Het klinkt als sciencefiction, maar het is wetenschappers toch echt gelukt: op een bewegend orgaan een sensor 3D-printen. Ze gebruikten er een techniek uit de filmwereld voor.

3D-printen heeft de laatste jaren een hoge vlucht genomen. Niet alleen zijn er steeds meer verschillende materialen te verwerken, ook worden de printers veelzijdiger, betrouwbaarder en beter betaalbaar.

De 3D-printer heeft het domein van de hobbyisten en geeks dan ook verlaten en wordt in tal van bedrijfstakken en vakgebieden toegepast. Wat al deze toepassingen echter gemeen hebben, is dat er bijna altijd wordt geprint op een vlakke ondergrond. Dat is nu eenmaal het makkelijkste en meest logische voor een printkop die in het XY-vlak beweegt.
 

Bewegende ondergrond

Des te knapper is het wat bio-ingenieurs van de University of Minnesota in de VS nu hebben gepresteerd. Zij hebben een techniek ontwikkeld waarmee een 3D-printer zijn structuurtjes precies en betrouwbaar kan opbouwen op een bewegend substraat (ondergrond). Alle details beschrijven ze in een artikel in vaktijdschrift Science Advances dat gisteren verscheen. 

Niet alleen mag de ondergrond bewegen, hij mag zelfs samentrekken en uitzetten, zoals een hart dat doet, of een long. Dat is interessant, omdat met de nieuwe techniek flexibele sensoren die naadloos passen op een orgaan, binnen handbereik komen.
 

Hart- en longziekten

Onderzoekers in de medische wereld willen heel graag in realtime de vervormingen van een hart of een long kunnen meten. Die metingen kunnen iets vertellen over hart- en longziekten, wat ze waardevol maakt in de zoektocht naar betere behandelingen.

De crux van wat de onderzoekers hebben ontwikkeld zit hem in het monitoren van de beweging van het oppervlak en het daaraan aanpassen van het pad van de printkop. In hun laboratorium begonnen ze met een ballon, waarvan het bolle oppervlak steeds expandeerde en samentrok.

 

Proces van het 3D printen van de sensor op een bewegende long. Schematische weergave van (A) 3D-scannen van het oppervlak van de long; (B) stereocamera die in realtime de bewegingen van de long vastlegt; (C) adaptief 3D-printen van de hydrogel-inkt op de buitenkant van de bewegende long; en (D) de sensor is klaar en meet in realtime de vervorming van de long. Illustratie Zhu et al., Science Advances, 2020.


Animatiefilms

Op de ballon hadden ze stippen aangebracht — zogeheten motion capture tracking markers — waarvan de bewegingen nauwgezet werden gevolgd door een stereocamera. Dergelijke systemen worden ook gebruikt bij het maken van animatiefilms. Ze laten fantasiefiguren natuurgetrouw bewegen, doordat die de bewegingen meekrijgen van een acteur die met de markers in de studio wordt gefilmd. Hier zorgde het filmen van de markers ervoor dat de 3D-printer op elk moment ‘wist’ hoe het gekromde oppervlak eruit zag, en daar zijn pad op kon aanpassen.

Na het succesvol printen van een structuur op de ballon, gingen de onderzoekers verder met een varken dat kunstmatig werd beademd (zie de video). Op een van diens longen printten de onderzoekers een ronde reksensor (strain sensor), die grotendeels is opgebouwd uit hydrogel. Uit tests bleek dat de sensor goed functioneerde; hij bepaalde op elk moment en op elke locatie de vervorming van de long.


'Grenzen van 3D-printen verleggen'

‘Dat we de grenzen van het 3D-printen op deze manier verleggen, hadden we ons jaren geleden nog niet kunnen voorstellen’, zegt Michael McAlpine, hoogleraar werktuigbouwkunde aan de University of Minnesota en hoofdonderzoeker van de studie in een persbericht. ‘Het is al moeilijk genoeg om te 3D-printen op een bewegend voorwerp, maar het is helemaal lastig op een oppervlak dat expandeert en samentrekt. Het was een hele uitdaging om de juiste manier te vinden.’



Medische robots

De experimenten zijn nu gedaan op een long van een proefdier, maar de belangstelling gaat zeker ook uit naar het printen van sensoren op een pompend hart. Heeft iemand te maken met een hartziekte, dan zijn directe metingen aan het bewegende orgaan goud waard. Die kunnen een bepaald probleem aan het licht brengen — bijvoorbeeld een verminderde pompfunctie — dat anders verborgen was gebleven.

In de toekomst willen de onderzoekers in Minnesota hun 3D-printtechniek verwerken in medische robots. Het aanbrengen van een sensor op hart of long is dan slechts één van de gereedschappen die de robot tot zijn beschikking heeft. McAlpine: ‘Die robot zal autonoom zijn, voorzien we. Dit wordt des te belangrijker wanneer zorgverleners risico's lopen bij de behandeling van patiënten, bijvoorbeeld bij besmettelijke ziekten als Covid-19.’


Openingsbeeld Aan de University of Minnesota hebben onderzoekers een nieuwe techniek ontwikkeld die het mogelijk maakt om sensoren van hydrogel rechtstreeks te 3D-printen op organen die ververvormen, zoals de longen. Foto McAlpine Research Group, University of Minnesota.