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Studenten produzieren 3D-gedruckte künstliche Nierenprototypen

In den letzten Monaten gab es eine Reihe vielversprechender medizinischer Anwendungen im 3D-Druck. Die neueste Studie stammt von Studierenden der Chemieingenieurwissenschaften an der Universität von Connecticut, die mit dem 3D-Druck zwei Prototypen für eine künstliche Niere entwickelt haben.

Zu den jüngsten Innovationen im 3D-Druck gehören das Reparieren des Gesichts eines Unfallopfers und das Erstellen von In-vitro-Tumormodellen und Blutrückgewinnungsmaschinen.

Medizinische Nachrichten heute berichteten kürzlich auch über die Erstellung von 3D-gedruckten Nieren durch Chirurgen in Japan. Diese 3D-gedruckten Nieren waren jedoch nicht als funktionelle künstliche Organe konzipiert, sondern wurden als patientenindividualisierte Modelle für Nierenkrebs-Chirurgen verwendet.

Derzeit sind die einzigen Behandlungsmöglichkeiten für Nierenerkrankungen Organtransplantationen oder Dialyse. Dialyse ist jedoch nur eine vorübergehende Lösung - und ist teuer - und die Nachfrage nach transplantierbaren Nieren überwiegt das verfügbare Angebot bei weitem.

Daten der National Kidney Foundation zeigen, dass in den USA fast 100.000 Menschen auf Nierentransplantationen warten, doch in diesem Jahr fanden nur 14.000 Nierentransplantationen statt. Geschätzte 2500 Patienten werden jeden Monat auf die Warteliste für eine Nierentransplantation gesetzt.

Laut dem US Renal Data System war die terminale Niereninsuffizienz im Jahr 2009 für mehr als 90.000 Todesfälle verantwortlich, so dass die Entwicklung einer kosteneffektiven, funktionellen künstlichen Niere einen transformativen Einfluss auf die ESRD-Ergebnisse haben könnte.

Prototypen, die im Rahmen von Senior Design Project Challenge entwickelt wurden

Anson Ma, Assistenzprofessor an der Fakultät für Chemie- und Biomolekulartechnik und am Institut für Materialwissenschaften der Universität Connecticut (UConn), beauftragte zwei dreiköpfige Teams von Chemieingenieurs-Studenten mit der Erstellung einer künstlichen Niere für ihr Senior-Design-Projekt im 3D-Druck .


Eine Zeichnung der Schale einer künstlichen Niere, die mit AutoCAD-Software gerendert wurde. Es ist 12 cm lang und 6 cm im Durchmesser, eine durchschnittliche Größe für eine erwachsene menschliche biologische Niere.
Bildnachweis: Benjamin Coscia

"Das Ziel des Designprojekts ist es, diese Studenten dazu zu bringen, die neueste Technologie und ihr in den vier Jahren bei UConn erlerntes Chemieingenieurwissen zu kombinieren, um ein technisches Problem zu lösen, bei dem wir etwas bewirken können", sagt Prof. Ma. "Können sie die Technologie weiter vorantreiben?"

Die Studenten arbeiteten mit der ACT Group, einer kommerziellen 3D-Druckerei, zusammen, um ihre Prototypen im Rahmen eines einjährigen Entwurfs zu produzieren.

Die beiden Teams haben beide einen etwas anderen Ansatz gewählt, um das Problem zu lösen. Ein Team untersuchte Techniken wie Elektrodialyse und Vorwärtsosmose, wobei das andere Team die Hohlfasermembrantechnologie, die bereits in der traditionellen Hämodialyse verwendet wurde, erweiterte.

Da 3D-Druckauflösungen derzeit nicht niedrig genug sind, um eine Struktur zu drucken, die Blut filtern kann, wird nur die Schale der Niere 3D-gedruckt.

Benjamin Coscia, einer der Senioren, der am Prototyp der Hohlfasermembran arbeitete, erklärt:

"Hohlfasermembranen werden auf der Innenseite installiert, um die Filtrationsfunktion zu erfüllen. Die Niere wird dann unter Verwendung der Gewinde und Dichtungs-O-Ringe miteinander versiegelt. Eine Flüssigkeit, die Dialysat genannt wird, zirkuliert auf der Außenseite der Membranen innerhalb der Schale Dies führt zu einem Fluss von Komponenten aus dem Blut. Ein Abfallstrom hält die Fähigkeit der Person aufrecht zu urinieren. Die Außenseite der Schale kann als Substrat für das Wachstum von biologischem Material zur Erleichterung der Integration in den Körper verwendet werden. "

ACT Group half den Teams, die geeigneten Polymere und die besten Drucker auszuwählen. Die Prototypen wurden am Senior Design Demonstration Day von UConn präsentiert.

"Die größte Herausforderung bei der Heranführung des Projekts bestand darin, das technische Wissen, das wir während unserer Studienzeit erworben hatten, auf eine komplexere biologische Anwendung anzuwenden", sagt Senior Guleid Awale. "Dies zwang uns dazu, unsere Komfortzone zu verlassen und uns auf unsere Problemlösungsfähigkeiten zu verlassen, um brauchbare Lösungen zu finden."

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