Een doorbraak in 3D-printtechnologie. Onderzoekers in Utrecht hebben een systeem gebouwd dat zelf structuren ontwerpt en print.

 

3D-printen is niet meer wat het ooit was. Sinds de allereerste 3D-printers, die opkwamen aan het eind van de jaren negentig, werken de apparaten met het neerleggen van flinterdunne laagjes. Door steeds zo’n superdun laagje materiaal neer te leggen, bouwde een 3D-printer gaandeweg een object op.

Sneller 3D-printen

Alleen ging dat traditionele proces bijzonder traag. Sinds een paar jaar hebben onderzoekers die laagjes-technieken daarom flink opgeschud. Door apparaten slim te ontwerpen werd het mogelijk om driedimensionale voorwerpen veel sneller te 3D-printen. We schreven eerder over onderzoekers aan het UMC Utrecht die in seconden een structuur printten in een doorzichtige gel; lees het artikel ‘Een lever uit de 3D-bioprinter’. Dat kregen ze voor elkaar door een laser vanuit duizenden verschillende hoeken heel precies in de gel te laten schijnen. Waar de laser kwam, werd de gel hard, en zo was na een seconde of twintig een vaste structuur ontstaan. Ze ontwikkelen de techniek door om in de toekomst organen te printen.

Een soortgelijke techniek is xolografie, door onderzoekers in Duitsland ontwikkeld, en door collega’s aan de TU Eindhoven aangepast (lees het artikel ‘3D-structuren printen om weefsels in te laten groeien’). 

Zelf het ontwerp maken

De Utrechtse onderzoeksgroep heeft nu iets bijzonders gedaan. Ze hebben hun 3D-printer uitgebreid met de mogelijkheid om zelf een ontwerp te maken van een te printen structuur. Het apparaat kijkt dan welke objecten al aanwezig zijn, zoals cellen of een eerder geprinte structuur, en ontwerpt daar naar wens een extra structuur bij. De onderzoekers onder leiding van Riccardo Levato, universitair hoofddocent bij het UMC Utrecht en de Universiteit Utrecht, noemen deze techniek GRACE (GeneRative Adaptive Context-awarE 3D printing). Ze beschrijven alle details ervan deze week in een artikel in het bekende wetenschappelijke tijdschrift Nature.

Dit was hard nodig, zegt onderzoeksleider Riccardo Levato aan de telefoon. ‘Bij bestaande vormen van 3D-printen weet je vaak niet welke onderdelen of structuren er al zitten. Nu gebruiken wij optische technieken en AI om te bepalen wat er al zit in het printvolume.’

GRACE genereert én print bloedvatachtige netwerken (blauw/grijs) optimaal rond de structuur van cellen (roze). Beeld: UMCU

Systeem weet waar cellen zitten

Levato’s groep had hier behoefte aan omdat de onderzoekers toewerken naar het 3D-printen van organen. Om dat te kunnen doen, worden levende cellen geprint in een gel die voeding bevat. Dat printen gaat dus, zoals beschreven, razendsnel maar het is wel zaak dat het systeem ‘weet’ waar de levende cellen zich bevinden. Daardoor kan het apparaat nieuwe elementen precies op maat ontwerpen, zoals bloedvaten die precies komen te zitten waar ze nodig zijn.

Passend ontwerp

Voorheen was het printproces altijd afhankelijk van de ontwerper van de blauwdruk, zegt promovendus Sammy Florczak in een persbericht. ‘De printer ziet nu welke cellen zich in het printmateriaal bevinden en waar ze zitten. Vervolgens gebruikt de printer deze informatie en maakt, met behulp van AI-gereedschappen, een passend ontwerp voor het te printen object.’ Dit levert geprinte weefsels op die beter functioneren én beter overleven, zeggen de onderzoekers.

Waaier

Hoe werkt GRACE? Centraal staat een waaier aan laserstralen die tezamen een vlak van licht vormen. Dit lichtvlak beschijnt het printvolume terwijl dit ronddraait en een camera maakt opnamen van wat in beeld komt. Op basis van die informatie tekent de computer automatisch een 3D-structuur. Ten slotte gaat de software met AI aan de slag om binnen deze randvoorwaarden een structuur te tekenen. ‘We geven de AI wel wat basisregels mee; hij is niet compleet vrij. Een voorbeeld van zo’n regel is: “Een bloedvat moet minstens 200 micrometer verwijderd zijn van een cel”. Die parametrische aanpak wordt regelmatig gebruik in de architectuur’, zegt Levato.

Software

Het GRACE-systeem bestaat dus uit zowel hardware – elektronische en optische componenten en onderdelen – als uit software. GRACE kan zijn nut hebben tot ver buiten de onderzoeksgroep in Utrecht. Naast het onderzoek van zijn eigen groep ziet Levato tal van andere mogelijke toepassingen. ‘Het 3D-printen van dingen die uit meerdere componenten bestaan wordt gemakkelijker. Of zelfs onderdelen die uit meerdere materialen zijn opgebouwd. We maken deze toepassingen met GRACE gemakkelijker en sneller.’

Onderzoeksleider Riccardo Levato in het laboratorium. Beeld: UMCU

Patent

De ‘ogen en het brein’ van GRACE zijn ook niet gebonden aan één type 3D-printer, vertelt Levato. ‘We hebben op ons systeem patent aangevraagd, want we denken dat ook fabrikanten van 3D-printers kunnen profiteren van onze aanpak.’ Tegelijk verbeteren de onderzoekers in Utrecht de techniek steeds verder. ‘De gebruikte AI-modellen zijn nog vrij eenvoudig. We gaan nu met krachtigere AI aan de slag.’

 

Het onderzoek van Riccardo Levato is mede gefinancierd door een Starting Grant van de European Research Council) en een VIDI-subsidie van NWO.

 

Openingsbeeld: Riccardo Levato en Sammy Florczak bij de 3D-printopstelling. Foto: UMCU