Wat kan een 3D-printer niet bouwen? Het aantal mogelijke antwoorden op deze vraag is de laatste jaren exponentieel gekrompen, omdat de hightech machines solide object na object uit computerontwerpen blijven voortbrengen.
Alleen al in de afgelopen maanden waren er talloze nieuwe producten en prototypes in verschillende industrieën, van voetbalschoenen en pennen tot stalen raketonderdelen en geweren. Vorige maand heeft de technologie geholpen 75 procent van de beschadigde schedel van een persoon te vervangen, en deze week herstelde het het gezicht van een man nadat hij de helft ervan aan kanker had verloren vier jaar geleden.
Vandaag suggereert een nieuwe studie dat 3D-geprint materiaal ooit het gedrag van cellen in menselijk weefsel zou kunnen nabootsen. Afgestudeerde student Gabriel Villar en zijn collega's aan de Universiteit van Oxford ontwikkelden kleine vaste stoffen die zich gedragen als biologisch weefsel. Het delicate materiaal lijkt fysiek op hersen- en vetweefsel en heeft de consistentie van zacht rubber.
Om dit materiaal te maken, volgde een speciaal ontworpen 3D-afdrukmachine een computergeprogrammeerd diagram en wierp tienduizenden individuele druppeltjes uit volgens een gespecificeerd driedimensionaal netwerk. Zoals te zien in de video hierboven, bewogen de mondstukken in verschillende hoeken om de positie van elke kleine kraal te bepalen. Elke druppel weegt ongeveer één picoliter - dat is een triljoenste liter - een eenheid die wordt gebruikt om de grootte van druppeltjes inkjetprinters te meten, waarvan de spuitmondtechnologie op dezelfde manier werkt om kleine puntjes vloeistof samen te voegen tot complete afbeeldingen en woorden op papier.
De druppeltjes vloeistof bevatten biochemicaliën die in weefselcellen worden gevonden. Gecoat in lipiden — vetten en oliën— de kleine waterige compartimenten plakten aan elkaar en vormden een samenhangende en zelfdragende vorm, waarbij elke parel werd gescheiden door een dun, enkel membraan vergelijkbaar met de lipide dubbellagen die onze cellen beschermen.
Verschillende 3D-geprinte druppelnetwerken. Afbeelding afkomstig van Gabriel Villar, Alexander D. Graham en Hagan Bayley (Universiteit van Oxford)
De vormen die de gedrukte druppeltjes vormden bleven enkele weken stabiel. Als onderzoekers het materiaal een beetje schudden, kunnen druppels worden verplaatst, maar slechts tijdelijk. Het ontwikkelde weefsel keerde snel terug naar zijn oorspronkelijke vorm, een niveau van elasticiteit is volgens onderzoekers vergelijkbaar met zachte weefselcellen bij de mens. Het ingewikkelde rooster van de lipide bilagen van een netwerk leek de "cellen" bij elkaar te houden.
In sommige druppelnetwerken bouwde de 3D-printer poriën in het lipidenmembraan. De gaten bootsten eiwitkanalen na binnen de barrières die echte cellen beschermen en moleculen filteren die belangrijk zijn voor de celfunctie in en uit. De onderzoekers injecteerden in de poriën een type molecuul dat belangrijk is voor cel-tot-cel-communicatie, een die signalen levert aan tal van cellen zodat ze functioneren samen als een groep. Hoewel het 3D-geprinte materiaal niet precies kon repliceren hoe cellen signalen verspreiden, zeggen onderzoekers dat de beweging van het molecuul via gedefinieerde paden leek op de elektrische communicatie van neuronen in hersenweefsel
Water drong gemakkelijk door de membranen van het netwerk, zelfs wanneer de poriën niet in de structuur waren ingebouwd. De druppels zwollen en krompen door het proces van osmose en probeerden een evenwicht te bereiken tussen de hoeveelheid water die ze bevatten en de hoeveelheid die hen aan de buitenkant omringde. De beweging van water was voldoende om de druppels tegen de zwaartekracht op te tillen, ze te trekken en te vouwen, wat spierachtige activiteit in menselijk weefsel imiteerde.
De onderzoekers hopen dat deze druppelnetwerken kunnen worden geprogrammeerd om medicijnen af te geven na een fysiologisch signaal. Gedrukte cellen kunnen ooit ook worden geïntegreerd in beschadigd of falend weefsel, waardoor extra steigers worden geboden of zelfs defecte cellen worden vervangen, misschien zelfs een aantal van de 1, 5 miljoen weefseltransplantaties vervangen die elk jaar in de Verenigde Staten plaatsvinden. Het potentieel lijkt het grootst voor hersenweefseltransplantaties, omdat medische ingenieurs momenteel proberen hersencellen in het laboratorium te laten groeien om progressieve ziekten te behandelen zoals de ziekte van Huntington, die langzaam zenuwcellen vernietigt.
Of het nu gaat om menselijk weefsel of hele oren, de 3D-printtechnologie is in volle gang op het gebied van geneeskunde en talloze onderzoekers zullen ongetwijfeld de komende jaren op de bandwagon springen.
