Hoe 3D-printing kan bijdragen aan biomedische toepassingen: Van gepersonaliseerde mondbeschermers tot bioprinten van organen

3D-printtechnologie heeft zich in de afgelopen jaren gepositioneerd als een veelbelovende techniek voor de medische sector, vooral vanwege zijn vermogen om gepersonaliseerde medische oplossingen te bieden die beter zijn afgestemd op de specifieke behoeften van patiënten. Een voorbeeld hiervan is het gebruik van micronaaldplatforms (MNs) voor het gecontroleerd afgeven van medicijnen, bijvoorbeeld voor de behandeling van orale zweren of vroege oppervlakkige tumoren. Deze systemen kunnen medicijnen, zoals het ontstekingsremmende middel dexamethason of het anticancermiddel 5-fluorouracil, in de micronaaldstructuur inbrengen. De MN's reageren op temperatuurveranderingen (tussen 20 en 37 °C), wat ervoor zorgt dat ze de geneesmiddelen actief afgeven wanneer ze doordringen in het doelweefsel en de temperatuurstijging detecteren. Dit mechanisme biedt een langdurige en gecontroleerde afgifte van de medicatie, dankzij de zwelling van de hydrogel die in het MN-materiaal is verwerkt.

De innovatie stopt niet bij het afgeven van medicijnen. De 3D-printtechnologie heeft ook zijn weg gevonden naar het bioprinten van weefsels en organen. Dit wordt gezien als een veelbelovende oplossing voor de groeiende vraag naar orgaantransplantaties, die wordt belemmerd door het beperkte aanbod van donororganen. In vergelijking met de printen van niet-biologische constructen, zijn de uitdagingen bij het bioprinten van weefsels en organen aanzienlijk groter. De belangrijkste moeilijkheden liggen in het vinden van geschikte biologische inkten (bioinks) die compatibel zijn met cellen, biologisch afbreekbaar zijn en de mechanische eigenschappen van de native organen kunnen nabootsen. Daarnaast is het van essentieel belang om methoden te ontwikkelen voor het uitbreiden en oogsten van voldoende cellen voor het printproces. Ook moet het bioprintproces in staat zijn om meerdere celtypes binnen patronen af te leggen die de complexe microarchitectuur van organen nabootsen. Tot slot is het creëren van vasculaire netwerken die de circulatie van zuurstof en voedingsstoffen binnen de geprinte weefsels mogelijk maken, een cruciale vereiste voor het succes van bioprinten.

Naast de vooruitgang in de bioprinttechnologie zijn er ook innovaties in de printtechnieken zelf. DLP (Digital Light Processing) is een veelbelovende techniek voor het snel afdrukken van bio-afbreekbare stents en andere medische apparaten. In een voorbeeld werd DLP gebruikt om op maat gemaakte luchtwegstents te printen, die vervolgens werden getest in een diermodel. Deze stents toonden veelbelovende resultaten op het gebied van precisie, flexibiliteit en afbreekbaarheid, wat de weg vrijmaakt voor de snelle productie van gepersonaliseerde medische hulpmiddelen.

Met de voortdurende vooruitgang in 3D-printertechnologie, biomaterialen en celbiologie zal het bioprinten van weefsels en organen waarschijnlijk verder evolueren. Het kan een revolutie teweegbrengen in de medische sector door gepersonaliseerde, functionele en duurzame medische oplossingen te bieden die patiënten direct ten goede komen.

Hoe twee-fotonenfotoinitiators de toekomst van 3D-printen kunnen bepalen

De toepassing van twee-fotonenabsorptie (TPA) in 3D-printtechnologieën heeft in recente jaren aanzienlijke vooruitgang geboekt. De theoretische basis van TPA werd voor het eerst voorgesteld door Göppert-Mayer in 1931 en later experimenteel bewezen door Kaiser en Garrett in 1961, kort na de uitvinding van de laser. Ondanks de vroege ontdekkingen bleef de toepassing van TPA lange tijd beperkt vanwege de zwakke TPA-eigenschappen van de gebruikte moleculen. Pas met de komst van geavanceerde lasertechnologieën en de ontwikkeling van nieuwe materialen werden de toepassingen van TPA beter benut.

TPA maakt het mogelijk om moleculen gelijktijdig twee fotonen te laten absorberen, wat resulteert in een veel betere ruimtelijke selectiviteit vergeleken met traditionele één-fotonenabsorptie (OPA). Dit is bijzonder nuttig voor microfabricage, zoals het printen van driedimensionale structuren met hoge precisie. Het gebruik van TPA maakt het mogelijk om polymerisatie te initiëren op specifieke punten in een 3D-ruimte, wat leidt tot een hogere resolutie en fijnere structuren dan mogelijk is met OPA. De laagste golflengten die bij TPA worden gebruikt zijn langer dan bij OPA, wat resulteert in een betere transmissie en minder schade door de lichtstraal.

Naast de geavanceerde toepassingen in de materiaalkunde, zoals 3D-printen van hydrogels en het creëren van nanostructuren, vindt TPA ook toepassing in andere gebieden, zoals de productie van optische schijven, microlasers en in de medische technologie. Een van de belangrijkste voordelen van TPA is de beperkte verspreiding van de energiedepositie, die vrijwel volledig wordt geconcentreerd in het gebied waar de laserstraal de moleculen bereikt, wat zorgt voor een meer gecontroleerde en efficiënte polymerisatie.

De overgang naar het gebruik van TPA voor 3D-printen is echter niet zonder uitdagingen. De meeste commerciële fotoinitiators vertonen lage δ-waarden, wat betekent dat de fotopolymerisatie traag verloopt en slechts in beperkte mate kan worden toegepast. Onderzoekers hebben zich daarom gericht op het ontwikkelen van nieuwe fotoinitiators met een hogere TPA-kruissectie en betere fotopolymerisatie-eigenschappen. Deze nieuwe moleculen, vaak op basis van organische verbindingen of organo-metaalcomplexen, bieden veelbelovende vooruitzichten voor het versnellen van de 3D-printtechnologie en het verbeteren van de structuurresolutie.

Er zijn verschillende benaderingen voor het ontwerp van fotoinitiators met een hogere TPA-kruissectie. Moleculen met een sterk conjugatiedomein, die bestaan uit zowel donor- als acceptorgroepen, blijken bijzonder geschikt te zijn voor het verbeteren van de TPA-eigenschappen. Dergelijke moleculen kunnen efficiënt de energie van twee fotonen absorberen, wat de polymerisatie op een lokaal niveau stimuleert. Deze materialen zijn essentieel voor het ontwikkelen van technologieën die gebruik maken van twee-fotonenpolymerisatie (TPP) voor 3D-printen van complexe structuren, zoals hydrogels en andere biologisch afbreekbare materialen, die een belangrijke rol spelen in medische en farmaceutische toepassingen.

Het proces van TPP biedt verschillende voordelen ten opzichte van traditionele 3D-printmethoden. Ten eerste kunnen fijnere structuren worden gecreëerd dankzij de verhoogde ruimtelijke selectiviteit van TPA. Daarnaast zijn de benodigde energie-instellingen lager dan bij traditionele één-fotonenpolymerisatie, wat betekent dat het materiaal minder snel wordt beschadigd door het licht. Dit opent de deur naar de productie van meer delicatere en complexere 3D-objecten met behulp van lichtgevoelige materialen.

Voor onderzoekers en ontwikkelaars van fotoinitiators en fotopolymerisatieprocessen is het essentieel om verder te kijken dan alleen de TPA-eigenschappen van de moleculen. Ook de stabiliteit van de initiators, hun compatibiliteit met verschillende soorten monomeren en de efficiëntie van de polymerisatie onder verschillende omstandigheden moeten in overweging worden genomen. Dit zou kunnen helpen om nieuwe initiators te ontwikkelen die zowel in commerciële als wetenschappelijke toepassingen toepasbaar zijn.

Naast de technische verbeteringen die nodig zijn om TPA-gebonden 3D-printen verder te ontwikkelen, is het ook belangrijk om te begrijpen dat de invloed van de gebruikte fotoinitiator niet alleen beperkt is tot de snelheid en de kwaliteit van de polymerisatie, maar ook de materiaaleigenschappen van het eindproduct beïnvloedt. De keuze van fotoinitiator bepaalt niet alleen de snelheid van de reactie, maar heeft ook invloed op de uiteindelijke mechanische en optische eigenschappen van de geprinte objecten. Dit heeft brede implicaties voor de ontwikkeling van nieuwe materialen die specifiek zijn ontworpen voor 3D-printen in de toekomst.

Hoe kunnen dual-wavelength systemen bijdragen aan de vooruitgang in 3D-printtechnologieën?

De fotopolymerisatie van zachte materialen heeft tal van toepassingen, variërend van traditionele coatings tot high-performance tandheelkundige materialen. Bij het ontwikkelen van netwerksystemen die worden gevormd door een licht-geactiveerde (spatiaal-resolved) functionalisatie, biedt het gebruik van twee golflengten, onafhankelijk geactiveerd, de mogelijkheid om verschillende materialen te verkrijgen uit één enkele resist-hars door simpelweg de specifieke golflengte te selecteren. Dit creëert een uiterst aantrekkelijke technologie voor de ontwikkeling van multicomposiet materialen in 3D-printtechnologieën.

Een van de interessante toepassingen van deze technologie is de 3D-printing van polydiaceetyleen (PDA), een materiaal dat bekend staat om zijn opvallende chromatische overgang (meestal van blauw naar rood) en fluorescentieversterking wanneer het wordt blootgesteld aan omgevingsstimuli zoals temperatuur, pH, oplosmiddelen en biomoleculaire affiniteit. Omdat PDA van nature een zwakke mechanische sterkte heeft, is het tot nu toe zelden mogelijk geweest om het gecontroleerd te polymeriseren en te printen met behulp van fotopolymerisatie. Door gebruik te maken van een dual-wavelength fotopolymerisatiestrategie, kan dit probleem echter worden overwonnen. Het diacetyleen (DA)-microaggregaat wordt homogeen verdeeld in een acrylhars, waarna zichtbaar LED-licht bij 405 nm wordt gebruikt voor de vrije radicalen fotopolymerisatie van de polyacrylaatmatrix. UV-straling wordt vervolgens toegepast om de 1,4-topotactische polymerisatie van PDA te induceren, wat leidt tot een gekleurde overgang van blauw naar paars naar rood als reactie op de stijgende temperatuur.

Door deze techniek toe te passen in de 3D-printing, kunnen macro-patronen met hoge resolutie worden gemaakt die thermochromisch gedrag vertonen. De voordelen van deze technologie strekken zich uit over een breed scala van toepassingen, zoals laserschrijven, kleurensensoren, informatieversleuteling en bescherming tegen vervalsingen. De combinatie van acrylaten met PDA biedt een veelbelovende benadering voor het ontwikkelen van fotocomposietmaterialen die gevoelig zijn voor externe stimuli en die snel visueel reageren op veranderingen in temperatuur.

Naast de uitdagingen van de fotopolymerisatie van acrylaten, zoals de zuurstofinhibitie die de efficiëntie van het proces onder luchtomstandigheden beïnvloedt, biedt de kationische fotopolymerisatie van epoxyharsen een robuuster alternatief. Epoxy-materiaal is minder gevoelig voor zuurstofinhibitie, wat het mogelijk maakt om onder atmosferische omstandigheden efficiënter te polymeriseren. Bovendien vertonen epoxygebaseerde polymeren lage krimp en hoge mechanische eigenschappen, wat ze bijzonder geschikt maakt voor vele praktische toepassingen.

In deze benadering wordt het epoxymateriaal eerst gepolymeriseerd met een LED bij 405 nm, waarna UV-straling wordt gebruikt voor de polymerisatie van PDA. Deze nieuwe fotocomposieten bieden uitstekende eigenschappen voor gebruik in de fabricage van 3D-patronen die zowel gevoelig zijn voor warmte als NIR-licht. Dit opent de deur naar toepassingen waarbij zowel thermische als NIR-lichtgevoelige responsen vereist zijn.

Voor de toekomst zijn er veelbelovende vooruitzichten voor dual-wavelength fotopolymerisatie in de additive manufacturing-industrie. Het stelt ontwerpers en ingenieurs in staat om materialen met specifieke eigenschappen te ontwikkelen die reageren op verschillende externe prikkels, wat een aanzienlijke impact kan hebben op sectoren zoals de medische technologie, de beveiliging en de consumentenproducten. Het potentieel van deze technologie gaat verder dan de huidige toepassingen en biedt mogelijkheden voor nieuwe innovaties in multifunctionele materialen die intelligent kunnen reageren op hun omgeving.

Wat zijn de voordelen van het gebruik van dubbele golflengte-systemen in 3D-printen?

Wat TPL bijzonder maakt, is de mogelijkheid om materialen op de gewenste schaal te polymeriseren door ze bloot te stellen aan fotoinitiatoren en monomeren. Dit maakt het gebruik van een breed scala aan materialen mogelijk, zolang deze in staat zijn tot fotopolymerisatie. De techniek biedt meerdere voordelen ten opzichte van traditionele 3D-printmethoden, zoals inkjet printen of selectief lasersinteren (SLS), omdat het de mogelijkheid biedt om laag-voor-laag precisie te vermijden door gebruik te maken van een gecontroleerde beweging van de laserfocaalpunt, wat leidt tot een grotere nauwkeurigheid in de structuur zonder afwijkingen door laagdikte.

Een andere belangrijke eigenschap van deze technologie is dat de resolutie van de geprinte structuren niet beperkt is tot de klassieke laag-per-laag benadering, maar in plaats daarvan een bottom-up benadering volgt, wat leidt tot een veel grotere precisie. Dit betekent dat, in tegenstelling tot andere technologieën, waarbij fouten zich opbouwen bij elke laag, TPL deze problemen kan vermijden door direct op nanoschaal te werken, wat resulteert in een accuratere reproductie van complexe ontwerpen.

Naast de voordelen die voortkomen uit de verfijning van de technologie, heeft de ontwikkeling van dubbele golflengte-systemen in 3D-printen de efficiëntie van het proces aanzienlijk verhoogd. Door gebruik te maken van twee verschillende lichtgolven kan men twee verschillende chemische reacties parallel laten plaatsvinden, wat niet alleen de snelheid van het printen verhoogt, maar ook de veelzijdigheid van de gebruikte materialen vergroot. Dit biedt een breed scala aan mogelijkheden voor het maken van complexe meervoudige materialen en structuren die aangepast kunnen worden aan specifieke behoeften, zoals het creëren van functionele oppervlakken of het maken van schakelaars die reageren op licht.

De impact van deze technologie is bijzonder relevant voor de geavanceerde fabricage van slimme apparaten en sensoren die in verschillende sectoren kunnen worden toegepast. De integratie van materialen met verschillende responsen op licht of warmte kan leiden tot de ontwikkeling van producten die zich kunnen aanpassen aan hun omgeving. Dit maakt het mogelijk om apparaten te ontwikkelen die zelfregulerend zijn of op specifieke manieren reageren op externe prikkels.

Wat belangrijk is om te begrijpen bij het gebruik van dergelijke geavanceerde 3D-printtechnieken, is dat de ontwikkeling van de technologie ook de behoefte aan nieuwe materialen en ontwerpprincipes met zich meebrengt. Het gebruik van dubbele golflengte-systemen kan bijvoorbeeld complex zijn, omdat het vereist dat materialen zorgvuldig worden geselecteerd om optimaal te reageren op verschillende golflengten van licht. Dit betekent dat onderzoekers en ingenieurs voortdurend bezig zijn met het ontwikkelen van nieuwe fotogevoelige materialen die aan deze eisen voldoen.

Het is ook van cruciaal belang om in gedachten te houden dat de ontwikkeling van dergelijke technologieën niet zonder uitdagingen is. De precisie die mogelijk wordt gemaakt door TPL vereist een diepgaande kennis van de fotochemische eigenschappen van de gebruikte materialen, evenals een zeer nauwkeurige controle van de laserapparatuur. Terwijl de techniek veelbelovend is, moet men zich bewust zijn van de technologische barrières die nog steeds moeten worden overwonnen om de productiviteit en schaalbaarheid van deze methoden verder te verbeteren.