Het 3D-printen van organen kan uitkomst bieden voor het tekort aan orgaandonoren. In de praktijk is het printen van weefsels, ook wel bioprinten genoemd, zeer complex en uitdagend. Een nieuw soort 3D-bioprinter die meekijkt en -denkt biedt uitkomst.
De printer is ontwikkeld door het team van Riccardo Levato aan het UMC Utrecht en de Universiteit Utrecht. Zij zetten computervisie in, ondersteund door kunstmatige intelligentie (AI). De 3D-bioprinter kijkt hierdoor mee met de print en past op basis van zijn bevindingen waar nodig het ontwerp aan.
Volumetrisch printen
De 3D-printer maakt gebruik van een techniek die volumetrisch printen heet. Hierdoor wordt in één keer een structuur geprint met behulp van een lichtgevoelige gel, die uithardt onder invloed van laserlicht. Een belangrijk voordeel van de 3D-printtechniek is de snelheid waarmee geprint kan worden en het feit dat het printproces ‘vriendelijker’ is voor de cellen die aanwezig zijn in de bioprints.
“Om een object te maken, richten we een reeks lichtprojecties op een ronddraaiende buis met daarin de cellen opgenomen in een lichtgevoelige gel. Op de plekken waar het licht samenkomt, verhardt het materiaal”, legt Riccardo uit. “Zo ontstaat er in één keer een volledig 3D-object, zonder dat we de cellen hoeven aan te raken.”
Functionele bloedvaten printen
Een belangrijke uitdaging bij 3D-bioprinten is het printen van functionele bloedvaten. Bloedvaten zorgen dat cellen zuurstof en voedingsstoffen krijgen. Zij moeten dan ook nauwkeurig worden geprint om levende weefsels te kunnen maken. Bij huidige printmethoden wordt een 3D-ontwerp gemaakt zonder dat bekend is waar de cellen zich in de lichtgevoelige gel bevinden, waardoor onduidelijk is waar de bloedvaten moeten worden geprint.
Een nieuwe technologie genaamd GRACE, wat staat voor Generative, Adaptive, Context-Aware 3D printing. GRACE biedt uitkomst. GRACE is ontwikkeld door Sammy Florczak, PhD-student in Levato’s lab. De technologie stelt 3D-printers in staat te zien waar de cellen zich bevinden en op basis hiervan binnen enkele seconden een netwerk van bloedvaten rond die cellen te produceren.
Wat zit er in het printmateriaal?
“Voor het maken van een goede print moet je begrijpen wat er in het printmateriaal zit, zodat het geprinte weefsel zo optimaal mogelijk in elkaar zit. De nieuwe technologie, genaamd GRACE, maakt dit mogelijk. Het opent nieuwe mogelijkheden in het bioprinten van functionele weefsels. En is daarmee een stap richting het herstel van letsel, het testen van medicijnen en zelfs het vervangen van complete organen”, schrijft het team op de website van UMC Utrecht.
De printer maakt gebruik van een speciale bio-inkt die is ontwikkeld door het team van Levato. Deze inkt is specifiek gericht op het 3D-printen van functionerend bioweefsel, wat uitdagingen oplevert. Zo zijn levende cellen kwetsbaar en kunnen zij niet overleven in een normale 3D-printer. De bio-inkt bestaat daarom uit een combinatie van voedzame gels en cellen die tijdens het printproces de cellen beschermen.
Meedenken over het ontwerp
“Voorheen was het printproces altijd afhankelijk van de ontwerper van de blauwdruk. GRACE denkt ook zelf mee aan het ontwerp”, aldus Florczak. “De printer ‘ziet’ welke cellen er in het printmateriaal zitten en waar deze zich bevinden. Vervolgens gebruikt de printer deze informatie en maakt, door middel van AI-tools, een passend ontwerp voor het te printen object. Deze nieuwe 3D-bioprinter heeft als het ware zijn eigen ogen en hersenen. Dit maatwerk levert weefsels op die beter overleven én beter functioneren.”
De technologie kan ook meerdere printstappen automatisch op elkaar afstemmen. Als voorbeeld noemen de onderzoekers een geprint stuk botweefsel, waarop in een later stadium een laag kraakbeen moet worden toegevoegd. Dit proces is normaliter lastig en vereist veel handwerk. GRACE vereenvoudigt dit proces door het bestaande weefsel te scannen en op basis hiervan een tweede laag te ontwerpen die perfect op het bestaande weefsel past.
‘Nog maar het begin’
Levato: “Dit eerste werk aan GRACE is nog maar het begin. We werken nu aan het vergroten van het aantal cellen dat geprint kan worden, zodat ook andere weefsels zoals hart en lever geprint kunnen worden. Bovendien willen we deze techniek openlijk toegankelijk maken voor andere laboratoria, zodat zij het kunnen toepassen op hun eigen printmethodes.”
