3D-printen en origami bij ontwikkeling zelfvouwende medische implantaten (video)

Volledige regeneratie van functioneel weefsel is de heilige graal van de weefselkweek en zou een revolutie teweeg kunnen brengen in de behandeling van vele ziekten. Voor effectieve weefselregeneratie zijn vaak multifunctionele biomaterialen nodig. Op dat gebied wordt momenteel veel onderzoek gedaan. Een voorbeeld daarvan is het grote onderzoeksproject – geleid door Maastricht UMC+ – op het gebied van ‘slimme’ 3D geprinte implantaten om botdefecten mee te herstellen, waaraan de TU Delft een van de deelnemers is. Dat project is deze maand van start gegaan. Als het een succes wordt, betekent dat voor patiënten sneller herstel en minder operaties.

Oppervlak

De toepassingsmogelijkheden van 3D geprinte bio-implantaten gaan echter verder dan het repareren van botdefecten. Dr. Amir Zadpoor is een van de onderzoekers van de TU Delft die op dit gebied actief zijn. Hij werkt nauw samen met ziekenhuizen zoals het LUMC, het UMC en het AMC.

"In het ideale geval worden biomaterialen niet alleen geoptimaliseerd in termen van hun 3D-structuur, maar ook wat betreft de nanopatronen op hun oppervlak", vertelt Zadpoor. "Met 3D-printen kunnen we weliswaar heel complexe 3D-structuren maken, maar op het oppervlak kan tijdens het 3D-printproces maar heel beperkt invloed worden uitgeoefend. Met technieken uit de nanolithografie kunnen wel heel complexe nanopatronen worden gegenereerd, 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."

Origami

Zadpoor heeft deze impasse doorbroken 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 platte oppervlak voorzien van complexe nanopatronen. Als laatste stap wordt het zelfvouwende mechanisme geactiveerd (bijvoorbeeld door de temperatuur te veranderen), zodat het platte vlak zich kan vouwen en er complexe 3D-structuren ontstaan.

Zadpoor: "De natuur gebruikt verschillende activeringsmechanismen om complexe transformaties te programmeren in de vorm en functionaliteit van levende organismen. Geïnspireerd door dat natuurlijke proces heeft ons team, waar onder andere de onderzoekers S. Janbaz en R. Hedayati deel van uitmaken, programmeerbare materialen ontwikkeld die in eerste instantie plat zijn (tweedimensionaal), maar die wanneer ze worden gestimuleerd door een prikkel zoals bijvoorbeeld een temperatuurswisseling zelf van vorm kunnen veranderen en een complexe driedimensionale geometrie kunnen aannemen."

Transformatie

"We hebben 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 van die 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."

Publicatie in Materials Horizons  
Video programmed pattern formation in cellular solids 
Video self-folding origami  
Video self-twisting of DNA-inspired constructs   
Website Biomaterials & Tissue Biomechanics TU Delft
Onderzoeksverhaal ‘Ziekenhuis van de toekomst’