In de recente ontwikkelingen van 3D-printtechnologieën voor biomedische toepassingen speelt fotopolymerisatie een cruciale rol. Deze technologie maakt het mogelijk om biomaterialen te vervaardigen door gebruik te maken van licht om polymeren te verknopen, wat vooral handig is in de productie van scaffolds voor cellulaire culturen. Een belangrijke stap in dit proces is de keuze van fotoinitiatoren, die essentieel zijn voor het opstarten van de fotopolymerisatiereactie. Lithiumfenyl (2,4,6-trimethylbenzoyl) fosfinaat (LAP) is bijvoorbeeld een fotoinitiator die licht kan absorberen bij langere golflengtes dan ultraviolet (UV), waardoor het minder schadelijk is voor cellen in vergelijking met UV-licht. UV-licht kan, hoewel het effectief is voor de polymerisatie van materialen, schadelijke effecten hebben op cellen en omliggende weefsels, wat de voorkeur voor zichtbaar licht in de biomedische industrie versterkt.

Fotopolymerisatie met zichtbaar licht heeft als voordeel dat het minder schadelijk is voor levende cellen. Dit maakt het bijzonder geschikt voor toepassingen in de geneeskunde en tandheelkunde. Diverse systemen van fotopolymeriseerbare materialen, zoals die welke camphorquinone, eosine Y en ruthenium (Ru) bevatten, zijn ontwikkeld en geïmplementeerd voor biocompatibele 3D-printtechnieken. Deze systemen stellen ons in staat om complexe structuren te printen die zowel mechanische sterkte als biologische compatibiliteit combineren, essentieel voor het imiteren van menselijke weefsels of organen.

Wanneer we kijken naar de materialen die worden gebruikt in 3D-printen, moeten we onderscheid maken tussen synthetische en natuurlijke polymeren. Synthetische polymeren hebben doorgaans goede mechanische eigenschappen, maar hun biologische prestaties laten vaak te wensen over. Natuurlijke polymeren bieden daarentegen voordelen zoals een hoge biologische compatibiliteit, maar ze hebben beperkte mechanische sterkte en kunnen potentieel immunogene reacties veroorzaken. Een gebruikelijke benadering is het modificeren van deze polymeren door fotoreactieve groepen, zoals vinylgroepen of methacryloylgroepen, toe te voegen, zodat ze lichtgeactiveerde polymerisatiereacties kunnen ondergaan.

Polyethyleenglycol (PEG) is een veelgebruikte synthetische polymeer die goed oplosbaar is in water en wordt goedgekeurd door de FDA voor gebruik in voedsel, cosmetica en farmaceutische producten. Wanneer PEG wordt gemodificeerd met acrylaten (zoals PEGDA of PEGDMA), kan het worden gebruikt om biocompatibele 3D-structuren te maken. Deze kunnen variëren van eenvoudige geometrieën tot complexe cellulaire constructies voor medicijnafgifte of weefselregeneratie. Een ander voorbeeld is polycaprolacton (PCL), een biologisch afbreekbare polymeer die goed presteert als botherstelmateriaal door de mogelijkheid om poriën te creëren via fotopolymerisatie. PVA (polyvinylalcohol) is ook een veelbelovende kandidaat voor 3D-printen van biomaterialen. Het wordt veel gebruikt voor kunstmatige kraakbeenconstructies en cardiovasculaire weefsels dankzij zijn visco-elastische eigenschappen die de mechanische eigenschappen van menselijk weefsel nabootsen.

Naast synthetische polymeren worden natuurlijke polymeren zoals gelatine en collageen vaak gebruikt voor biocompatibele 3D-printing. Gelatine heeft als voordeel dat het afgeleiden is van collageen en daardoor peptiden bevat die de binding en proliferatie van cellen bevorderen. Foto-actieve gelatine, die is gemodificeerd door methacrylering (GelMA), maakt het mogelijk om cellulaire constructies te creëren die goed functioneren als scaffolds voor weefselregeneratie.

Voor medische toepassingen is het belangrijk dat de gekozen biomaterialen niet alleen goed met cellen samenwerken, maar ook beschikken over mechanische eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van het beoogde weefsel. De mogelijkheid om materialen aan te passen aan specifieke fysiologische omgevingen, zoals de sterkte van bot of de flexibiliteit van huid, maakt 3D-printtechnologie uitermate geschikt voor de productie van gepersonaliseerde medische hulpmiddelen en weefselherstelstructuren.

De recente vooruitgangen in de fotopolymerisatie van zowel synthetische als natuurlijke polymeren hebben de mogelijkheden van 3D-printen in de geneeskunde enorm vergroot. Toch is het van essentieel belang dat de fotopolymeerprecursers niet alleen biocompatibel zijn, maar ook de juiste mechanische en biologische eigenschappen bezitten om hun functie in medische toepassingen te vervullen. Er is nog steeds veel onderzoek nodig om deze materialen verder te verbeteren en te optimaliseren voor een breder scala aan klinische toepassingen.

Hoe Effectieve Fotoinitiatorsystemen de 3D-Printing Prestaties Verbeteren

De absorptiespectra van de lichtverplaatsing (redshifted) van de coumarinen in Groep 1 leidden tot een grotere overlap met de lichtemissie van de LED bij 405 nm, wat hun fotoinitiatiecapaciteiten aanzienlijk versterkte. Naast het epoxy-monomer, toonde het vinylmonomeer tri(ethyleenglycol)divinylether (DVE-3) een hogere functionele conversie (FC) vergeleken met EPOX in de aanwezigheid van CoumIods. Wanneer de CoumIods van Groep 1 aanwezig waren, bereikten de FC's van DVE-3 80-95%. In tegenstelling tot dit, gaven de CoumIods uit Groep 2 slechts een conversie van 11-28% van DVE-3. Deze resultaten zijn in lijn met het geobserveerde fotopolymerisatiegedrag van DVE-3 in de aanwezigheid van CoumIods. Bovendien bevestigde de inductietijd (tI) de voorgestelde theorie, waarbij de CoumIods van Groep 1 leidden tot aanzienlijk kortere inductietijden in vergelijking met die van Groep 2.

De foto-polymerisatie van het materiaal werd geëvalueerd via real-time FTIR en foto-DSC, waarbij het effect van 2 gew% Iod-geïmmobiliseerde coumarinen voor EPOX en 1 gew% voor DVE-3 en OXT-221 werd onderzocht onder LED-irradiatie bij 405 nm. De resultaten toonden aan dat de CoumIods uit Groep 1 het fotopolymerisatieproces aanzienlijk versterkten in vergelijking met die uit Groep 2. De kortere inductietijd en hogere conversiepercentages van DVE-3 benadrukken het potentieel van de CoumIods uit Groep 1 voor efficiënte fotoinitiatie in 3D-printmaterialen.

Vanuit een praktische benadering bleek dat de formulering van EPOX/OXT-221/DVE-3 (40/30/30, gew%) in combinatie met 2 gew% CoumIod-1 een succesvolle productie van een 3D-geprinte plaat met het opschrift "7M-P" mogelijk maakte via een DLP 3D-printer. De randen van de 3D-geprinte plaat vertoonden scherpe definities onder zowel daglicht als UV-zaklamplicht. Het oppervlak en de textuur van de geprinte plaat kwamen overeen met het beoogde ontwerp van het 3D-model, wat wijst op de hoge resolutie en de consistente afwerking van het geprinte object.

Naast de CoumIods worden vitaminen zoals vitamine K, die afgeleid zijn van natuurlijke naphthoquinonen, ook onderzocht als potentiële fotoinitiators voor 3D-printen. Zowel vitamine K1 als vitamine K3 vertoonden hun maximale lichtabsorptie bij ongeveer 335 nm, wat hen in staat stelde om fotoinitiatie te realiseren bij LED-irradiatie bij 405 nm. Vitamine K1 vertoonde een betere fotoinitiatiecapaciteit in TMPTA-formuleringen, terwijl vitamine K3 effectiever was in PEGDA 600-formuleringen, vooral in de aanwezigheid van een co-initiatormolecuul zoals EDB of Iod2. Deze bevindingen suggereren dat natuurlijke fotoinitiators zoals vitamine K de mogelijkheid bieden om fotopolymerisatie in 3D-printmaterialen verder te optimaliseren en de printresolutie te verbeteren.

Naast vitamines en coumarinen zijn carbazolderivaten, zoals N-vinylcarbazole (NVK), bekend als co-initiatormoleculen voor cationische polymerisatie. De carbazole-oxime esters, die zowel voor één-foton als twee-foton polymerisatie kunnen worden gebruikt, vertonen absorptie bij 405 nm, wat hun toepasbaarheid voor 3D-printen verder vergroot. Deze carbazole-derivaten hebben de potentie om de fotoinitiatiecapaciteit te verbeteren door het verschuiven van hun lichtabsorptiespectrum naar langere golflengten, wat zorgt voor een efficiëntere initiatie van polymerisatie.

Het is belangrijk te begrijpen dat de effectiviteit van fotoinitiatorsystemen sterk afhankelijk is van de combinatie van materialen, zoals monomeren en initiators, en de gebruikte lichtbron. Niet alleen de absorptiegolflengte van de fotoinitiator speelt een rol, maar ook de interactie tussen het fotoinitiatorsysteem en het monomeer. Bij het ontwikkelen van geoptimaliseerde 3D-printresins is het cruciaal om te zorgen voor de juiste balans tussen initiatorconcentratie, lichtabsorptie-eigenschappen en polymerisatiemethoden. Verder kunnen bijkomende factoren zoals de viscositeit van de resin, de fotopolymerisatiedynamiek, en de gewenste mechanische eigenschappen van het eindproduct van invloed zijn op de keuze van het initiatorsysteem.

Hoe de Technologie van Femtoseconde Laser Non-Lineaire Lithografie Wordt Toegepast in de Biomedische Wetenschappen

Femtoseconde laser non-lineaire lithografie (TPL) heeft zich de afgelopen jaren ontwikkeld als een baanbrekende technologie, met toepassingen die steeds verder de grenzen van de wetenschap en techniek verleggen. De technologie maakt gebruik van lasers met extreem korte pulsduur om nauwkeurige microstructuren te creëren op de schaal van nanometers, wat enorme voordelen biedt in verschillende onderzoeksgebieden. In dit artikel onderzoeken we de impact van TPL op biomedisch onderzoek, waarbij we specifiek kijken naar de ontwikkeling van lichtgevoelige materialen en hun rol in de fabricage van biologische structuren en systemen.

In de eerste plaats biedt de eigenschap van vloeibare kristallen (LC's) in TPL interessante mogelijkheden. Vloeibare kristallen combineren de vloeibaarheid van een vloeistof met de geordende moleculaire structuur van een vast materiaal, wat hen bijzonder geschikt maakt voor toepassingen waarbij lichtdoorlaatbaarheid gecontroleerd moet worden. Wanneer de LC’s geactiveerd worden door een lichtbron, past de moleculaire oriëntatie zich aan, waardoor licht door het materiaal kan passeren. Wanneer de lichtbron wordt uitgeschakeld, keert de structuur terug naar een chaotische toestand en blokkeert het licht. Dit vermogen om licht te blokkeren of door te laten wordt gebruikt in de fabricage van lichtgevoelige apparaten, zoals micropistons, die zich kunnen uitzetten of samentrekken afhankelijk van de belichting (Figuur 8.18(c)).

Deze technologie heeft ook een directe impact op de ontwikkeling van biomedische apparaten. In 2013 toonde Zeng et al. aan dat het mogelijk was de moleculaire oriëntatie van een polymeernetwerk te behouden wanneer de microstructuur van vloeibare kristallen werd voorbereid. Dit bracht een nieuwe richting in de ontwikkeling van lichtgevoelige materialen voor biomedische toepassingen. Een ander voorbeeld is de vervaardiging van een lichtgevoelige actuator door Descrovi et al. in 2018, die gebruik maakte van een fotocureerbare azopolymeerverbinding. Het idee was om films te creëren die, wanneer ze onder lichtbestraling worden gezet, uitzetten, en weer in hun oorspronkelijke vorm terugkeren zodra de belichting wordt uitgeschakeld. Dit principe kan worden toegepast in de biomedische wereld voor het creëren van flexibele, gereedschapsachtige structuren die cellen kunnen vastpakken en loslaten, of die beweging kunnen genereren op de nanometer- of micronschaal.

Binnen de biomedische toepassingen zijn er verschillende domeinen waarin TPL aanzienlijke vooruitgangen heeft geboekt. Een van de belangrijkste toepassingen is het gebruik van hydrogels in de celtechnologie. Hydrogels bieden een uitstekende biocompatibiliteit en lage toxiciteit, wat ze ideaal maakt voor toepassingen in de geneeskunde, zoals cellen fixeren of migratie induceren. Hydrogels kunnen worden geprint in complexe driedimensionale structuren die cellen kunnen vasthouden en daardoor hun migratie en interactie kunnen sturen. Brigol et al. gebruikten bijvoorbeeld hydrogels om een 3D-structuur te creëren die cellen kon migreren, waarbij het controleerde in welke mate de cellen zich hechten aan de matrijs, afhankelijk van de mate van cross-linking in de gel. Dit inzicht is van groot belang voor het verder ontwikkelen van technologieën die de celgedrag beïnvloeden voor regeneratieve geneeskunde en celtherapie.

TPL biedt echter nog meer mogelijkheden voor cellulaire manipulatie. In 2016 ontwikkelden Peters et al. een magnetische robot met behulp van superparamagnetische polymeercomposieten, die konden worden aangestuurd door een extern magnetisch veld. Deze technologie maakte het mogelijk om gerichte druglevering te realiseren, wat cruciaal is voor therapieën die gericht zijn op specifieke cellen of weefsels. Het gebruik van dergelijke microrobots in de geneeskunde kan de behandeling van ziekten aanzienlijk verbeteren door nauwkeurige medicijntoediening en minimal invasieve chirurgie.

Een andere belangrijke vooruitgang betreft de ontwikkeling van biocompatibele en biologisch afbreekbare materialen voor weefselengineering. TPL wordt steeds vaker gebruikt om scaffolds te vervaardigen die als biologisch vervangingsmateriaal voor beschadigd weefsel kunnen dienen. Bijvoorbeeld, Koroleba et al. gebruikten fotopolymeriseerbaar poly- melkzuur (PLA) om scaffolds te produceren die de groei van cellen ondersteunden, wat wijst op de potentie van TPL in het helpen herstellen van zenuwweefsels. In een ander voorbeeld werd een scaffold gemaakt van cross-linked PEGDA en hyaluronzuur gebruikt voor de efficiënte kolonisatie van neurocellen, wat helpt bij zenuwregeneratie.

Naast de bovengenoemde toepassingen is er een toenemende interesse in het gebruik van TPL voor de ontwikkeling van microswimmers die kunnen worden gebruikt in drug delivery systemen. De combinatie van TPL met nontoxische hydrogelmaterialen, zoals gelatinemethacryloyl (GelMA), heeft geleid tot de ontwikkeling van biodegradeerbare microswimmers. Deze kunnen in vivo worden gecontroleerd voor gerichte medicijnafgifte en kunnen ook nuttige therapeutische functies, zoals hyperthermie, uitvoeren. Het gebruik van dergelijke technologie in de geneeskunde kan niet alleen de effectiviteit van behandelingen verbeteren, maar ook de bijwerkingen verminderen door de nauwkeurige controle over de plaats en tijd van de medicijnafgifte.

Het is echter belangrijk te begrijpen dat de integratie van TPL in de biomedische wetenschap niet zonder uitdagingen is. Er is veel behoefte aan verdere interdisciplinaire samenwerking om de specifieke eisen van biocompatibiliteit, afbreekbaarheid, en fysiologische veiligheid te waarborgen. De materialen die voor TPL worden gebruikt, moeten niet alleen geschikt zijn voor medische toepassingen, maar ook moeten ze in staat zijn zich aan te passen aan de dynamische fysiologische omstandigheden waarin ze functioneren. De technologie heeft nog een lange weg te gaan voordat het in de klinische praktijk volledig kan worden ingezet, maar de vooruitgangen die tot nu toe zijn geboekt bieden veelbelovende vooruitzichten voor de toekomst van de biomedische technologie.

Wat zijn de voordelen en uitdagingen van RAFT-polymerisatie in 3D-printprocessen?

RAFT-polymerisatie biedt aanzienlijke voordelen voor de synthese van polymere netwerken, vooral wanneer het wordt toegepast op de productie van driedimensionale (3D) structuren. Een van de belangrijkste kenmerken van RAFT (Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer) polymerisatie is de mogelijkheid om de propagatie van radicalen te reversibel te deactiveren. Dit stelt wetenschappers in staat om de ketengroei nauwkeurig te controleren, wat leidt tot een uniformere netwerkinrichting. Dit is vooral belangrijk voor polymeren die moeten worden gecrosslinkt, omdat het de consistentie en stabiliteit van de uiteindelijke structuur bevordert. Dit wordt mogelijk gemaakt door het dynamische evenwicht tussen actieve en inactieve radicalen in het systeem.

Een van de belangrijkste toepassingen van RAFT-polymerisatie is de modificeerbaarheid van de polymeerstructuren na de initiële polymerisatie. Dit gebeurt door het toepassen van specifieke RAFT-agents, zoals trithiocarbonaten (TTC), die de vorming van een dynamisch evenwicht tussen inactieve en actieve radicalen bevorderen. Dit dynamische proces biedt een unieke mogelijkheid voor zelfherstel van polymeren. De TTC-eenheden in een netwerk kunnen namelijk reageren door het uitwisselen van covalente bindingen, wat leidt tot een herschikking van de netwerkstructuur. Hierdoor kunnen beschadigde delen van het polymeernetwerk zichzelf herstellen, wat het materiaal geschikt maakt voor toepassingen waar duurzaamheid en langdurige prestaties belangrijk zijn.

Zeker, de reversibele karakteristieken van RAFT-polymerisatie maken het mogelijk om welomschreven polymeren te synthetiseren met behoud van functionele groepen die later in post-synthetische modificaties kunnen worden gebruikt. Deze groepen stellen onderzoekers in staat om de eigenschappen van het polymeer verder te manipuleren, bijvoorbeeld door ketenverlenging of het verbinden van verschillende blokken om complexere structuren te creëren. Hoewel deze technieken waardevolle nieuwe mogelijkheden bieden, is het belangrijk te erkennen dat ze complexiteit met zich meebrengen, bijvoorbeeld door mogelijke afbraak van de thiocarbonylthio-groepen, wat de integriteit van het polymeernetwerk kan verminderen.

Wanneer RAFT-polymerisatie wordt gecombineerd met fotopolymerisatie, ontstaat een nieuw spectrum van mogelijkheden, vooral in de context van 3D-printen. Het gebruik van UV-licht, en tegenwoordig ook zichtbaar licht, maakt het mogelijk om polymerisatieprocessen snel te starten en te regelen, waardoor het ideaal is voor laag-voor-laag 3D-printen. De voordelen van zichtbaar licht liggen in de eco-vriendelijkheid en lagere thermische effecten, waardoor het geschikt is voor biomedische toepassingen en andere gevoelige materialen. Zichtbaar licht kan dieper in materialen doordringen, waardoor het printproces sneller verloopt, wat van cruciaal belang is voor de fabricage van complexe 3D-structuren.

Een bijzonder veelbelovende ontwikkeling in dit gebied is de toepassing van fotoredox-geïnitieerde RAFT-polymerisatie (PET-RAFT). Hierbij worden fotoredox-katalysatoren gebruikt om RAFT-agents te activeren via lichtinteractie, wat de reversibele deactivatie van radicalen regelt. Dit proces heeft niet alleen een impact op de initiële polymerisatie, maar kan ook gebruikt worden voor post-synthetische modificaties van reeds gevormde netwerken. Onderzoekers hebben aangetoond dat door gebruik te maken van zichtbaar licht (bijvoorbeeld groen of blauw) RAFT-agents binnen een netwerk geactiveerd kunnen worden, wat leidt tot netwerkuitbreiding of oppervlakteveranderingen. Deze techniek biedt nieuwe mogelijkheden voor het verder aanpassen van polymere netwerken nadat ze zijn geprint.

Daarnaast is er veel interesse in de ontwikkeling van photoexpandable- of transformeerbare polymeernetwerken, die gebruik maken van fotoiniferter-polymerisatie. Bij dit proces worden RAFT-agents die op specifieke plaatsen in een netwerk zijn ingebed, opnieuw geactiveerd door licht, zodat monomeren aan het netwerk kunnen worden toegevoegd. Dit kan zowel in de kern als op het oppervlak van het netwerk gebeuren, wat de structuur verder kan uitbreiden of modificeren. De uitdaging hierbij ligt in het verkrijgen van een uniforme groei van het netwerk, omdat conventionele cross-linkers vaak de toegang tot de RAFT-sites beperken.

Deze geavanceerde technologieën voor het modificeren van polymeren met behulp van lichtgevoelige RAFT-agenten bieden veelbelovende mogelijkheden voor de 3D-printindustrie. Ze maken het mogelijk om netwerken te creëren die zowel aanpasbaar als zelfherstellend zijn, wat van belang is voor toepassingen die veeleisend zijn in termen van duurzaamheid en lange levensduur van materialen.

Bij het overwegen van deze technieken is het belangrijk om te begrijpen dat hoewel de potentiële voordelen groot zijn, de complexiteit van het proces niet mag worden onderschat. Het gebruik van RAFT-polymerisatie in 3D-printen vereist zorgvuldige controle over de reactieomstandigheden, de keuze van de juiste RAFT-agenten, en de afstemming van de fotopolymerisatieprocessen. De combinatie van deze factoren maakt het mogelijk om het gedrag van polymere netwerken nauwkeurig te regelen, wat leidt tot de ontwikkeling van nieuwe materialen met ongekende eigenschappen.

Hoe Arietta De Slechte Lachende Leaf Verslaat en Vrede Brengt
Wat maakt een gecomprimeerde luchtmotor geschikt voor voertuigen?
Hoe worden 2D halfgeleiders gesynthetiseerd en gekarakteriseerd, en wat bepaalt hun functionele eigenschappen?
Hoe Samenvattingen en Groeperingen Data Kunnen Helpen Bij Statistische Analyse
Hoe verlies en liefde zich kruisen in tijden van oorlog