Met een slimme truc kun je stevige structuren 3D-printen met levende cellen erin. Dat laten onderzoekers van de Universiteit Twente zien. De crux is het combineren van twee kleine printkoppen, waarvan er één druppeltjes maakt en de ander een continue straal. De twee stromen komen samen en nog in de lucht ontstaat een nieuw materiaal.

Read this article in English

Het is al jaren een grote wens van wetenschappers om structuren te kunnen 3D-printen met levende cellen erin. Daar heeft de medische wereld namelijk behoefte aan, bijvoorbeeld voor het maken van vervangende stukken bloedvat of voor het op maat printen van een stuk bot dat door een ongeluk is weggeslagen.

Bestaande maaktechnieken voor het ‘printen’ van cellen werken met het door een gaatje persen van een dikke pasta met cellen erin. Het probleem is alleen dat cellen er niet voor zijn gemaakt om door een smalle opening te worden geperst. Hierbij treden namelijk forse afschuifkrachten op, die cellen vaak niet overleven.
 

Printkoppen onder een hoek

Onderzoekers van de Universiteit Twente hebben dit probleem nu omzeild met een vernuftige nieuwe printtechniek. Ze kwamen op het idee om twee kleine printkoppen (jets) onder een hoek naast elkaar te zetten. De ene maakt een vloeistofstraaltje, dat met een vibrerend piëzoelement aan het trillen wordt gebracht, waardoor druppeltjes afbreken (zie figuur) van tientallen micrometers groot.

De tweede straal komt van rechts en is precies zo uitgelijnd dat hij de druppelstroom raakt. Doordat de roze vloeistof een lagere oppervlaktespanning heeft dan de blauwe, stroomt hij om het blauwe druppeltje heen. Nog in de lucht vormen zich met roze omhulde blauwe druppeltjes, die op een substraat landen.

Voor deze toepassing zitten er cellen in de blauwe vloeistof. Bij het afbreken van de druppels komt er steeds één cel in een druppel terecht. ‘Wij werken met laag-viskeuze vloeistoffen, waardoor cellen ons printproces prima overleven’, vertelt Tom Kamperman van de Universiteit Twente, een van de auteurs van een artikel in Science Advances, dat de bioprinttechniek uit de doeken doet die hij samen met collega Claas Willem Visser ontwikkelde.
 

Allerlei soorten deeltjes

De Twentse onderzoekers hebben hun aanpak met de twee botsende straaltjes gebruikt om allerlei soorten deeltjes te maken (ook zonder cellen): druppels water met een dun laagje olie eromheen; holle bolletjes van het bindmiddel alginaat; capsules van alginaat gevuld met vloeistof.

Er zijn dus verschillende structuren mogelijk, maar ook allerlei vormen. Door de vloeistofstralen breder te maken, krijg je om te beginnen grotere bolletjes. De onderzoekers hebben deeltjes gemaakt met diameters variërend van 20 µm tot 300 µm.

Door de vaste vloeistofstraal sneller te maken, ontstaan langgerekte deeltjes. Ten slotte werden de twee printkopjes dichter bij elkaar gezet, zodat twee continue straaltjes elkaar raken; dit leidde tot microvezels.



Sneller en eenvoudiger

Het nieuwe printproces heeft een aantal voordelen boven de bestaande technieken, die vaak zijn gebaseerd op microfluïdische chips die vloeistofdruppels neerleggen. Het Twentse proces is om te beginnen ongeveer honderd keer zo snel. Ook heb je er dus geen microfluïdische chip voor nodig, waardoor het eenvoudiger te gebruiken is voor andere wetenschappers.

Hierbij moet wel worden aangetekend dat het nieuwe printproces nu weliswaar is gedemonstreerd, maar nog niet klaar voor gebruik voor eenieder die biologische materialen wil gaan fabriceren. Daarvoor zijn nog een aantal stappen nodig.
 

Opschalen

Eén ervan is het opschalen van de printtechniek. ‘We willen meerdere van deze systemen parallel zetten, zodat je meer materiaal per tijdseenheid kunt neerleggen. Een andere wens die we hebben is drop-on-demand: nu printen we continu, maar om structuren te kunnen bouwen moet je de printkop ook desgewenst uit kunnen zetten.’, aldus Kamperman. Het wetenschappelijke onderzoek aan de Universiteit Twente gaat dus door. Tegelijk is er al een spinoff-bedrijf opgezet dat werkt aan het commercieel beschikbaar maken van de techniek: IamFluidics.
 

Weefsels

Als de nieuwe printtechniek verder is vervolmaakt, zal het onderzoeksveld van de tissue engineering (bouwen en herstellen van weefsels) waarschijnlijk als eerste ervan gaan profiteren. ‘We hebben al sponsachtige structuren kunnen maken met cellen erin, die behoorlijk lijken op weefsels uit de natuur.’

Ook stamceltherapie, die wordt ingezet om ergens in het lichaam een bepaalde type cellen aan te vullen, kan nu misschien een stuk efficiënter worden. Kamperman: ‘Als nu stamcellen worden geïnjecteerd, verdwijnen die weer vrij snel, waardoor de effectiviteit van de therapie wordt beperkt. Wij hopen effectief stamcellen in een hydrogel te kunnen inkapselen, waardoor ze langer op hun plaats blijven.’

 


Openingsbeeld: Demonstratie van het 3D-printen met de nieuwe techniek. De holle cilinder bestaat uit sponsachtig materiaal met levende cellen in de holtes. Beeldmateriaal Visser et al., Science Advances, 2018.