Onderzoekers van de TU Delft combineren de technologie van 3D-printen met zelfvouwende platte oppervlaktes om het aanbrengen van medische implantaten te vereenvoudigen. Het onderzoek vloeit voort uit van een studie van MaastrichtUMC+ op het gebied van ‘slimme’ 3D geprinte implantaten om botdefecten mee te herstellen. TU Delft neemt deel aan deze studie.
Het onderzoek van de TU Delft betreft het maken van platte oppervlakten die 3D worden geprint endan ‘leren’ hoe ze zichzelf later moeten vouwen, een soort origami-techniek. Deze materialen zijn potentieel bijzonder geschikt voor een breed scala aan medische implantaten. De bevindingen van de onderzoekers zijn op 24 oktober als omslagartikel gepubliceerd in Materials Horizons.
Heilige graal weefselkweek
Volledige regeneratie van functioneel weefsel is volgens de TU Delft de heilige graal van de weefselkweek, die een revolutie teweeg kan brengen in de behandeling van vele ziekten. Voor effectieve weefselregeneratie zijn vaak multifunctionele biomaterialen nodig. De brede studie geleid door MaastrichtUMC+ is één van een aantal onderzoeken op dit gebied. Dat project is deze maand van start gegaan. Als het een succes wordt, betekent dat voor patiënten sneller herstel en minder operaties.De toepassingsmogelijkheden van 3D geprinte bio-implantaten gaan echter verder dan het repareren van botdefecten, meent dr. Amir Zadpoor. De onderzoeker van de TU Delft is op het gebied van medische 3D-print toepassingen actief en werkt nauw samen met ziekenhuizen zoals het LUMC, het UMC en het AMC.
3D-structuren en nanopatronen
“In het ideale geval worden biomaterialen geoptimaliseerd in termen van hun 3D-structuur én wat betreft de nanopatronen op hun oppervlak,” aldus Zadpoor. “Met 3D-printen zijn zeer complexe 3D-structuren mogelijk, maar op het oppervlak kan tijdens het 3D-printproces maar heel beperkt invloed worden uitgeoefend. Technieken uit de nanolithografie kunnen wel heel complexe nanopatronen genereren, maar in het algemeen alleen op platte oppervlakken. Er bestond nog geen manier om willekeurig complexe 3D-structuren te combineren met willekeurig complexe nanopatronen op het oppervlak.”###TU-Delft###
Zadpoor heeft een oplossing gevonden voor deze impasse met behulp van origami, de klassieke Japanse papiervouwkunst. Eerst worden platte oppervlakken op een speciale manier in 3D geprint: ze leren hoe ze zichzelf kunnen vouwen. Vervolgens wordt het oppervlak voorzien van complexe nanopatronen. Als laatste stap wordt het zelfvouwende mechanisme geactiveerd (bijvoorbeeld door temperatuurveranderingen), zodat het platte vlak zich kan vouwen en er complexe 3D-structuren ontstaan.
Activeringsmechanismen nagebootst
De natuur gebruikt verschillende activeringsmechanismen om complexe transformaties te programmeren in de vorm en functionaliteit van levende organismen. Geïnspireerd door dat proces heeft het team van Zadpoor, waar onder andere de onderzoekers S. Janbaz en R. Hedayati deel van uitmaken, programmeerbare materialen ontwikkeld die in eerste instantie tweedimensionaal zijn. Wanneer ze worden geprikkeld door bijvoorbeeld een temperatuurswisseling kunnen ze zelf van vorm veranderen en een complexe driedimensionale geometrie aannemen.Er zijn verschillende combinaties van twee of meer lagen shape memory polymer (SMP) en hyperelastische polymeren gebruikt om vier basale vormveranderingen te programmeren, waaronder zelfoprolling, zelfverdraaiing, gecombineerde zelfoprolling en -rimpeling, en de vorming van golfvormige stroken. Een aantal transformaties is vervolgens in andere tweedimensionale structuren geïntegreerd, met zelfverdraaiende constructies geïnspireerd op DNA, geprogrammeerde patroonontwikkeling in cellulaire vaste stoffen, zelfvouwende origami en zichzelf organiserende vezels als resultaat.
“Ons werk is maar een kleine stap in de richting van betere medische implantaten,” aldus Zadpoor, “maar de vorderingen die we maken zijn inspirerend.”
