Additive Fertigung in der Biotechnologie und Pharmaindustrie

Abstract

Die additive Fertigung (3D-Druck) wurde in den frühen 1980er Jahren entwickelt und gewann seitdem durch stetige Verbesserungen an Bedeutung. Gebiete wie die Biotechnologie, die Pharma- und die Chemieindustrie, wo besonders hohe Anforderungen an Materialien und Produkte gestellt werden, können daher erschlossen werden. Anlässlich dieses Trends wurde die vorliegende Dissertation erstellt, um Anwendungsbereiche und Entwicklungsfelder in den Bereichen Biotechnologie und Pharmaindustrie zu evaluieren, Möglichkeiten und Grenzen des 3D-Drucks aufzuzeigen und einen Beitrag zu den aktuellen Entwicklungen der additiven Fertigung in Form verschiedener Produktentwicklungen und korrespondierender Studien beizusteuern. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein additiv gefertigter und funktionaler Kolbendeckel präsentiert, welcher zur kontinuierlichen und minimal-invasiven Prozessführung von (Fed-)Batch Prozessen im Schüttelkolbenmaßstab dient. Nach Design und Fertigung wurde er erfolgreich in einer Anwendungsstudie getestet. Verschiedene additive Fertigungsmethoden sind zentraler Gegenstand der Studie und werden neben dem Fallbeispiel als Möglichkeit zur in-house Produktion von Verbrauchsmaterialien (Kamm für gelelektrophoretische Analysen) diskutiert. Der zweite Teil beschäftigt sich mit Testung und Charakterisierung von additiv verarbeiteten Biopolymeren zur Implantatentwicklung. Auf Grundlage von bildgebenden Verfahren wie MRT oder CT können die digitalen Blaupausen zur Erstellung der Implantate gewonnen werden und mittels 3D-Druck in hoher Auflösung und dem notwendigen Material gefertigt werden. Die vorliegende Arbeit betrachtet verschiedene resorbierbare Materialien hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit als Rohstoff für additiv gefertigte Implantate und evaluiert das Zellverhalten (Viabilität, Proliferation, Adhärenz, Differenzierung) verschiedener Zelltypen in Kontakt mit den Materialien. Darüber hinaus wird das Abbauverhalten der biodegradierbaren Materialien unter simulierten in-vivo Bedingungen beschrieben. Der dritte Teil der Arbeit widmet sich dem 3D-Bioprinting. Mit dieser Methode können individuell und präzise 3D-Zellstrukturen erstellt werden. Hier wurde eine neuartige Methode für extrusionsbasiertes Natriumalginat-3D-Bioprinting entwickelt, bei der der Gelationsprozess des Alginats mithilfe einer vernebelten CaCl2-Lösung induziert wird. Gegenüber bisherigen Methoden können die Inkubationsdauer und Konzentration des potentiell toxischen CaCl2 verringert werden. Über die in den einzelnen Kapiteln präsentierten Ergebnisse hinaus, zeigen die Arbeiten in Summe, welche Möglichkeiten verschiedene additive Fertigungsverfahren bieten und wie sie für biotechnologische Anwendungen genutzt werden können.

The additive manufacturing (3D printing) as a new tool for creating high quality products was established in the early 1980s and emerged to a relevant production strategy since then. Crucial improvements of both 3D printing methods and material development in the past decade allow its application in highly regulated areas in biotechnology and chemical industry. This thesis relies on this trend and aims to evaluate different fields of applications, possibilities and borders of 3D printing technology. In the first section, a functional and additively manufactured shake flask lid for continuous and minimal-invasive (fed-) batch processes in shake flask scale is presented. The design and manufacturing process are described and a proof-of-concept is given. Furthermore, the additive manufacturing strategies used are scope of this part - discussing their overall applicability for in-house labware production. The second part describes with the testing and the characterization of additively manufactured biopolymer structures for implant development. Implants are highly personalized objects and additive manufacturing strategies are an interesting and efficient way to realize fast production yielding both high quality and individual products. Based on high resolution imaging methods (MRT, CT) the needed 3D information about the objects dimensions are often available already and can serve as digital blueprints for the 3D printing of implants. This part evaluates different resorbable materials in sight of their applicability as commodity material for additively manufactured implants. The cell behavior of different cell types is assessed including cell viability, proliferation, adherence and differentiation when in contact with respective material. Furthermore, the in-vitro degradation properties of the materials were evaluated under in-vivo mimicking conditions. The third part addresses 3D-bioprinting. With this technique, 3D cell cluster can be designed and manufactured. By providing the cells with an adequate extracellular matrix, this approach enhances the validity of cell assays and improves their transferability to in-vivo conditions. Here, a novel method for extrusion-based bioprinting was developed, allowing to gelate the hydrogel with a nebulized CaCl2 solution, instead of a CaCl2 solution. With this new approach, the incubation time and the concentration of the possibly cell-toxic CaCl2 to the generated object can be reduced. In addition to the research presented in the single chapters, this thesis shows the possibilities of different additive manufacturing methods in biotechnology.