In de geneeskunde is sterk de behoefte aan technieken om weefsels in een gewenste vorm te vervaardigen. Met een 3D-printtechniek zetten onderzoekers van de TU Eindhoven een stap in de juiste richting.

 

3D-printen heeft zijn intrede gedaan in de medische wetenschap. De maaktechniek wordt al langer gebruikt in de werktuigbouwkunde en in de bouwkunde, maar de laatste jaren plukken ook biotechnologen steeds vaker de vruchten van de computergestuurde productiemethode (lees ook het artikel: ‘Een lever uit de 3D-bioprinter’).

Neem de onderzoekers aan de Technische Universiteit Eindhoven die eind januari een artikel publiceerden in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Materials over hun werk aan het ‘printen’ van driedimensionale structuren van biomaterialen. In een tijdsbestek van enkele minuten maakt hun machine een centimeters hoge structuur die geschikt is voor levende cellen om zich in te nestelen en te beginnen met delen.

Uitgroeien tot een gezond stuk weefsel

Zo’n structuur heet een scaffold – een steiger, letterlijk vertaald – vertelt Miguel Dias Castilho, die de nieuwe onderzoeksgroep Biomaterials Engineering and Biofabrication leidt, in een gesprek via Teams, waarbij ook promovenda Lena Stoecker is aangeschoven. De grote uitdaging is om cellen ertoe aan te zetten om zich te gaan delen en vermenigvuldigen, zodat ze uitgroeien tot een gezond stuk weefsel. ‘In mijn onderzoeksgroep bestuderen we hoe we de perfecte omgeving kunnen creëren voor cellen, zodat die gaan groeien’, zegt de Portugees.

Het idee is dat een op deze manier geprint scaffold in een lichaam wordt geplaatst. Daar nestelen lichaamseigen cellen zich in de structuur en beginnen zich te delen. Gaandeweg nemen de cellen de structuur over. ‘Het weefsel groeit verder, ten koste van het scaffold, dat de cellen langzaam opeten’, zegt Dias Castilho.

Hoewel deze toepassing voorlopig nog toekomstmuziek is, zouden de scaffolds al eerder in het lab gebruikt kunnen worden voor onderzoek naar celgroei, ziekteprogressie of voor het testen van geneesmiddelen. 

Promovenda Lena Stoecker en groepsleider Miguel Dias Castilho. Foto: Bart van Overbeeke

Waar de lichtstralen samenkomen, wordt de vloeistof hard

Voor het bouwen van de scaffolds gebruikten Dias Castilho en collega’s een 3D-printtechniek die nog maar een paar jaar oud is: Xolografie (hoofdletter X omdat het een merknaam is). Deze methode werkt met een speciale vloeistof die gevoelig is voor licht. Daar waar twee lichtstralen van verschillende, precies gekozen, golflengten samenkomen, wordt de vloeistof hard. De maaktechniek is bedacht door twee onderzoekers in Duitsland, die het bedrijf Xolo begonnen om printers op basis van de methode op de markt te brengen. De Eindhovense onderzoeksgroep werkt met het bedrijf samen. ‘We leren van elkaar en schrijven samen onderzoeksvoorstellen. Xolo weet alles van de chemie van de materialen. Voor hen is het interessant om van ons te leren hoe hun proces en hun materialen voor biomedische toepassingen worden gebruikt’, zegt Dias Castilho.

Gelatine

De TU/e-onderzoekers beginnen met een stroperige, doorzichtige vloeistof – een gelachtig materiaal, zoals een gelatine – waarin na dubbele belichting als door een wonder vaste structuren ontstaan. Doordat de vloeistof zo viskeus is, is er geen verdere ondersteuning nodig voor de ontstane 3D-structuur.

Crosslinking

Dit snelle proces gebruikt twee belichtingsstappen. Eerst gaat ultraviolet licht de vloeistof in, waardoor deze komt ‘aan te staan’; er gebeurt chemisch iets waardoor de vloeistof nu ontvankelijk is voor het licht van stap twee. Met zichtbaar licht ‘schrijft’ het xolografie-apparaat nu in de vloeistof, en waar de lichtprojectie komt, hardt het materiaal uit. ‘In chemische termen vindt er crosslinking plaats’, zegt Stoecker. De lange ketens van de polymeermoleculen komen op ontelbare plaatsen aan elkaar vast te zitten.

De 3D-printer die de scaffolds print, een aangepaste versie van de machine van het Duitse bedrijf Xolo. Foto: Bart van Overbeeke

Sterke punten

De ontwikkelde printtechniek heeft een paar sterke punten. Zo gaat het bouwen van een structuur razendsnel, in een paar minuten. De kleinste details – de resolutie – zijn maar twintig micrometer groot, terwijl scaffolds van vele centimeters kunnen worden gemaakt. ‘Ten slotte is deze techniek schaalbaar en reproduceerbaar’, vult Stoecker aan. Het apparaat kan steeds opnieuw dezelfde kwaliteit produceren.

Stijf of flexibel

Maar het gaat zelfs nog verder dan dat: het team in Eindhoven is erin geslaagd om de eigenschappen van een scaffold lokaal te laten variëren. Dat betekent dat de structuur aan het ene uiteinde bijvoorbeeld heel buigzaam is, en aan de andere kant iets stijver. Dankzij de computeraansturing is dit vrij precies in te stellen. Het onderzoek naar de toepassing hiervan staat nog in de kinderschoenen, maar de eerste bevindingen zijn er al. ‘Zo heeft botweefsel de voorkeur om te groeien in een wat stijver scaffold, terwijl vetcellen zich beter thuis voelen bij heel buigzame structuren’, aldus Stoecker.

Het opwekken van valse hoop helpt onze gemeenschap van wetenschappers en ingenieurs niet.

Miguel Dias Castilhoonderzoeker TU/e

Nieuw bot- of spierweefsel

De hoop van onderzoekers is dat deze aanpak over een paar jaar kan worden ingezet bijvoorbeeld bij schade aan een bot of aan een spier. Na implanteren van een scaffold begint er nieuw bot- of spierweefsel te groeien, net zolang tot het gat is dichtgegroeid.

Zover is het echter nog lang niet, benadrukken Stoecker en Dias Castilho. Ze willen geen valse verwachtingen wekken bij artsen of patiënten. ‘In het verleden zijn er in ons vakgebied soms onrealistische beloften gedaan’, zegt Dias Castilho. ‘Maar we kunnen echt nog lang geen nieuwe nieren of harten printen. Het opwekken van valse hoop helpt onze gemeenschap van wetenschappers en ingenieurs niet.’

 

Openingsfoto: voorbeelden van driedimensionale weefsels geprint met de xolografie-printer. Foto: Bart van Overbeeke