Onderzoekers 3D-printen levende cellen met aangepaste vorm van xolografie

Een aangepaste vorm van Xolografie maakt het 3D-printen van levende cellen mogelijk. Dit biedt interessante mogelijkheden, en kan de weg vrijmaken voor het 3D-printen van nieren en spierweefsel.

Het gaat om onderzoek van TU/e-onderzoekers Lena Stoecker en Miguel Dias Castilho. Xolografie is een nieuwe 3D-printtechniek die gebruikmaakt van de kruising van lichtstralen van twee verschillende golflengtes in een lichtreactieve vloeistof. Het samenkomen van de lichtstralen zorgt dat de vloeistof verandert in een gedetailleerd en stevig 3D-object. Zo kan in minder dan een minuut een object ter grootte van een gummibeer worden geprint.

Snel én nauwkeurig

Waar veel andere lichtprinttechnieken ofwel langzaam en nauwkeurig ofwel snel en onnauwkeurig zijn, combineert Xolografie juist snelheid en nauwkeurigheid. Het kan daarbij printen tot een resolutie van 20 µm. Bij Xolografie print je door een vloeistof te ‘curen’, waarbij je deze vastmaakt. De printer bepaalt de vorm door plakjes van het gewenste weefsel op te delen in plakjes. Vervolgens projecteert het dit beeld plakje voor plakje op een lichtblad en hard het materiaal telkens uit.

Voor het printproces zijn twee soorten licht nodig: UV-licht en zichtbaar licht. De vloeistof reageert op blootstelling aan UV-licht, wat het materiaal ‘aanschakelt’. De projectie van de beelden van de gewenste structuur op de vloeistof vindt plaats met zichtbaar licht. Met behulp van polymerisatie stolt de vloeistof in de uiteindelijke vorm.

Techniek ontwikkeld door Xolo

De techniek is ontwikkeld door de Duitse chemicus Stefan Hecht en natuurkundige Martin Regehly. Zij hebben binnen de spin-off Xolo de techniek aangepast voor diverse toepassingen. Dias Castilho: “Vier jaar geleden was Xolo op zoek naar manieren om zijn 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.”

Stoecker en Dias Castilho zijn er inmiddels in geslaagd weefsel met licht te printen. Zij zijn daarmee de eerste wetenschappers ter wereld die de technologie gebruiken voor het printen van levend weefsel. Hecht en Regehly volgen hun onderzoek dan ook op de voet.

Diverse uitdagingen

Het printen van weefsel leverde diverse uitdagingen op. “De gebruikte materialen moeten onder meer biocompatibel zijn. Naast de hydrogels die we voor het proces ontwikkelden, ontdekten we dat het foto-initiatorsysteem zelf niet erg celvriendelijk was en moest worden vervangen. In nauwe samenwerking met het bedrijf hebben we de materiaalformuleringen ontwikkeld en geoptimaliseerd om ervoor te zorgen dat ze veilig zijn voor biomedische toepassingen”, meldt Dias Castilho.

‘Steigers’ van hydrogel worden geprint, en vervolgens in het lab als ondersteuningsstructuren gebruikt om cellen op te kweken. “Om succesvol weefsel te kweken, streven we ernaar dat de hydrogelsteigers kenmerken bevatten die de natuurlijke omgeving van bijvoorbeeld beenmergcellen nabootsen”, legt Stoecker uit. “We konden gedetailleerde steigers printen met poriën in het bereik van 100 μm–1 mm, wat de toevoer van voedingsstoffen door de steiger tijdens de celcultuur zou kunnen garanderen. Kleine verhoogde elementen konden worden geprint tot slechts 20 μm, in de grootte van een menselijke cel.”

Natuurlijk weefsels vertonen uitdagende eigenschappen

Een andere uitdaging bestond uit de verschillende eigenschappen die natuurlijke weefsels vertonen. Printen op kleine schaal is dan ook niet voldoende voor het nabootsen van natuurlijk weefsel en nauwkeurige controle uitoefenen over het gedrag van de cel. “Natuurlijke weefsels vertonen verschillende eigenschappen, ze zijn bijvoorbeeld stijver op de ene plaats en flexibeler op de andere”, aldus Stoecker. Veel bestaande printtechnieken zijn gericht op het printen van objecten die homogener zijn. De onderzoekers zijn erin geslaagd de eigenschappen volledig te controleren, waardoor zij waar nodig stijvere en flexibelere gebieden kunnen creëren.

Het team is erin geslaagd thermisch responsieve hydrogels te gebieden, die het creëren van 4D-geprinte structuren mogelijk maken. “Deze materialen kunnen in de loop van de tijd van vorm of eigenschappen veranderen als reactie op temperatuurveranderingen, waardoor complexere en functionelere weefselconstructies mogelijk worden”, meldt Dias Castilho, “zoals kunstmatige spieren die kunnen buigen en strekken als reactie op subtiele temperatuurveranderingen.” De onderzoeker voegt toe: “We hebben nu aangetoond dat deze technologie veelbelovende mogelijkheden biedt voor de gezondheidszorg. Het stelt ons in staat om meer realistische en beter functionerende weefselmodellen en implantaten te maken.”

‘Lange weg te gaan’

De resultaten van het onderzoek zijn door de onderzoekers gepubliceerd in Advanced Materials. De onderzoekers verwachten dat de inzichten uit het onderzoek de lichtgebaseerde fabricage van celbeladen hydrogels met hoge resolutie en programmeerbare mechanische eigenschappen en vorm kunnen bevorderen. Stoecker voegt toe: “Ik ben me er van bewust dat ons onderzoek nog een lange weg te gaan heeft om mensen te bereiken, maar ik vind het een prettig idee dat de technieken die we in het lab ontwikkelen misschien ooit zullen bijdragen aan het verbeteren van de gezondheid en iemands leven.”

Auteur: Wouter Hoeffnagel
Beeld: Bart van Overbeeke