De TU/e onderzoekt de inzet van de nieuwe lichtprinttechniek Xolografie om 3D-printen van vormveranderend weefsel te realiseren. Het gebruik van Xolografie is al onderzocht voor tandheelkundige producten en productie in de ruimte. TU/e-onderzoekers van de Biomaterials Engineering and Biofabrication-groep hebben de techniek nu aangepast om levende cellen in 3D te printen. Uiteindelijk moet het mogelijk worden om zo spierweefsel en organen zoals nieren te printen.
Xolografie is een fusie van engineering, natuurkunde en chemie, waarbij licht wordt gebruikt om vloeibare polymeren in 3D te printen. De methode gebruikt de kracht van twee elkaar kruisende lichtstralen van verschillende golflengten in een lichtreactieve vloeistof. Wanneer lichtstralen samenkomen, veranderen ze de vloeistof binnen een minuut in een gedetailleerd, stevig 3D-object met de omvang van een gummibeer.
Het team heeft de op Xolografie gebaseerde printtechniek inmiddels doorontwikkeld om mini-structuren te maken met details van slechts 20 µm—ongeveer de grootte van een menselijke cel. Deze resultaten zijn onlangs gepubliceerd in Advanced Materials. Miguel Dias Castilho, die de nieuwe Biomaterials Engineering and Biofabrication-groep aan de TU/e leidt, stelt overigens dat verdere stappen – zoals het 3D-printen van organen - nog duidelijk in de toekomst liggen.
Vroeg prototype
De nu gebruikte 3D-printer is een vroeg prototype voor het printen van weefsel. Dias Castilho stelt echter dat het gedetailleerd en razendsnel printen van levend weefsel in een oranje 3D-printer ter grootte van een koffer volkomen reëel is. Hij noemt het onderzoek van zijn groep een noodzakelijke eerste stap voor de toekomst van de weefseltechnologie. “Op dit moment kan het fysiologisch meer relevante 3D-omgevingen printen voor celcultuur, en op de lange termijn zou het kunnen helpen om 3D-geprinte organen werkelijkheid te maken.”
In het hart van de nu gebruikte printer zit een piepkleine cuvet (een rechthoekig vat zonder schaalverdeling voor onderzoek aan vloeistoffen) met de voor het printen te gebruiken vloeistof. Lena Stoecker, promovenda van de Biomaterials Engineering and Biofabrication-groep, projecteert lichtstralen op de vloeistof om levensvatbare celbeladen geometrieën tevoorschijn te toveren. Stoecker heeft de printtechnologie Xolografie aangepast om biomaterialen te printen.
Tijdens haar studie werktuigbouwkunde en bedrijfskunde werd 3D-printen voornamelijk gebruikt voor prototyping en tooling voor kleine serieproductie. Stoecker vertelt dat ze zich al snel aangetrokken voelde tot werken met weefseltechnologie, een multidisciplinair vakgebied dat de expertise van moleculair biologen, ingenieurs en ontwerpers combineert.
Levensvatbare 3D-weefsels
Weefselingenieurs staan voor de uitdaging om levensvatbare 3D-weefsels te maken die sterk lijken op de natuurlijke omgeving van cellen, om dat snel te doen, en om het precies te doen. Dit wordt ook wel als de ‘heilige graal’ omschreven. Stoecker schetst hoe de grote hype rond 3D-printen voor biomedische technologie echter wegebde toen de technologie voldeed niet aan de hooggespannen verwachtingen. "Mijn droom voor Xolografie zou zijn om zich te ontwikkelen tot een technologie die daadwerkelijk in staat is om weefsel- en orgaanmodellen te creëren om ziekten te bestuderen en behandelingen te ontwikkelen."
De Duitse chemicus Stefan Hecht en natuurkundige Martin Regehly hebben de door hen ontwikkelde Xolografie-technologie aangepast voor diverse toepassingen in hun spin-off bedrijf Xolo. Volgens Dias Castilho was Xolo vier jaar geleden op zoek naar manieren om de technologie verder te ontwikkelen voor biomedische toepassingen, “terwijl mijn team op zoek was naar een disruptieve technologie die mogelijk een hoge resolutie, snelle productiesnelheden en schaalbaarheid zou kunnen bieden – dus een perfect huwelijk.”
Experimenten met 3D-printen weefsel
Er wordt al langer geëxperimenteerd met het 3D-printen van weefsel. In het laboratorium van hoogleraar Moleculaire genetica Arthur Bergen (Amsterdam UMC) experimenteerde postdoctoraal onderzoeker Eszter Emri bijvoorbeeld al in 2022 met het 3D-printen van menselijk weefsel, zoals oorprotheses. Hierbij worden levende cellen gebruikt als 'inkt'.
Een onderzoeksteam van de Penn State University (PSU) heeft meer recent een nieuwe bioprinttechniek ontwikkeld die gebruik maakt van sferoïden en clusters van cellen om complexe weefsels te maken. Deze techniek verbetert de precisie en schaalbaarheid van weefselproductie en kan weefsel 10 keer sneller produceren dan bestaande methoden.
