Een nieuwe 3D-printmethode zou een vliegende start kunnen maken voor het maken van kleine medische apparaten voor het lichaam

Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een nieuwe methode ontwikkeld voor 3D-printen van gels en andere zachte materialen. Gepubliceerd in een nieuw artikel, heeft het de potentie om complexe structuren te creëren met precisie op nanometerschaal. Omdat veel gels compatibel zijn met levende cellen, zou de nieuwe methode de productie van zachte, kleine medische apparaten, zoals medicijnafgiftesystemen of flexibele elektroden die in het menselijk lichaam kunnen worden ingebracht, een vliegende start kunnen geven.

Een standaard 3D-printer maakt solide structuren door vellen materiaal te maken – meestal plastic of rubber – en deze laag voor laag op te bouwen, zoals een lasagne, totdat het hele object is gemaakt.

Het gebruik van een 3D-printer om een ​​voorwerp gemaakt van gel te fabriceren is een “iets delicater kookproces”, zei NIST-onderzoeker Andrei Kolmakov. Bij de standaardmethode wordt de 3D-printerkamer gevuld met een soep van polymeren met lange ketens – lange groepen moleculen die aan elkaar zijn gebonden – opgelost in water. Vervolgens worden ‘kruiden’ toegevoegd – speciale moleculen die gevoelig zijn voor licht. Wanneer licht van de 3D-printer die speciale moleculen activeert, hechten ze de polymerenketens aan elkaar zodat ze een donzige webachtige structuur vormen. Deze steiger, nog steeds omgeven door vloeibaar water, is de gel.

Moderne 3D-gelprinters hebben doorgaans ultraviolet of zichtbaar laserlicht gebruikt om de vorming van de gelsteiger te initiëren. Kolmakov en zijn collega’s hebben hun aandacht echter gericht op een andere 3D-printtechniek om gels te fabriceren met behulp van elektronenbundels of röntgenstralen. Omdat deze soorten straling een hogere energie of kortere golflengte hebben dan ultraviolet en zichtbaar licht, kunnen deze bundels strakker worden gefocusseerd en daardoor gels produceren met fijnere structurele details. Dergelijke details zijn precies wat nodig is voor weefselmanipulatie en vele andere medische en biologische toepassingen. Elektronen en röntgenstralen bieden een tweede voordeel: ze hebben geen speciale set moleculen nodig om de vorming van gels op gang te brengen.

Maar op dit moment kunnen de bronnen van deze strak gefocusseerde straling met korte golflengte – rasterelektronenmicroscopen en röntgenmicroscopen – alleen in een vacuüm werken. Dat is een probleem, want in een vacuüm verdampt de vloeistof in elke kamer in plaats van een gel te vormen.

Kolmakov en zijn collega’s bij NIST en bij de Elettra Sincrotrone Trieste, in Italië, losten het probleem op en demonstreerden 3D-gelprinten in vloeistoffen door een ultradunne barrière – een dunne laag siliciumnitride – tussen het vacuüm en de vloeistofkamer te plaatsen. De dunne laag beschermt de vloeistof tegen verdamping (zoals gewoonlijk in vacuüm), maar laat röntgenstralen en elektronen in de vloeistof doordringen. Dankzij deze methode kon het team de 3D-printbenadering gebruiken om gels te maken met structuren zo klein als 100 nanometer (nm) – ongeveer 1000 keer dunner dan een mensenhaar. Door hun methode te verfijnen, verwachten de onderzoekers structuren te printen op de gels zo klein als 50 nm, de grootte van een klein virus.

Sommige toekomstige structuren die met deze benadering worden gemaakt, kunnen flexibele injecteerbare elektroden zijn om hersenactiviteit te volgen, biosensoren voor virusdetectie, zachte micro-robots en structuren die levende cellen kunnen nabootsen en ermee kunnen interageren en een medium vormen voor hun groei.

“We introduceren nieuwe tools – elektronenbundels en röntgenstralen die in vloeistoffen werken – voor 3D-printen van zachte materialen,” zei Kolmakov. Hij en zijn medewerkers beschreven hun werk in een artikel dat online op 16 september werd geplaatst ACS Nano.