Biologisch afbreekbare fotopolymeren spelen een cruciale rol in de vooruitgang van 3D- en 4D-printtechnologieën, vooral in de medische en biotechnologische sector. Een van de opmerkelijke eigenschappen van deze materialen is hun vermogen om na verharding bepaalde vorm- of structuurveranderingen te ondergaan, wat hen een unieke functionaliteit verleent voor het maken van op maat gemaakte medische hulpmiddelen en implantaten. Het gebruik van fotopolymeren in combinatie met technieken zoals digitale lichtverwerking (DLP) maakt het mogelijk om complexe structuren te printen met een hoge precisie, wat essentieel is voor de ontwikkeling van gepersonaliseerde medische producten.

Een voorbeeld van de toepassing van biologisch afbreekbare fotopolymeren is het gebruik van poly(glycerol dodecanoate) acrylaat (PGD-A) in combinatie met acrylzuur (AA), zoals beschreven door Lin en collega's. Dit materiaal vertoont uitstekende elastische en taaie eigenschappen, waarbij de verhoogde hoeveelheid PGD-A leidt tot een hogere transformatie temperatuur (T_trans). Dit maakt PGD-A tot een uitstekende kandidaat voor toepassingen in bloedvaten, bijvoorbeeld voor het ontwikkelen van vasculaire implantaten die zich na verloop van tijd biologisch afbreken zonder schadelijke gevolgen voor het lichaam. De resultaten van experimenten met dit materiaal, zoals het printen van een op maat gemaakte occluder voor de linkerboezem, hebben veelbelovende resultaten opgeleverd, waaronder beperkte gewichtsafname na in vivo implantatie en de mogelijkheid van transkatheterisatie in vitro.

Naast deze polyester-gebaseerde materialen, zijn er ook andere soorten biologisch afbreekbare polymeren die voordelen bieden voor 3D- en 4D-printen. Een voorbeeld is de synthese van polyurethaan diacrylaat (PEG-PU-DA) door Ionov en zijn team, die een hydrogelvorm vertoont met uitstekende eigenschappen voor weefselengineering, zoals het nabootsen van zenuw- en vaatweefsel. Dit hydrogelmateriaal vertoont interessante zelfkrullende eigenschappen, afhankelijk van veranderingen in de pH, wat het geschikt maakt voor het maken van zenuwgrafaten die zich kunnen aanpassen aan de omgeving waarin ze zich bevinden. De flexibiliteit en hoge waterinhoud maken het materiaal ideaal voor toepassingen in zachte weefsels, en de responsiviteit op externe prikkels zoals pH-veranderingen biedt een hoog niveau van controle over de gewenste vormverandering.

Bovengenoemde voorbeelden tonen aan hoe 3D- en 4D-printtechnologie in combinatie met biologisch afbreekbare fotopolymeren kan bijdragen aan gepersonaliseerde geneeskunde. Door fotopolymeren aan te passen aan de specifieke behoeften van het lichaam, kunnen op maat gemaakte implantaten en weefselconstructies worden gecreëerd die niet alleen effectief zijn, maar ook veilig en biologisch afbreekbaar.

Daarnaast zijn er ook andere benaderingen waarbij natuurlijke macromoleculen zoals eiwitten worden gebruikt in de formulering van 3D-geprinte constructies. Een voorbeeld hiervan is het gebruik van boviene serumalbumine (BSA) in combinatie met acrylaatgroepen in polyethyleenglycol-diacrylaat (PEGDA) om 4D-constructies te vervaardigen die kunnen reageren op omgevingsveranderingen zoals temperatuur of vochtigheid. Deze materialen vertonen interessante zwellingseigenschappen, wat hen geschikt maakt voor toepassingen in omgevingen waar gecontroleerde vormverandering vereist is, zoals in het geval van vaatprotheses of andere medische apparaten die in het lichaam moeten functioneren.

Verder zijn er opkomende innovaties waarbij de integratie van fotothermische materialen zoals goudnanorodden (AuNRs) in BSA-gebaseerde polymeren het mogelijk maakt om vormveranderingen nauwkeurig te sturen met behulp van nabij-infrarood (NIR) licht. Dit opent nieuwe mogelijkheden voor het controleren van de eigenschappen van geprinte objecten in real-time, zonder dat er fysiek contact nodig is. In dit geval kan bijvoorbeeld de stijfheid van het materiaal worden aangepast door middel van gerichte NIR-irradiatie, wat zorgt voor een gecontroleerde aanpassing van de geometrie van het object.

Er is een breed scala aan biologisch afbreekbare fotopolymeren die uit kleine moleculen of natuurlijke biogebaseerde materialen zoals limoneen en salicylzuur worden geproduceerd. Dit maakt het mogelijk om de eigenschappen van de polymeren fijn af te stemmen om te voldoen aan de eisen van specifieke toepassingen. De verscheidenheid aan chemische structuren en netwerken die nu beschikbaar zijn, biedt veel potentieel voor het creëren van geavanceerde materialen die kunnen worden toegepast in diverse industrieën, van de geneeskunde tot de luchtvaarttechnologie.

Wat verder essentieel is om te begrijpen, is dat de ontwikkeling van deze materialen niet alleen afhankelijk is van de fotopolymerisatieprocessen, maar ook van de thermomechanische en biologische afbraakgedragingen van de polymeren. De mate van degradatie, de thermische overgangsgebieden (zoals Tm of Tg) en het vermogen van het materiaal om zich aan te passen aan omgevingsomstandigheden, zijn van groot belang voor hun uiteindelijke prestaties en veiligheid bij klinische toepassingen. De snelheid van degradatie moet zorgvuldig worden gecontroleerd om ervoor te zorgen dat het implantaat effectief functioneert totdat het volledig is opgenomen door het lichaam, zonder dat er schadelijke neveneffecten optreden.

Het gebruik van dergelijke materialen biedt niet alleen voordelen op het gebied van medische toepassingen, maar speelt ook een belangrijke rol in de bredere context van duurzame productontwikkeling. Het feit dat deze polymeren biologisch afbreekbaar zijn, betekent dat ze kunnen bijdragen aan het verminderen van de milieu-impact van 3D-printen, wat een belangrijke overweging is gezien de groeiende bezorgdheid over plasticafval en milieuvervuiling.

Wat zijn de belangrijkste uitdagingen bij 3D-printen in biomedische toepassingen?

3D-printtechnologie heeft in de afgelopen jaren indrukwekkende vooruitgangen geboekt, vooral op het gebied van biomedische toepassingen. De snelheid van printen en de complexiteit van het materiaal blijven echter twee van de belangrijkste uitdagingen voor onderzoekers en ingenieurs. Het verbeteren van de snelheid van productie is essentieel voor zowel industriële als medische toepassingen, waarbij de vraag naar snellere en goedkopere productieprocessen steeds groter wordt. Tegelijkertijd vereist het printen van biologische materialen nauwkeurige controle over de fysische eigenschappen van de gebruikte materialen, zoals de biocompatibiliteit en de mogelijkheid om complexe levende structuren te reproduceren.

Een van de kernuitdagingen in biomedisch 3D-printen is het produceren van op maat gemaakte medicinale producten, zoals implantaten, protheses of medicijndoseringen die passen bij de unieke behoeften van een patiënt. De technologie heeft al indrukwekkende resultaten opgeleverd bij het afdrukken van spinaalweefsel en weefsels die bestand zijn tegen verschillende aandoeningen, maar er zijn nog steeds aanzienlijke barrières in het verbeteren van de precisie, snelheid en de structurele integriteit van de afgedrukte objecten. Bioprinten, het proces waarbij levende cellen worden geïntegreerd in het printproces om weefsel te creëren, bevindt zich nog in een experimenteel stadium. Het afdrukken van complexe weefsels vereist een verfijnde controle over de materiaaleigenschappen, zoals de elasticiteit, de porositeit en de stevigheid, evenals het vermogen om levende cellen te ondersteunen zonder dat deze schade oplopen.

Bij het afdrukken van biologisch afbreekbare stents of het maken van micro-naalden voor het afleveren van geneesmiddelen, moeten materialen niet alleen functioneel zijn, maar ook volledig biocompatibel en, indien nodig, volledig biodegradeerbaar. De ontwikkeling van nieuwe materialen die tegelijkertijd sterk en flexieibel zijn, maar ook onschadelijk voor het menselijk lichaam, is een van de belangrijkste gebieden van onderzoek. Recent zijn er doorbraken geboekt in het 3D-printen van biodegradabele luchtwegstents met elastomeereigenschappen, die zowel biocompatibel als functioneel zijn. Deze innovatieve benaderingen kunnen de behandelingsopties voor patiënten met chronische aandoeningen aanzienlijk verbeteren.

Tegelijkertijd wordt er veel onderzoek gedaan naar de mogelijkheden van 'volumetrisch 3D-printen', waarbij objecten niet laag voor laag, maar in één keer worden geprint. Dit zou de snelheid van het printproces drastisch kunnen verhogen en de productie van grotere objecten, zoals protheses of implantaten, veel efficiënter maken. De toepassing van computergestuurde optische systemen zoals tomografie biedt mogelijkheden om complexere structuren sneller te printen en met een hogere resolutie.

In de wereld van biomedisch 3D-printen wordt er intensief gewerkt aan het verbeteren van de precisie van afdrukken, het versnellen van het proces en het ontwikkelen van meer geavanceerde materialen. Toch blijft de vertaling van laboratoriumresultaten naar klinische toepassingen een lang en ingewikkeld proces. Naast de technische en materiële uitdagingen is er ook de kwestie van regelgeving, die de snelheid van commerciële adoptie beïnvloedt. De afdrukte structuren moeten voldoen aan strikte veiligheidsnormen en tests, wat betekent dat het niet alleen een technologische uitdaging is, maar ook een kwestie van naleving van wet- en regelgeving.

Wat belangrijk is om te begrijpen is dat, ondanks de enorme vooruitgangen die zijn geboekt, 3D-printtechnologie in de biomedische sector nog steeds in de pioniersfase verkeert. De komende jaren zullen waarschijnlijk nieuwe innovaties en toepassingen zien, maar er blijven aanzienlijke obstakels bestaan. Het is essentieel om een gedetailleerd begrip van de materialen, technieken en biocompatibiliteit te ontwikkelen om de technologie effectief in te zetten in de geneeskunde. Wetenschappers en ingenieurs werken nu al hard aan het overwinnen van de snelheidsbeperkingen, en er wordt verwacht dat de volgende generatie van bioprinten aanzienlijke verbeteringen zal bieden in zowel snelheid als kwaliteit van de geproduceerde structuren.

Hoe de fotopolymerisatie-technologie 3D-printen van biomaterialen vormgeeft

De opkomst van 3D-printtechnologie heeft een revolutie teweeggebracht in de productie van complexe, op maat gemaakte objecten. De mogelijkheid om laag voor laag objecten te printen zonder de noodzaak van traditionele mallen heeft 3D-printen gepositioneerd als een flexibele en efficiënte technologie in veel industrieën. In het bijzonder heeft de fotopolymerisatie-technologie, een van de meest geavanceerde technieken binnen 3D-printen, opzienbarende toepassingen gevonden in de productie van biomaterialen. Door deze technologie kunnen objecten worden vervaardigd met uitzonderlijke precisie, wat cruciaal is in biomedische toepassingen zoals weefselregeneratie, drug delivery en de ontwikkeling van biocompatibele apparaten.

Fotopolymerisatie is een proces waarbij fotoinitiatoren, bij blootstelling aan licht, reageren met monomeren en oligomeren om polymere netwerken te creëren. In fotopolymerisatie gebaseerde 3D-printtechnieken, zoals stereolithografie (SLA), digitale lichtverwerking (DLP) en continue vloeistofinterfaceproductie (CLIP), kunnen zeer gedetailleerde driedimensionale structuren worden gevormd. Het gebruik van fotopolymeriseerbare biomacromoleculen heeft de deur geopend voor nieuwe toepassingen van 3D-printen in de medische sector.

Binnen deze technologie spelen fotoinitiatoren een cruciale rol. Deze moleculen zorgen ervoor dat het polymerisatieproces op het juiste moment wordt geactiveerd, waardoor de kwaliteit van het eindproduct wordt gegarandeerd. Het juiste type fotoinitiator is van groot belang om een snelle en efficiënte polymerisatie te waarborgen zonder schadelijke effecten voor levende cellen en omliggende weefsels. In de context van biomedische toepassingen is het gebruik van biocompatibele fotoinitiatoren essentieel. Veel gebruikte fotoinitiatoren zijn bijvoorbeeld UV-lichtgevoelige radicale fotoinitiatoren, die vaak worden toegepast in de ontwikkeling van biomaterialen die in medische toepassingen kunnen worden gebruikt.

De keuze voor fotoinitiatoren heeft ook invloed op de biologische compatibiliteit van de 3D-geprinte materialen. Cationische fotoinitiatoren, hoewel effectief in bepaalde toepassingen, kunnen schadelijke protonzuren produceren tijdens de polymerisatie, wat hun gebruik in biomedische toepassingen beperkt. Radicale fotoinitiatoren zoals Irgacure 819 en wateroplosbare varianten zoals Irgacure 2959 en VA-086, zijn populair geworden vanwege hun uitstekende compatibiliteit met cellen en hun vermogen om snel en efficiënt te polymeriseren bij blootstelling aan UV-licht.

Wat betreft de materialen die worden gebruikt voor fotopolymerisatie, worden biopolymeren zoals polyethyleenglycol-diacrylaat (PEGDA) steeds vaker toegepast. Deze materialen zijn bijzonder geschikt voor het 3D-printen van microfluidische apparaten, medische hulpmiddelen en zelfs implantaten, omdat ze de mogelijkheid bieden om complexe, functionele structuren te creëren die nauw aansluiten bij de eigenschappen van biologisch weefsel.

De vooruitgangen in fotopolymerisatie 3D-printen maken het niet alleen mogelijk om kleinere, complexere structuren te produceren, maar ook om op maat gemaakte, functionele biomaterialen te ontwikkelen die specifiek zijn afgestemd op de behoeften van de patiënt. Een voorbeeld hiervan is het gebruik van 3D-geprinte microfluidische apparaten voor biomarkeranalyse, die kunnen helpen bij het diagnosticeren van ziekten zoals vroeggeboorte.

Naast de technische vooruitgangen is het belangrijk te erkennen dat de brede toepassing van fotopolymerisatie 3D-printtechnologie in de biomedische sector echter nog geconfronteerd wordt met bepaalde uitdagingen. De nauwkeurigheid van de polymerisatie, de compatibiliteit van het gebruikte materiaal met menselijke weefsels en de lange-termijn stabiliteit van de 3D-geprinte structuren zijn belangrijke factoren die verder onderzocht moeten worden. Het ontwikkelen van materialen die niet alleen goed polymeriseren, maar ook veilig en langdurig in het menselijk lichaam kunnen functioneren, blijft een essentieel onderzoeksterrein.

De toekomst van fotopolymerisatie 3D-printen van biomaterialen lijkt veelbelovend. Terwijl de technologie zich verder ontwikkelt, zullen nieuwe fotopolymeriseerbare materialen, fotoinitiatoren en processen de mogelijkheden voor medische toepassingen blijven uitbreiden. Het integreren van functies zoals de afgifte van medicijnen, het nabootsen van weefselstructuren en zelfs de regeneratie van organen is binnen handbereik.

Het is echter essentieel dat onderzoekers en ingenieurs zich blijven richten op het verbeteren van de efficiëntie van het 3D-printen en de veiligheid van de geproduceerde biomaterialen. De uitdaging ligt niet alleen in het ontwikkelen van technologie, maar ook in het vinden van manieren om deze op grote schaal en tegen lagere kosten beschikbaar te maken voor klinische toepassingen. Alleen door samenwerking tussen verschillende wetenschappelijke disciplines en voortdurende innovaties zal 3D-printen zijn volledige potentieel kunnen realiseren in de geneeskunde en biotechnologie.

Wat zijn de toepassingen van biologisch afbreekbare polymeren in 3D en 4D printen?

Sinds de jaren 1980 wordt een breed scala aan biologisch afbreekbare polymeren toegepast in de biomedische sector, waaronder bio-imaging, biosensing, medicijnafgifte en weefselengineering. Dankzij de vooruitgangen in de polymerchemie zijn er talloze polymeermaterialen geschikt voor 3D-printen. Theoretisch kan elk polymeer dat een fasetransitie vertoont bij verhitting, worden gebruikt in 4D-printen, mits het gepolymeriseerd kan worden met fotocrosslinkbare groepen. De praktische toepassingen vereisen echter dat de eerdergenoemde problemen worden aangepakt, die inmiddels wel zijn ontwikkeld, maar nog steeds diepgaande onderzoeken vereisen. Deze sectie behandelt een aantal representatieve afbreekbare polymeren die worden gebruikt bij fotopolymerisatie-gebaseerd 3D- en 4D-printen, evenals hun biomedische toepassingen.

Polycaprolacton (PCL)
Polycaprolacton (PCL) en zijn copolymeren, zoals P(CL-co-TMC), worden al sinds de eerste 3D-printing van PCL-gebaseerde weefselscaffolds met SLA-technologie gebruikt. Verschillende varianten van PCL en zijn copolymeren, gemodificeerd met fotogevoelige groepen, zijn onderzocht voor toepassingen in vat-fotopolymerisatie. Vanwege de semicrystalline eigenschappen van PCL zijn er verschillende 3D-geprinte constructies met geheugenfunctie ontwikkeld. In 2016 werd voor het eerst PCL-methacrylaat met een moleculaire massa van 10.000 g/mol geprint door Magdassi en zijn team, waarmee 4D-printen van PCL-methacrylaat werd gerealiseerd. Door gebruik te maken van een thiol-ene crosslinking-technologie werd in 2023 een verbetering van de mechanische eigenschappen bereikt, waarbij de rek bij breuk met 350% en de uiteindelijke sterkte tot 14 MPa toenamen in vergelijking met de acrylaten. Het gebruik van volumetrisch printen op synthetische biologisch afbreekbare polymeren stelde de onderzoekers in staat om poriënstructuren met kleine kenmerken van 100 μm te printen, wat veelbelovende toepassingen oplevert voor medische implantaten met hoge precisie.

Verder werd het copolymeer van PCL en polypropyleenglycol (PPG) gebruikt in 4D-printen om tracheale stents met geheugenfunctie te maken. Deze stents werden gepersonaliseerd op basis van magnetische resonantiescans van de luchtpijp van de patiënt, waardoor invasieve schade werd verminderd tijdens het plaatsen van de stent. Het gebruik van een aangepaste stent maakte het mogelijk om de grootte van de inbrengmaten te verkleinen en migratie te voorkomen door een betere aansluiting op de anatomie van de patiënt.

Polyactide (PLA)

PLA is vanwege zijn biocompatibiliteit en biologisch afbreekbaarheid ook een veelbelovend materiaal voor biomedische toepassingen. Echter, PLA vertoont een veel hogere smelttemperatuur (Tm) en glasovergangstemperatuur (Tg) dan PCL, waardoor het printen van PLA via vat-fotopolymerisatie moeilijk is, zelfs bij lage moleculaire massa. Dit heeft geleid tot de ontwikkeling van verschillende fotopolymeren die door copolymerisatie van D,L-lactide (DLLA) met andere monomeren zoals TMC of CL worden geproduceerd. Deze copolymeren worden vervolgens gemodificeerd met methacrylaatgroepen, wat de viscositeit verlaagt en het mogelijk maakt om ze bij kamertemperatuur in vloeibare vorm te behouden.

Door de verhouding van DLLA en TMC aan te passen, wordt het copolymeer poly(DLLA-co-TMC)-TMA met een moleculaire massa van 15.000 g/mol gevormd. Dit copolymeer maakt het mogelijk om via hitte-geassisteerd DLP boven de 80°C te printen. Poly(DLLA-co-TMC)-TMA heeft een Tg tussen de 25 en 42°C, waardoor het een geschikt materiaal is voor het 4D-printen van biologisch afbreekbare medische apparaten die in vivo kunnen functioneren. De elastomeren vertonen een goede vormvastheid bij kamertemperatuur en herstellen snel hun vorm bij 37°C, wat belangrijk is voor hun toepassing in medische stents en andere implantaten. Wat betreft mechanische eigenschappen vertonen de elastomeren een Young’s modulus van 2,0–3,1 MPa bij 37°C, wat vergelijkbaar is met de waarden bij kamertemperatuur, met een maximale treksterkte van 1,2–1,9 MPa en een goede elasticiteit met rek bij breuk van 120–145%.

Toekomstige ontwikkelingen

Hoewel de 3D- en 4D-printtechnologieën voor biologisch afbreekbare polymeren veelbelovend zijn, blijven er uitdagingen bestaan op het gebied van materiaaleigenschappen, afdrukprecisie en de langetermijneffecten van deze materialen in het menselijk lichaam. Het begrijpen van de mechanismen van degradatie en het optimaliseren van de afdrukbaarheid van verschillende polymeren zal essentieel zijn voor het succes van deze technologieën in de geneeskunde. Daarnaast blijft het belangrijk dat de toepassingen van 3D- en 4D-printen voor medische doeleinden de juiste biocompatibiliteit en mechanische eigenschappen behouden, om optimale prestaties en patiëntveiligheid te waarborgen.

Hoe Werken Landbouwdrones en Hun Toepassing in de Moderne Landbouw
Hoe beïnvloedt Donald Trump’s taalgebruik het politieke discours en de media?
Hoe beïnvloedt de reactiekinetiek de overgang van een systeem onder gekleurde ruis?
Hoe Neo-Reactionair Denken Het Politieke Landschap Vormt