Ultrageluid maakt 3D-printen in het lichaam mogelijk

Onderzoekers in de VS hebben een techniek ontwikkeld om met ultrageluid driedimensionale structuurtjes te bouwen onder het oppervlak van een vloeistof. Mogelijke toepassingen: minimaal-invasieve operaties waarbij van biomaterialen structuren worden gevormd in bestaand bot- of hartweefsel.

Bij traditionele 3D-printtechnieken wordt altijd een object laagje voor laagje van de bodem af opgebouwd. Er zijn echter ook technieken waarbij het bouwwerk ontstaat in een vloeistof, doordat een laser daarin materialen laat uitharden. Hier doen biomedische wetenschappers onderzoek naar, onder meer in het UMC Utrecht (lees: 'Een lever uit de 3D-printer').

Wat 3D-printen met licht echter niet kan, is een structuur opbouwen in een ondoorzichtig materiaal. Daarin kunnen lichtstralen immers niet doordringen. Wetenschappers en ingenieurs in de Verenigde Staten zoeken daarom nu hun toevlucht tot geluidsgolven voor een nieuwe 3D-printtechniek. In het wetenschappelijke tijdschrift Science van donderdag 7 december beschrijven de onderzoekers Yu Shrike Zhang van Harvard Medical School en Junjie Yao van Duke University hoe hun vernuftige techniek werkt.
 

Speciale inkt en ultrageluid

Ultrageluid, om precies te zijn, is wat zij gebruiken om in een speciaal ontwikkelde ‘inkt’ precies gedefinieerde structuren te laten uitharden. Ultrageluid is geluid dat zo’n hoge frequentie heeft dat menselijke oren het niet kunnen horen. Deze geluidsgolven dringen wel diep in een vloeistof door, en zetten daar chemische reacties in gang.
 

Twee componenten

De nieuwe 3D-printtechniek heet deep-penetrating acoustic volumetric printing (DAVP) en bestaat uit twee belangrijke componenten. Het eerste is een speciaal ontwikkeld apparaatje dat ultrageluid met een frequentie van een paar megahertz focusseert precies op een bepaald punt op een ingestelde diepte in een vloeistof. De geluidsgolven brengen hier de energie tot op de gewenste plek.

De tweede onmisbare component is die vloeistof zelf, die zo in elkaar zit dat hij hard wordt op het moment dat het gebundelde geluid lokaal zijn energie aflevert. Dit veroorzaakt een snelle temperatuurstijging. Deze zogenoemde ‘sono-ink’ bevat een polymeer dat reageert op deze stijging in temperatuur door van fase te veranderen: het polymeer gaat over van vloeistof naar gel. Deze slimme truc is cruciaal; bij eerdere pogingen van onderzoekers om met ultrageluid te printen, begon de vloeistof te stromen als gevolg van de geluidsgolven. De gel fixeert het materiaal snel, zodat het daarna verder kan uitharden.
 

Veel dieper doordringen

Het grootste voordeel van de nieuwe 3D-printtechniek op basis van ultrageluid, is dat geluid veel dieper dan licht kan doordringen in ondoorzichtige of optisch dichte materialen, mailt hoogleraar Junjie Yao van Duke University in de VS op vragen van De Ingenieur.

‘Dit stelt ons in staat om polymerisatiereacties op gang te brengen in omgevingen waar licht niet kan komen. Hiermee wordt het scala aan materialen en omstandigheden dat geschikt is voor 3D-printen uitgebreid. Bovendien kunnen we ultrageluid richten op specifieke diepten en locaties diep in een materiaal, zodat het nauwkeurig fabriceren van interne structuren mogelijk wordt zonder de omliggende gebieden aan te tasten.’
 

Minimaal-invasieve chirurgie

De onderzoekers verwachten dat de eerste praktische toepassingen van de techniek zullen verschijnen in de biomedische techniek. ‘Je kunt denken aan minimaal-invasieve chirurgie, in het bijzonder aan het maken van ‘scaffolds’ – structuren om weefsels op te laten groeien – of aan systemen voor het lokaal toedienen van medicijnen’, aldus Yao.
 

Hart en botweefsel

Ze hebben ook al een paar demonstraties hiervan laten zien, nog heel prematuur. Zo printten ze een onderdeeltje van een hart en vulden ze een botdefect met de basis voor nieuw botweefsel. Ook het lokaal toedienen van chemotherapie zou kunnen profiteren van het 3D-printen met ultrageluid, laten ze zien met het printen op een varkenslever.

Daarbij let het wel heel nauw waar de geluidsgolven hun energie afleveren. Het omliggende weefsel mag niet te veel opwarmen, want dan kan er schade ontstaan.
 

Accepteert het lichaam het vreemde materiaal?

Voordat de nieuwe, futuristische techniek in medische setting kan worden toegepast, moeten nog wel wat horden worden genomen. Yao: ‘Ten eerste het waarborgen van de biocompatibiliteit (het lichaam accepteert het vreemde materiaal, red.) en de veiligheid van de sono-inkten.’ Er worden vreemde stoffen in het lichaam gespoten, dus die kunnen giftig zijn.

Verder moeten onderzoekers nog de printparameters optimaliseren voor gebruik in gevoelige biologische omgevingen. ‘Ten slotte moeten er nog uitgebreide preklinische tests in proefdieren worden uitgevoerd om de werkzaamheid en veiligheid van de geprinte structuren te beoordelen.’

 

Openingsbeeld: Zo kan de nieuwe 3D-printtechniek in de toekomst werken in het ziekenhuis. De sono-inkten worden via een microkatheter gebracht tot diep in een weefsel gebracht. Daar zorgt het ultrageluid uit de printkop op de robotarm ervoor dat lokaal het materiaal stolt en een 'scaffold' vormt waar nieuw weefsel kan aangroeien. Illustratie Xiao Kuang