Die Haut ist das größte Organ des Menschen. Sie macht etwa 15 % unseres Körpergewichts aus und schützt uns vor Krankheitserregern, Austrocknung und Temperaturextremen. Hautkrankheiten sind daher nicht bloß unangenehm – sie können für die Betroffenen auch schnell gefährlich werden. Obwohl Leiden wie Hautkrebs, chronische Wunden und Autoimmunerkrankungen der Haut weit verbreitet sind, wissen wir häufig noch zu wenig darüber, warum sie entstehen und wie wir sie effektiv behandeln.
Um Antworten auf diese Fragen zu finden, arbeiten Empa-Forschende gemeinsam mit Ärztinnen und Ärzten an einem Modell der menschlichen Haut, mit dem sich Hautkrankheiten simulieren und so besser verstehen lassen. Dabei handelt es sich nicht etwa um ein Computer- oder ein Kunststoffmodell. Vielmehr wollen die Forschenden aus den Laboren Biointerfaces und Biomimetic Membranes and Textiles eine lebendige künstliche Haut herstellen, die Hautzellen enthält und die Schicht- und Faltenstruktur der menschlichen Haut emuliert. Das Projekt ist Teil der Schweizer Forschungsinitiative Skintegrity.ch.
Suche nach geeigneten Baumaterialien
Um etwas so Komplexes wie die menschliche Haut nachzubauen, brauchen die Forschenden zunächst einmal geeignete Baumaterialien. Hier hat ein Empa-Team kürzlich Fortschritte erzielt und ein Hydrogel entwickelt, das die komplexen Anforderungen erfüllt und zudem noch einfach herzustellen ist. Die Grundlage: Gelatine aus der Haut von Kaltwasserfischen.
Wie die meisten Gewebe besteht die Haut aus Zellen, die in eine sogenannte extrazelluläre Matrix eingebettet sind: ein Netzwerk aus Proteinen und anderen Biomolekülen, das dem Gewebe Form und Struktur verleiht und die Zellen unterstützt. Die extrazelluläre Matrix unterscheidet sich von Gewebe zu Gewebe – bei der Haut sogar von Schicht zu Schicht. Um ein repräsentatives Hautmodell herzustellen, braucht es also eine geeignete Substitution für diese Matrix.
3D-Druck mit Hydrogelen
Eine Möglichkeit, die extrazelluläre Matrix zu simulieren, sind Hydrogele: besondere Polymere, deren Ketten locker miteinander vernetzt sind. Das erlaubt ihnen, große Mengen an Wasser und anderen Flüssigkeiten aufzunehmen. Sie eignen sich insbesondere für die Simulation der extrazellulären Matrix der Haut, die viel Wasser und andere Flüssigkeiten enthält. Ein weiterer Vorteil: Viele Hydrogele lassen sich mit dem 3D-Drucker verarbeiten. „Der 3D-Druck ist ein mächtiges Werkzeug für die Entwicklung von Hautmodellen. Damit lassen sich die Hautzellen in bestimmten Mustern in die Hydrogel-Matrix einsetzen“, sagt Kongchang Wei, Leiter der Forschungsgruppe Tissue-Regenerative Soft Materials. „3D-Druck erlaubt uns, mehrere Materialien und Zelltypen in einer einzigen Struktur zu vereinen – wie dies bei der echten Haut auch der Fall ist.“
