Een normale 3D-printer, origamitechnieken en printmateriaal dat overal verkrijgbaar is. Meer hebben onderzoekers aan de TU Delft niet nodig om ingewikkelde 2D-constructies te maken die zichzelf tot driedimensionale constructies kunnen vouwen (zoals een tulp, of botimplantaten). De constructies kunnen zichzelf volgens een vooraf geplande volgorde opbouwen, zodat sommige delen eerder samentrekken dan andere.
Mogelijkheden op dit gebied waren er al, maar normaal gesproken werden hiervoor dure printers en speciale materialen gebruikt. De onderzoekers hebben een nieuwe techniek ontwikkeld waarvoor een normale 3D-printer afdoende is, evenals printmateriaal dat overal verkrijgbaar is. Dit onderzoek kan volgens de TU Delft onder meer leiden tot een grote verbetering van botimplantaten. 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.Onder leiding van Amir Zadpoor van de TU Delft heeft het team van onderzoekers de traditionele Japanse papiervouwkunst origami gecombineerd met moderne 3D-printtechnologie om constructies te maken die zichzelf kunnen oprollen, draaien, plooien en vouwen tot 3D-objecten. In 2016 demonstreerden de onderzoekers al enkele zelfvouwende objecten. “Maar we moesten nog een paar belangrijke problemen oplossen,” vertelt Zadpoor.
Goedkope aanpak
Meestal komt er veel handwerk kijken bij shape-shifting – een andere benaming voor de techniek. ook Het gebruikte materiaal is duur en niet overal verkrijgbaar. Het team van Zadpoor heeft voor het nu lopende project echter een Ultimaker gebruikt, een van de populairste 3D-printers, in combinatie met PLA, het meest gebruikte printmateriaal, met een prijs van circa 17 euro per kilo. Zadpoor stelt dat er uiterst complexe van vorm veranderende objecten mee gemaakt zijn. Het proces is bovendien volledig geautomatiseerd en er komt geen handwerk aan te pas.###TUdelftOrigam###
Het meest geavanceerde aspect van de ‘shapeshiftende’ objecten van het team is het feit dat ze zichzelf vouwen, in vooraf geplande stappen. “Voor het maken van complexe vormen moeten sommige delen eerder worden gevouwen dan andere,” legt Zadpoor uit. “Daarom moesten we vertragingen programmeren in het materiaal. Dit heet sequential shape-shifting.”
Het team van Zadpoor is hierin geslaagd door tijdens het printen het materiaal op bepaalde plekken uit te rekken. ‘Het uitrekken wordt in het materiaal als geheugen opgeslagen’, licht promovendus Teunis van Manen toe. ‘Wanneer de temperatuur wordt verhoogd, wordt het geheugen geactiveerd en wil het materiaal terugkeren in de oorspronkelijke toestand.’ Door ook de dikte en de rangschikking van de vezels in het materiaal af te wisselen, wisten de onderzoekers tweedimensionale structuren te maken die sequentieel van vorm veranderen.
Stap richting duurzame botimplantaten
Deze gecombineerde aanpak van origami en 3D-printen vormen volgens het team van onderzoekers een belangrijke stap in de ontwikkeling van betere botimplantaten. De techniek maakt het namelijk mogelijk om prothesen te maken die vanbinnen poreus zijn. Daardoor kunnen de eigen stamcellen van de patiënt zich aan het binnenoppervlak van het implantaat hechten, in plaats van alleen als een laag aan de buitenkant. Dat maakt het implantaat sterker en duurzamer.Ook kunnen met deze techniek op het oppervlak van het implantaat nanopatronen worden aangebracht die de celgroei sturen. ‘Promovendus Shahram Janbaz noemt dit ‘instructieve oppervlakken’, omdat ze bepaalde krachten op de stamcellen uitoefenen en ze deze cellen instrueren om zich te ontwikkelen tot de botcellen die wij willen’, zegt. “Een uitsteeksel, bijvoorbeeld, kan stamcellen stimuleren om botcellen te worden.”
Het is onmogelijk om zulke instructieve oppervlakken aan de binnenkant van een 3D-constructie te maken. Daarom besloot het team van Zadpoor van een plat oppervlak uit te gaan.
