Grote stap richting 3D-geprinte neuzen, oren en gewrichten

We hebben het in dit magazine al vaak gezegd: 2015 is het jaar van de doorbraken in materialen voor 3D-printing. Een interessante ontwikkeling op het gebied van medisch 3D-printen bevestigt dit.

Er wordt al jaren druk geëxperimenteerd met hydrogels voor het vervangen van delen van het menselijk lichaam, voor zachte robotica en voor het afleveren van medicijnen op specifieke plekken in het lichaam. Elke dag werken onderzoekers aan het ontdekken van nieuwe technologieën, nieuwe samenstellingen en nieuwe chemische processen.

Voor degenen die niet weten wat een hydrogel is: het is een zacht, vochtig en biocompatibel materiaal dat gedefinieerd wordt door watermoleculen die zijn ingekapseld in rubberachtige polymeernetwerken die het voorzien van structuur en vorm. De huidige generatie hydrogels heeft vaak een zwak en broos karakter, maar daar lijkt nu verandering in te komen.

In een rapport van een nieuw onderzoek (in het Journal of Advance Materials) vertellen onderzoekers over hun ontdekking van een nieuwe manier voor het creëren van hydrogels die extreem flexibel en sterk zijn terwijl ze ook nog eens veel compatibeler zijn met de innesteling en inkapseling van de daadwerkelijke levende cellen binnen de structuur zelf.

Waarom is dit zo belangrijk?

Als de materialen zo taai en sterk worden als nu mogelijk lijkt, zijn er plotseling veel meer potentiële toepassingen denkbaar. Het belangrijkst is dat deze materialen 3D-geprint kunnen worden, waardoor ze kunnen worden gefabriceerd in fijne details, op maat voor welke toepassing dan ook maar gewenst is. Deze hydrogels zouden de ideale oplossing zijn voor het creëren van aandrijvingen voor zachte robotsystemen, evenals geneesmiddelafgifte-producten en 3D-printbaar kunstkraakbeen. Het meest interessant is het idee van het gebruik van deze materialen als 3D-geprinte vervangingskopie voor gewrichten en neus- en oorkraakbeen voor mensen.

3D-printen van sterke en biocompatibele PEG-alginaat-nanoklei hydrogels
“De innovatie zit hem echt in het materiaal – een nieuwe inkt voor het 3D-printen van een biocompatibele taaie hydrogel,” legt Xuanhe Zhao, MIT universitair hoofddocent machinebouw en een van de co-auteurs van het rapport, uit. “In het bijzonder, een samenstelling van twee verschillende biopolymeren. Elk individueel materiaal is erg kwetsbaar en broos, maar zodra je ze samen voegt, wordt het eindproduct heel zwaar en sterk. Het is als gewapend beton.”

Deze hydrogels hebben eigenschappen die vergelijkbaar zijn, maar zelfs nog veel beter presteren dan echt menselijk kraakbeen. Zo kunnen ze 3D-geprint worden in een verscheidenheid van vormen, zoals piramides, gedraaide objecten, meerlaagse mazen, holle kubussen, enzovoort. Ze kunnen worden geprint in de vorm van een neus of oor, of van kraakbeen in menselijke gewrichten. Een 3D-geprinte hydrogelpiramide kan met bijna 99 procent worden gecomprimeerd, maar zodra de compressie stopt, zal hij snel en gemakkelijk terugkeren naar zijn oorspronkelijke vorm.

Tegelijkertijd kan het materiaal, waarvan de viscositeit gemakkelijk kan worden gewijzigd zodat het uit een 3D-printer kan komen, ook worden uitgerekt tot vijf maal de oorspronkelijke grootte. Het is ook veel sterker dan typisch menselijk kraakbeen, wat betekent dat het als een substituut eigenlijk beter kan presteren bij het weerstaan ​​van de dagelijkse slijtage waarmee de menselijke gewrichten worden geconfronteerd.

Naast het ontbreken van 3D-printbaarheid, vereist de huidige generatie hydrogels ook het gebruik van agressieve chemicaliën zodat de gels taai en veerkrachtig worden. Dit betekent dat het vrijwel onmogelijk werd om levende cellen in te kapselen aan de binnenkant ervan, omdat ze door deze chemicaliën snel zouden afsterven.

Deze nieuwe hydrogels kunnen worden gevuld met cellen, zoals stamcellen, zonder dat deze enige schade lijden. Het potentieel is er voor tal van medische toepassingen die we hopelijk in de komende jaren tot bloei gaan zien komen.

Één polymeer in het mengsel voor dit 3D-printbare materiaal zorgt voor extreme elasticiteit, terwijl een ander polymeer zorgt voor de afvoer van energie op het moment dat het gecomprimeerd of juist uit elkaar getrokken wordt, zonder dat het kapot gaat, wat bij broze hydrogels zou gebeuren.

Om deze twee polymeren heen wordt een biocompatibel soort “nanoklei” toegevoegd waarmee onderzoekers en wetenschappers de viscositeit kunnen beïnvloeden teneinde controle te krijgen over de hoeveelheid en snelheid van de hydrogel die uit de nozzle van een 3D-printer komt.

Op het moment werken de onderzoekers aan methoden om het 3D-printen van dit materiaal te perfectioneren. De huidige 3D-printer die ze hebben gebruikt kan op een detailniveau tot 500 micrometer printen, maar dat zal snel verbeteren met verdere innovatie.

Zal dit leiden tot 3D-geprint kraakbeen ter vervanging van lichaamseigen kraakbeen binnen het menselijk lichaam? Of de mogelijkheid voor plastisch chirurgen om met behulp van deze technologie nieuwe neuzen en oren voor hun patiënten te creëren? Het lijkt alsof dit binnenkort steeds meer een realiteit gaat worden, tenminste als alles gaat zoals gepland.