3D-printen is nu ook mogelijk met gels: Amerikaanse onderzoekers maakten met een nieuwe printtechniek een zacht, buigzaam schijfje met een nauwkeurige driedimensionale vorm uit gel-achtig materiaal. Het schijfje bevat een mechanisme dat heel gecontroleerd een vaste hoeveelheid stof kan loslaten, bijvoorbeeld voor het toedienen van medicijnen binnenin het lichaam.
De bestaande technieken voor 3D-printen kunnen allerlei kunststoffen verwerken (lees: '3D-printers, de whizzkid voorbij'), maar geen gel-achtige materialen. Onderzoekers van de Amerikaanse Columbia University bedachten daarvooor een nieuwe productietechniek die ze beschrijven in het vaktijdschrift Science Robotics, artikel ‘Additive manufacturing of hydrogel-based materials for next-generation implantable medical devices’ (gratis).
Nieuwe 3D-printer
Ze bouwden een ingenieuze constructie voor het bouwplatform van hun nieuwe ‘3D-printer’ (zie figuur hieronder). Het cruciale onderdeel is een 'doosje' gemaakt van de zachte kunststof PDMS, dat rust op een stellage. In het PDMS bevindt zich het bouwvolume, met op de bodem een dun glazen plaatje dat zorgt dat de onderzijde altijd netjes vlak is.
De beweging in de z-richting, die bij 3D-printen erg nauw let, hebben de onderzoekers op een originele manier geregeld. De onderkant van het bouwvolume zit met vacuüm vastgezogen aan een micrometer, waarmee de bodem van het bouwvolume heel nauwkeurig te verplaatsen is tot maximaal 1,5 mm, met een nauwkeurigheid van 2,5 µm.
Bouwstap
Eén bouwstap gaat als volgt. Er wordt een laagje ongecrosslinked polymeer − een vloeistof − aangebracht in het bouwvolume, waarna deze wordt afgedekt met een dun glasplaatje. Daarbovenop ligt een masker dat UV-licht doorlaat waar gewenst. Door dat UV-licht hardt de vloeistof uit tot een gel, waarna een operator het bovenste glasplaatje en overtollige vloeistof verwijdert. Hij voegt dan nieuw materiaal toe en het bouwvolume beweegt een stapje omlaag; en zp herhaalt de cyclus zich.
Materiaal moeilijkste
Zo ontstaat stapsgewijs een driedimensionale vorm bestaande uit een zachte gel (zie hierboven). Dit lijkt een wat omslachtige bouwmethode, maar toch konden de onderzoekers er al aardig mee uit de voeten. Het kostte ze 30 min om de onderdeeltjes te bouwen voor het schijfje uit de openingsfoto.
Hierbij was het moeilijkste van alles om de materiaaleigenschappen goed te krijgen, vertelde hoofdonderzoeker prof.dr. Samuel Sia tegen IEEE Spectrum. Zachte, kneedbare materialen zijn ideaal om in het lichaam te gebruiken, waar alles steeds een beetje vervormt. Maar als ze té zacht zijn, kun je er geen mechanische functies aan geven. ‘Het moet stijf genoeg zijn om er een machine van te maken die je kunt implanteren in het lichaam.’
Zwitsers horloge
Het ontwerp voor dat schijfje is geïnspireerd op het binnenwerk van een Zwitsers horloge. Dat bevat het zogeheten maltezerkruismechanisme, dat een continu roterende beweging omzet in een onderbroken roterende beweging (zie animatie rechts). De onderzoekers gebruiken dat mechanisme in een prototype dat op commando een dosis medicijn kan afgeven.
Het apparaatje werd getest in een muis met botkanker. De resultaten waren indrukwekkend: door de chemotherapie alleen lokaal bij de tumor toe te dienen, gingen meer tumorcellen dood, groeide de tumor langzamer en had de rest van het lichaam minder last van de chemo.
Chemo toedienen
Het idee is dat een dergelijk apparaatje op termijn wordt geïmplanteerd bij een kankerpatiënt. De behandelend arts kan dan afhankelijk van het verloop van de ziekte kiezen op welk moment er chemo moet worden toegediend. Dat wordt dan heel eenvoudig: het apparaatje is met een magneet te activeren.
Het zal nog wel jaren duren voordat het apparaatje in een ziekenhuis zal worden gebruikt. Onderzoek moet nog uitwijzen hoe veilig het ding is. Hoe gedraagt de gel zich op de wat langere termijn? Hoe weet je zeker dat er maar één dosis vrijkomt? En ook niet onbelangrijk: hoe voorkom je dat je het apparaatje per ongeluk activeert, met een magnetisch veld waar je toevallig langsloopt?
Afbeeldingen en video: S.Y. Chin et al., Science Robotics, 2017.
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.