in ihren ursprünglichen, räumlichen Zusammenhang mit den entsprechenden Nachbarzellen gebracht werden.
  • Ein bekannter Lösungsansatz versucht, die extrazelluläre Matrix nachzubilden, indem Zellen innerhalb spezieller Stützstrukturen, auch Scaffolds genannt, „dreidimensional" kultiviert werden. Scaffolds sind zumeist schaumartige, poröse Gebilde mit einer großen inneren Oberfläche. Die internationale Offenlegungsschrift WO 2006/096791 offenbart die Verwendung zahlreicher gegenwärtig verfügbarer resorbierbarer und nicht-resorbierbarer synthetischer Polymere, um daraus so genannte Nanofilamente zu erzeugen, aus denen ein geschichtetes Scaffold aufgebaut werden soll. In der anhängigen deutschen Patentanmeldung 10 2007 006 843 werden Stützstrukturen aus kristalliner Cellulose beschrieben, die besiedelbare Hohlräume z. B. in Gestalt Blutgefäß-ähnlicher sich verzweigender Röhrensysteme enthalten. Zu Herstellung dieser Stützstrukturen wird ein Verfahren beschrieben, bei dem eine Hohlform mit Cellulose-bildenden Bakterien des Stamms Acetobacter xylinum besiedelt wird. Das Röhrensystem wird dabei mit Hilfe gewundener, parallel übereinander und/oder nebeneinander angeordneter Wachsdrähte, beispielsweise aus Sommerwachs, als Platzhalter geschaffen. Nachdem die Form mit Cellulose ausgefüllt worden ist, werden die Wachsdrähte durch Schmelzen entfernt.
  • Strukturen aus kristalliner Cellulose können sich auch als Implantate für Säugetiere eignen. Die Internationale Offenlegungsschrift WO 2006/61026 A1 etwa offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers aus mikrokristalliner Cellulose bakteriellen Ursprungs, der ohne nachteilige Wirkung wie Fremdkörperreaktionen oder Thrombenbildung in die Halsschlagader einer Ratte implantierbar sein soll. Die anhängige deutsche Patentanmeldung 10 2007 006 844 , beschreibt die Nachbildung von Venen als Hohlkörper aus mikrokristalliner Cellulose. Zur Herstellung wird eine Hohlform mit einem Formkern aus einer Kombinationen von dünnen Metallplatten mit gegossenen Wachskörper und manuell eingebrachten Aussparungen, welche gemeinsam einen Formkern bilden vorgeschlagen, wobei der Formkern von einer Formhülle umgeben ist. Die Hohlform wird mit Cellulose-bildenden Bakterien des Stamms Acetobacter xylinum besiedelt. Anschließend wird das Wachs durch Schmelzen entfernt und die dünne Metallplatte mechanisch herausgelöst.
  • Die hier beschriebenen Herstellungsverfahren für Hohlformen sind stark durch manuelle Eingriffe geprägt. Zudem ist eine Anpassung für genau einen Körperteil äußerst aufwändig, da die Hohlformen häufig für diesen Fall erst modelliert werden müssen. Soweit der Formkern aus Wachs durch Schmelzen aufgelöst wird, ist jede Struktur ein Unikat und nur bedingt reproduzierbar. Insbesondere kann mit Verfahren des Standes der Technik kein oder nur ein bedingt komplizierter innerer Aufbau in einem Hohlgebilde hergestellt werden.
  • Außerdem ist aus der US-Offenlegungsschrift US 5,506,607 ein 3D-Durcker bekannt, der dreidimensionale Modelle Schicht für Schicht aus einem aushärtenden Modelliermaterial aufbaut. Die Schichten werden gebildet, indem kleine Tropfen des Modelliermaterials in flüssiger oder fließfähiger Konsistenz von einem oder mehreren Düsen auf eine Unterlage ausgestoßen werden, wobei die Düsen und die Unterlage zueinander in X, Y und Z-Richtung bewegbar sind. Die Unterlage und die Düsen werden von einem Computer so gesteuert, dass sie einzelne Schichten in der X-Y-Ebene herstellen. Außerdem werden die Düsen oder die Unterlage in Z-Richtung verschoben, damit die Düsen in Z-Richtung aufeinander folgende Schichten herstellen können. Neben dem Modelliermaterial, das das eigentliche Modell bildet, kann ein entfernbares Stützmaterial ausgestoßen werden, das sonst ungestützte Teile des Modells, z. B. den Querbalken eines H-förmigen Modells unterstützt.
  • Der Erfindung zugrundeliegendes Problem
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer kristalline Cellulose umfassenden Struktur und eine solche Struktur bereitzustellen. Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, eine neue Verwendung eines 3D-Druckers zur Herstellung einer kristalline Cellulose umfassenden Struktur bereitzustellen. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Hohlform, die Hohlform und die Verwendung eines 3D-Druckers zur Herstellung der Hohlform bereitzustellen.
  • Erfindungsgemäße Lösung
  • Zur Lösung der Aufgabe lehrt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer kristalline Cellulose umfassenden Struktur gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, einer Struktur mit den Merkmalen des Anspruchs 10, eine Verwendung eines 3D-Druckers zur Herstellung einer kristalline Cellulose umfassenden Struktur mit den Merkmalen des Anspruchs 11, ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlform mit den Merkmalen des Anspruchs 12, einer Hohlform mit den Merkmalen des Anspruchs 17 und eine Verwendung eines 3D-Druckers zur Herstellung einer Hohlform mit den Merkmalen des Anspruchs 18.
  • Die erfindungsgemäße Struktur kann z. B. als Implantat und/oder zum Kultivieren von lebenden Zellen, insbesondere Zellen von Säugetieren oder Menschen, vorteilhaft eingesetzt werden.
  • Es ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, dass die vorteilhaften Eigenschaften von 3D-Druckern zur Herstellung von Stützstrukturen genutzt werden. So ist ein erreichbarer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass manuelle Herstellungs- oder Bearbeitungsschritte der Hohlformen durch maschinelle Schritte ersetzt werden oder ganz entfallen.
  • Es ist ein erreichbarer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass durch die Verwendung einer Hohlform eine an einen bestimmten Zweck angepasste Struktur geplant oder natürlichen Vorbildern nachgebildet werden. Es ist ein weiterer erreichbarer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass durch die Verwendung eines 3D-Druckers erfindungsgemäße Strukturen und Hohlformen reproduzierbar hergestellt werden. Es kann ein weiterer Vorteil sein, dass sich mittels des 3D-Druckers auch erfindungsgemäßen Strukturen mit komplizierten Formen realisieren lassen.
  • Es ist ein erreichbarer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Struktur, dass es sich das Prinzip der „verlorenen Form" zu Nutze machen kann, d. h. eine Form schaffen oder einsetzen kann, die im Schritt des Entformens wenigstens teilweise ihre Gestalt verliert.
  • Aufbau und Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung
  • Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Es können nur einzelne Teile der Hohlform, vorzugsweise einer oder mehrere Formkerne, oder alle Teile der Hohlform mittels des 3D-Druckers hergestellt werden. Erfindungsgemäß umfasste 3D-Drucker sind dem Fachmann auch als „Rapid Prototyping Systeme" bekannt. Als 3D-Drucker kann ein üblicherweise in der Zahnmedizin verwendeter 3D-Drucker, wie er beispielsweise in dem US-Patent US 5,506,607 offenbart ist, nach entsprechender Anpassung eingesetzt werden. Der Inhalt der vorgenannten Schrift in Bezug auf den Aufbau und die Funktion dieses Druckers ist durch Verweis Teil der vorliegenden Offenbarung. Dies gilt insbesondere auch für die darin offenbarten einzelnen Ausgestaltungen der unten genannten bevorzugten Ausführungsformen des 3D-Druckers und seines Betriebsverfahrens.
  • Die Schichten werden vorzugsweise gebildet, indem kleine Tropfen des Modelliermaterials in flüssiger oder fließfähiger Konsistenz von einem oder mehreren Düsen auf eine Unterlage oder eine vorherige Schicht ausgestoßen werden. Die Unterlage kann auch ein Teil der Hohlform sein. Er wird dann vorzugsweise zu Beginn des Druckvorgangs in den Drucker eingelegt. Vorzugsweise ist ein solcher Teil der Form kann aus dem Modelliermaterial oder einem anderen Materials bestehen. Die Düsen und die Unterlage sind zueinander vorzugsweise in X, Y und Z-Richtung bewegbar, besonders vorzugsweise gesteuert mittels einer Datenverarbeitungsanlage. Dabei können die Unterlage und die Düsen vorzugsweise so gesteuert werden, dass sie die Schichten in der X-Y-Ebene herstellen. Außerdem können die Düsen oder die Unterlage vorzugsweise in Z-Richtung verschoben werden, damit die Düsen die folgende Schicht herstellen können.
  • In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird außerdem schichtweise mindestens eine Stütze aus einem, vorzugsweise entfernbaren, Stützmaterial aufgebaut, um ungestützte Bereiche der (Teil-)Form, z. B. den Querbalken einer H-förmigen Form, zu unterstützen. Das Stützmaterial wird vorzugsweise entfernt, nachdem die (Teil-)Form durch den 3D-Drucker fertiggestellt worden ist, z. B. durch Auflösen in einem Lösungsmittel oder durch Schmelzen, sodass die zurückbleibende (Teil-)Form zum Kultivieren der Cellulose verwendet werden kann.
  • Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in jeder Schicht zunächst eine oder mehrere Außenkonturen und gegebenenfalls eine oder mehrere Innenkonturen der (Teil-)Form ausgebildet, indem nacheinander ausgestoßene Tropen des Modelliermaterials aneinandergereiht werden. Ein Tropfen ist vorzugsweise noch wenigstens teilweise geschmolzen, wenn er auf einen benachbarten Tropfen trifft, sodass die Tropfen ineinanderfließen können. Ein von einer oder mehreren Konturen eingeschlossener Innenraum kann mit Modelliermaterial oder einem anderen Material gefüllt werden. Es ist auch denkbar, dass in einem solchen Innenraum gitterartige Stützstrukturen ausgebildet sind. Bei einem bevorzugten Verfahren überlappt ein ausgestoßener Tropfen sich mit einem bereits zuvor ausgestoßenen benachbarten Tropfen in derselben Schicht wenigstens teilweise. Es kann auch vorteilhaft sein, Wände aus einer Doppelschicht aneinandergereihter Tropfen auszubilden. Diese Maßnahmen können dazu beitragen, die Oberflächenqualität der (Teil-)Form zu verbessern.
  • In einer denkbaren Ausführung der Erfindung werden wenigstens teilweise geschmolzene Tropfen des Modelliermaterials in eine Pulverschicht, vorzugsweise ebenfalls aus Modelliermaterial, ausgestoßen, sodass Pulverpartikel aneinandergefügt werden um die (Teil)-Form zu bilden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, umfasst die Hohlform mindestens einen Formkern. Dieser Formkern kann beispielsweise den Hohlraum eines Gefäßsystems, durch das Blut im Körper eines Organismus fließt, nachbilden. Die Hohlform kann andererseits auch nur eine Formhülle umfassen. Bevorzugt umfasst die Hohlform eine Formhülle, die beispielsweise die äußere Begrenzung einer Vene oder Arterie nachbildet, und einen Formkern. So kann mit Hilfe von Formkern und Formhülle ein Gefäßsystem nachgebildet werden.
  • In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können Teile der Hohlform, insbesondere einer oder mehrere der Formkerne, irreversibel verformt werden, um die Hohlform nach dem Kultivieren der Cellulose bildenden Bakterien zu entformen. Vorzugsweise umfasst der Schritt des Entformens ein wenigstens teilweises Schmelzen des Formkerns. Der Formkern wird beim Entformen der Hohlform vorzugsweise im Wesentlichen entfernt, besonders vorzugsweise quantitativ, d. h. rückstandslos.
  • Der Schmelzpunkt des Modelliermaterials liegt vorzugsweise bei über 28°C, besonders vorzugsweise bei oder über 30°C, besonders vorzugsweise bei oder über 60°C. Es ist ein erreichbarer Vorteil dieser Ausführung der Erfindung, dass der mit dem 3D-Drucker hergestellte Teils der Form während des Kultivierens der Cellulose stabil bleibt. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung liegt der Schmelzpunkt des Modelliermaterials zwischen 95 und 110°C. Es ist ein erreichbarer Vorteil dieser Ausführung der Erfindung, dass die Cellulose-Stützstruktur beim Schmelzen des mit dem 3D-Drucker hergestellten Teils der Form nicht beschädigt wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Modelliermaterial hydrophob. Es ist ein Aspekt dieser Ausführung der Erfindung, dass ausgenutzt wird, dass ein hydrophobes Material von der hydrophilen Oberfläche des Cellulosekörpers abgestoßen wird. Es ist ein erreichbarer Vorteil dieser Ausführung der Erfindung, dass das Modelliermaterial beim Entformen im Wesentlichen quantitativ entfernt werden kann.
  • Als Modelliermaterial kann insbesondere thermoplastisches Wachs- oder Polymermaterial eingesetzt werden. In einer besonderen Ausgestaltung wird ein Modelliermaterial eingesetzt, die durch den 3D-Drucker als formbildendes Material einsetzbar sind. Insbesondere können die Materialien, die in dem US-Patent US 5,506,607 in Spalte 9, Zeile 65 bis Spalte 10, Zeile 40 (Tabellen) aufgeführt sind, eingesetzt werden. Auch weitere Materialien, auf die durch die zuvor genannte Schrift verwiesen ist, sind erfindungsgemäß als Materialien zur Herstellung einer Hohlform mittels eines 3D-Druckers umfasst. Es ist auch denkbar, Polyvinylalkohol (PVA) oder das aus der Dental-Technik bekannte sogenannte „Sommerwachs" als Modelliermaterial einzusetzen. Ein bevorzugtes Modelliermaterial ist InduraCast, erhältlich von Solidscape Inc., Marimack, New Hampshire (NH), USA.
  • Wenn bei der Herstellung der (Teil-)Form neben dem Modelliermaterial ein Stützmaterial eingesetzt wird, so ist das Modelliermaterial vorzugsweise eines der in dem US-Patent US 5,506,607 als „modelling compound (MC)" vorgeschlagenen Materialien, und das Stützmaterial eines der in diesem Patent vorgeschlagenen „support materials (SM)". Ein bevorzugtes Modelliermaterial ist InduraCast InduraFill, erhältlich von Solidscape Inc., Marimack, New Hampshire (NH), USA. Der Schmelzpunkt des Stützmaterials liegt vorzugsweise unter 110°C, besonders vorzugsweise unter 100°C, besonders vorzugsweise unter 80°C. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung liegt der Schmelzpunkt des Modelliermaterials zwischen 49 und 70°C. Es ist ein erreichbarer Vorteil dieser Ausführung der Erfindung, dass das Stützmaterial durch Schmelzen nach Fertigstellen der (Teil-Form) von dem Modelliermaterial entfernt werden kann.
  • In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Hohlform unterschiedliche Materialien. So können Materialkombinationen aus den vorgenannten Materialien und/oder Metall und/oder Glas und/oder Teflon und/oder Keramiken erfindungsgemäß verwendet werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird in die Hohlform mittels des 3D-Druckers bei dem schichtweisen Aufbau der Hohlform eine Nährflüssigkeit zum Kultivieren von biologischen Organismen eingebracht. Insbesondere wird das Nährmedium eingebracht, welches zum Kultivieren der Cellulose bildenden Organismen eingesetzt wird. Dies kann sich insbesondere dann vorteilhaft auswirken, wenn bestimmte Bereiche der Hohlform schwer zugänglich sind.
  • Die bevorzugte Struktur weist mindestens eine Hinterschneidung auf derart, dass sie aus der Hohlform nicht entnommen werden kann, ohne wenigstens einen Teil der Form zu verformen. Vorzugsweise weist die Struktur in ihrem Inneren mindestens einen Hohlraum auf, der durch einen Formkern der Form als Platzhalter ausgebildet wird. Der Formkern ist vorzugsweise mittels des 3D-Druckers hergestellt. Der Hohlraum kann so ausgebildet sein, dass er außen nur durch Passieren einer Engstelle zugänglich ist, deren Querschnitt kleiner ist als der Querschnitt des Hohlraums.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Innenraum der Hohlform im Wesentlichen die Gestalt eines langgestreckten Hohlkörpers auf, z. B. um mittels der Hohlform als erfindungsgemäße Struktur ein Gefäß nachzubilden, durch dessen Lumen ein Medium, vorzugsweise ein flüssiges Medium, besonders bevorzugt Blut oder andere Körperflüssigkeiten geleitet werden können. Der Formkern, der als Platzhalter für das Lumen dient, hat vorzugsweise einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt. Vorzugsweise umfasst der Formkern Einkerbungen, um Ausbuchtungen, besonders vorzugsweise ähnlich natürlicher Venenklappen, mittels der Hohlform am langgestreckten Hohlkörper auszubilden, so dass die Strömung eines Mediums, das durch den langgestreckten Hohlkörpers geleitet wird, in eine Sperrrichtung stärker abgebremst wird als in eine der Sperrrichtung entgegengesetzten Richtung.
  • Bevorzugte mit der erfindungsgemäßen Form hergestellte Strukturen weisen Hohlräume auf, die sich zur Besiedlung mit lebenden Zellen eignen. Diese Hohlräume werden vorzugsweise durch Formkerne gebildet, die mit dem 3D-Drucker hergestellt worden sind. Bei einem bevorzugten Herstellungsverfahren weist der Formkern mindestens einen sich an mindestens einer Stelle verzweigenden Strang auf. Besonders vorzugsweise laufen wenigstens einige der Zweige an anderer Stelle wieder zusammen, um ein System sich verzweigender und wieder zusammenlaufender Röhren, z. B. ähnlich einem Blutgefäßsystem, zu schaffen. Vorzugsweise weist der mit der erfindungsgemäßen Hohlform gebildete Hohlkörper wenigstens zwei Öffnungen auf, durch die der verformte, vorzugsweise geschmolzene, Formkern oder seine Rückstände das Innere des Hohlkörpers verlassen können.
  • In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung dienen bildgebende Verfahren zur Planung der Hohlform, vorzugsweise des Teils, der mittels des 3D-Druckers hergestellt wird, vorzugsweise des Formkerns. Besonders bevorzugt sind tomographische Verfahren, insbesondere Röntgentomographie und/oder Positronenemissionstomographie und/oder Kernspintomographie. Dadurch kann eine an einen Patienten angepasste Hohlform, z. B. für ein zu ersetzendes Körperteil, insbesondere ein Blutgefäßsystem oder ein Venenklappensystem, geschaffen werden. Insbesondere ist es denkbar, Organe oder Teile von Organen des Patienten, z. B. Abschnitte von Blutgefäßen, mit bildgebenden Verfahren zu erfassen und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nachzubilden. Die mit den bildgebenden Verfahren ermittelten Daten werden in für den 3D-Drucker lesbare Daten, insbesondere CAD-Daten, umgewandelt und gegebenenfalls modifiziert. Diese 3D-Drucker lesbaren Daten dienen anschließend dem schichtweisen Aufbau und der Nachbildung der Patientendaten.
  • Vorzugsweise besteht die Stützstruktur im Wesentlichen aus Wasser und kristalliner Cellulose, besonders vorzugsweise mikrokristalliner Cellulose, wie sie von dem Bakterium Acetobacer xylinum gebildet wird. Dieses Material enthält weniger als 10 Prozent kristalline Cellulose und das Wasser ist teilweise und unterschiedlich stark an die mikrokristalline Cellulose gebunden. Kristalline Cellulose hat sich in Experimenten als besonders gewebefreundlich erwiesen. Die Cellulose bildenden Organismen sind vorzugsweise Bakterien, besonders vorzugsweise Bakterien des Stamms Acetobacter xylinum. Es ist denkbar, dass auch andere Cellulose bildende Mikroorganismen eingesetzt werden, wie z. B. geeignete Stämme von Agrobacterium, Rhizobium, Sarcina, Pseudomonas, Achromobacter, Aerobacter und Zooglea. Da die Gene der Cellulose synthetisierenden Enzymkomplexe von Acetobacter xylinum bekannt sind, könnten diese auch in andere Mikroorganismen, wie z. B. Escherichia coli durch die Anwendung bekannter molekularbiologischer Verfahren eingebracht werden, wodurch auch diese Organismen Cellulose synthetisieren könnten.
  • Für die Kultivierung von Acetobacter xylinum sind unterschiedliche Nährmedien beschrieben. Ein geeignetes, häufig verwendetes Medium ist das in Biochemical Journal 58 von 1954, S. 345–352 beschriebene Medium von Schramm und Hestrin. Der gesamte diesbezügliche Inhalt des vorgenannten Artikels ist durch Verweis Teil der vorliegenden Offenbarung. Ein Nachteil dieses Mediums kann darin bestehen, dass es nicht genau definiert ist, da es Hefeextrakt und Pepton enthält.
  • Für die Ausführung der vorliegenden Erfindung wird ein vollsynthetisches Medium bevorzugt, wie z. B. von Forng et al. in Applied and Environmental Microbiology von 1989, Bd. 55, Nr. 5, S. 1317–1319 beschrieben. Der gesamte diesbezügliche Inhalt des vorgenannten Artikels ist durch Verweis Teil der vorliegenden Offenbarung. Ein Nachteil dieses Mediums kann in dem etwas langsameren Wachstum der Bakterien bestehen.
  • Es ist auch denkbar, den sogenannten Kombucha-Teepilz zur Ausführung der Erfindung zu verwenden. Diese Kultur enthält neben Acetobacter xylinum zahlreiche andere in Symbiose lebende Organismen, wie Hefen und Bakterien, und lässt sich durch ein Medium, bestehend lediglich aus Schwarztee und Saccharose (100 g/l) unterhalten.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Figuren und Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1: Eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß verwendeten 3D-Druckers;
  • 2: Eine schematische perspektivische Darstellung einer Hohlform mit Formhülle und Formkern zur Durchführung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens der Struktur;
  • 3: Eine schematische Querschnittsdarstellung der Hohlform aus 2 mit einem noch nicht fertig gewachsenen langgestreckten Hohlkörper und Angabe der Wachstumsrichtung;
  • 4: Eine schematische perspektivische Darstellung eines Formkerns für einen erfindungsgemäßen langgestreckten Cellulosehohlkörper mit Ausbuchtungen an seiner Innenwand;
  • 5: Eine schematische Darstellung einer Ausführung der erfindungsgemäßen Struktur als Hohlkörper, der die Funktion einer Venenklappe nachbildet.
  • 6: Eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführung einer erfindungsgemäßen Struktur als Stützstruktur zum Kultivieren lebender Zellen.
  • 7: Eine schematische Querschnittsdarstellung eines Aufbaus durch Durchführung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
  • Beschreibung anhand von Ausführungsbeispielen
  • 1 zeigt einen aus dem Stand der Technik in der Zahnmedizin verwendeten 3D-Drucker 1. Der Drucker 1 entspricht in Aufbau und Funktionsweise im Wesentlichen dem in US 5,506,607 offenbarten 3D-Drucker. Teile 2a, 2b, der Hohlform werden damit schichtweise hergestellt, indem Tropfen eines Modelliermaterials und eines Stützmaterials auf der Unterlage 4 oder der vorherigen Schicht aneinandergereiht werden. Um das Material aufzutragen, wird dieses vor dem Auftragen erhitzt und härtet nach dem Auftragen aus. Nachdem in einer Ebene sämtliches Material aufgetragen wurde, wird in der nächsthöheren Ebene wiederum Material aufgetragen. Ist auch dieser Schritt abgeschlossen, erfolgt die gleiche Prozedur mit der darüber liegenden Ebene. So entsteht mit der Zeit ein dreidimensionales Gebilde. Als Modelliermaterial wurde InduraCast (Solidscape Inc., Marimack, NH, USA) und als Stützmaterial InduraFill (Solidscape Inc., Marimack, NH, USA) verwendet. Nachdem alle Schichten aufgetragen worden sind, wird die Hohlform entnommen und das Stützmaterial wird durch Schmelzen gemäß der Herstellerangaben entfernt, sodass nur noch die Hohlform aus Modelliermaterial verbleibt.
  • 2 und 3 zeigen eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens entstandene Hohlform 5. Die Halbschalen 6 und 7, die die Formhülle bilden, sind aus Glas, die Abstandhalter 8 und 9 aus Teflon, und der zylindrische Formkern 2a wurde mittels des 3D Druckers 1 hergestellt. In 3 ist dargestellt, wie die Hohlform 5 durch die Cellulose bildenden Bakterien mit Cellulose 10 ausgefüllt wird. Durch die untere Öffnung 11 wächst in den Innenraum kristalline Cellulose 10 senkrecht zur Längsachse des Innenraums von einer Längsseite 12 zu der anderen Längsseite 13 (durch die Pfeile 14 und 15 dargestellt). Gleichzeitig kann über eine zweite Öffnung 16 ein Luftaustausch mit der Umgebung der Hohlform 5 stattfinden, insbesondere um die Bakterien mit Sauerstoff zu versorgen. Durch die Öffnung 11 kann die Cellulose von außen die nötigen Nährstoffe aus dem Wachstumsmedium zu den Organismen im Inneren der Hohlform 5 transportieren. Ist die Cellulose 10 an der oberen Öffnung 16 angelangt, kann der Entformungsvorgang durchgeführt werden. Dazu werden die Halbschalen 6 und 7 abgenommen und der Formkern 2a geschmolzen. Danach bleibt im Wesentlichen die gewachsene Celluloseform als Hohlkörper übrig. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass in diesem Fall nur der Bereich innerhalb der beiden Abstandshalter 8 und 9 verwendbar ist, d. h. dass der Gesamthohlkörper gestutzt werden muss. Der entstandene Hohlkörper kann beispielsweise als Ersatz für ein Blutgefäß verwendet werden.
  • 4 zeigt einen anderen Formkern 2b, der ebenfalls mit der in 2 und 3 dargestellten Formhülle verwendet wird. Der Formkern 2b besteht im Wesentlichen aus einem mit dem 3D-Drucker 1 hergestellten Zylinder 17, der mit Paaren von Schlitzen 18 versehen ist, welche in der Mitte des Formkerns 2b pfeilförmig zusammenlaufen. Zur Stabilisierung des Formkerns 2b ist in der Mittelebene ein Federstahlblatt 19 in den Formkern 2b eingeschlossen. Die Schlitze 18, 19 reichen über die gesamte Breite des Zylinders 17 bis zum Federstahlblatt 19. Bei der Herstellung des Formkerns 2b werden die Zylinderhalbschalen von dem 3D-Drucker schichtweise auf das Stahlblatt 11 aufgebracht.
  • Der Formkern 2a wird mit der Formhülle im Zwischenraum von Formhülle und Formkern 2a wie oben beschrieben mit Cellulose 10 ausgefüllt und die Form anschließend entfernt. Der entstandene Hohlkörper 20 ist in 5 dargestellt. Dieser Hohlkörper 20 kann die Funktion von Venenklappen nachbilden. Fließt ein Medium entgegen der Durchlassrichtung 21 durch den Hohlkörper 20, können sich die Klappennachbildungen 22, 23, die durch die Schlitze 18, 19 geschaffen wurden, an dem Spalt 24, der durch das Blatt 19 geschaffen wurde, öffnen und das Medium fließen lassen. Fließt das Medium in Sperrrichtung, werden die Klappennachbildungen 22, 23 aneinander gepresst, und das Fließen des Mediums wird im Wesentlichen unterbunden.
  • 6 zeigt ein Beispiel einer Stützstruktur 3, die mittels eines mit dem 3D-Drucker hergestellten Formkerns in Gestalt eines Netzwerks sich verzweigender und wieder zusammenlaufender Stränge geschaffen wurde. Nachdem die Cellulose eine Hohlform mit dem Wachsdrahtgeflecht als Formkern vollständig ausgefüllt hat, wird die Stützstruktur 3 entnommen und auf 110°C erhitzt, um den Formkern zu schmelzen. Das Modelliermaterial kann so im Wesentlichen vollständig aus der Stützstruktur 3 entfernt werde. Zurück bleibt ein Hohlraum 25 aus sich verzweigenden und wieder zusammenlaufenden Röhren, ähnlich einem Blutgefäßsystem. Der Hohlraum 25 ist an zwei Stellen durch eine Öffnung mit der Außenseite der Stützstruktur verbunden. Die Stellen, an denen der Hohlraum 25 sich verzweigt, und die Stellen, an denen die Zweige wieder zusammenlaufen, sind zwischen den beiden Stellen 26, 27 angeordnet, an denen der Hohlraum 25 durch Öffnungen mit der Außenseite der Stützstruktur 3 verbunden ist.
  • In 7 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für eine Stützstruktur 2a, 2b dargestellt. Ein steriles Gefäß 28 wird mit einer sterilen Nährlösung 29, bestehend aus 20 g Glucose, 5 g Hefeextrakt, 5 g Bactopepton, 2,7 g Natriumphosphat und 1,15 g Citronensäure-Monohydrat, pH 6,0, gefüllt, und mit einer 3 Tage alten Vorkultur aus Acetobacter xylinum (z. B. Gluconacetobacter xylinum, DSM-No. 2325, DSZM Braunschweig) angeimpft. Wenn sich nach ca. 7 Tagen eine etwa 3 mm dicke Schicht 30 aus Cellulose auf der Flüssigkeitsoberfläche gebildet hat, wird diese durch ein Netz 31 aus Teflon (ePTFE expandiertes Polytetrafluorethylen, z. B. Zahnseide GLIDE, W. L. Gore and Associates Inc.) unterstützt, das in einem von Stützen 32 aus Glas getragenen Glasrahmen 33 aufgespannt ist. Die Hohlform 5 wird auf die mit dem Netz 31 unterstützte Celluloseoberfläche gelegt und bei 28°C in einem Brutschrank kultiviert.
  • Die Besiedelung der Hohlform 5 durch die Bakterien und ihr Ausfüllen mit Cellulose dauert in der Regel 2 bis 3 Wochen. In dieser Zeit ist darauf zu achten, dass verbrauchtes bzw. verdunstetes Medium 29 gegebenenfalls ersetzt wird. Wenn die Hohlform 5 vollständig mit Cellulose 10 ausgefüllt ist, wird die Struktur 2a, 2b, 3 entnommen und anschließend auf ca. 110°C erhitzt, so dass der Formkern 2a, 2b schmelzen und Hohlräume 25 in der Struktur 2a, 2b hinterlassen. Das Erhitzen dient gleichzeitig dem Sterilisieren der Struktur.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (18)

  1. Verfahren zur Herstellung einer kristalline Cellulose (10) umfassenden Struktur, wobei Cellulose (10) bildende Organismen wenigstens teilweise in einer Hohlform (5) kultiviert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Hohlform (5) mittels eines 3D-Druckers (1), der wenigstens einen Teil (2a, 2b) der Hohlform (5) schichtweise aus einem Modelliermaterial aufbaut, erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlform (5) wenigstens teilweise irreversible verformt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlform (5) wenigstens einen Formkern (2a, 2b) umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlform (5) wenigstens eine Formhülle umfasst.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlform (5) sowohl wenigstens eine Formhülle als auch einen Formkern (2a, 2b) umfasst.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modelliermaterial wenigstens teilweise hydrophob ist.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modelliermaterial ein thermoplastisches Wachs- oder Polymermaterial umfasst.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der 3D-Drucker (1) beim schichtweisen Aufbau der Teils 82a, 2b) der Hohlform (5) außerdem schichtweise mindestens eine Stütze aus einem Stützmaterial aufbaut.
  9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nährflüssigkeit zum Kultivieren der Cellulose (10) bildenden Organismen mittels des 3D-Druckers (1) in die Hohlform (5) eingebracht wird.
  10. Struktur, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt wird.
  11. Verwendung eines 3D-Druckers (1), der wenigstens einen Teil der Hohlform (5) schichtweise aus einem Modelliermaterial aufbaut, zur Herstellung einer kristalline Cellulose (10) umfassenden Struktur, wobei Cellulose (10) bildende Organismen wenigstens teilweise in der Hohlform (5) kultiviert werden.
  12. Verfahren zur Herstellung einer Hohlform (5), die zum Kultivieren von Cellulose (10) bildenden Organismen verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlform (5) mittels eines 3D-Druckers (1), der wenigstens einen Teil der Hohlform (5) schichtweise aus einem Modelliermaterial aufbaut, hergestellt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der 3D-Drucker (1) ein Formkern (2a, 2b) der Hohlform (5) schichtweise aus dem Modelliermaterial aufbaut.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkern (2a, 2b) sich verzweigende und an anderer Stelle wieder zusammenlaufende Stränge umfasst.
  15. Verfahren nach Anspruch 12 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass zur wenigsten teilweisen Bestimmung der Hohlform (5) bildgebende Verfahren dienen.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass als bildgebende Verfahren tomographische Verfahren, insbesondere Röntgentomographie und/oder Positronenemissionstomographie und/oder Kernspintomographie dienen.
  17. Hohlform (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlform (5) gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16 hergestellt wird.
  18. Verwendung eines 3D-Druckers (1), der wenigstens einen Teil einer Hohlform (5) schichtweise aus einem Modelliermaterial aufbaut, zur Herstellung einer Hohlform (5), welche zum Kultivieren von Cellulose (10) bildenden Organismen verwendet wird.
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