3D-printen met bio-inkt

Uit de 3D-printers van de toekomst rollen behalve organoïden, ook weefsels en organen. Het Belgische spin-off-project Xpect-INX levert bio-inkten met nieuwe technologieën om cellen in een gewenste vorm te printen.

‘Na een hartinfarct kunnen we straks met 3D-printen het beschadigde deel van het orgaan vervangen’, schetst chemicus Jasper Van Hoorick een beeld van de toekomst. Hij is projectmanager bij Xpect-INX. Die spin-off van de Universiteit Gent gaat de markt op met bio-inkten met een aantal nieuwe eigenschappen. Van Hoorick startte het project eind 2019 nadat hij zijn promotieonderzoek aan de UGent naar het ontwikkelen van hoornvlies afrondde. ‘Volgend jaar willen we al een volwaardig bedrijf zijn’, vertelt de onderzoeker.

Gelatine

Twee bio-inkten uit het huidige aanbod van Xpect-INX zijn bedoeld om samen met het gewenste celtype te printen met behulp van deposition based 3D-printing (zie kader). ‘Die inkten zijn gemaakt van gelatine. Dat is heel geschikt als materiaal om cellen heen, omdat het wordt gevormd uit collageen, het hoofdbestanddeel van de natuurlijke extracellulaire matrix. Daardoor beschikt gelatine over een aantal gunstige eigenschappen voor weefselcultuur.’ Het is celcompatibel en bioafbreekbaar. Bovendien is het eenvoudiger te verwerken dan collageen zelf. Ook kun je het modificeren om ervoor te zorgen dat het niet oplost bij lichaamstemperatuur.

‘Onze gelatine gebaseerde inkt heeft de hoogste resolutie ooit’

Gelatine modificeren gebeurt chemisch door ‘vernetbare’ groepen zoals methacrylamide in te bouwen. Na het printen stel je het dan bloot aan uv-straling, zodat zich in de gel een netwerk vormt. Dat voorkomt dat de gel oplost boven de 30 °C. De voorloper van de Gentse onderzoeksgroep polymeerchemie en biomaterialen, waartoe Van Hoorick behoort, octrooieerde de techniek hiervoor twintig jaar geleden al.

‘Gemodificeerd gelatine, gel-MA, is door de jaren heen uitgegroeid tot een van de standaardmaterialen, hoewel alginaat of hyaluronzuur ook populair zijn. Gelatine heeft wel als nadeel dat het van de dierlijke oorsprong is. Hierdoor zijn er soms vragen naar de duurzaamheid en de veiligheid, zeker als het gaat om ziektes die kunnen voorkomen bij dieren, zoals de gekkekoeienziekte. Die angst is ongegrond, omdat er strenge controle is op de omzetting van dierlijk afval naar gelatine. En bij een lokale uitbraak kun je preventieve maat­regelen nemen.’

Bio-inkten op basis van gelatine zijn het meest geschikt voor zachtere weefsels, vetweefsel, bindweefsel en de bloed-hersenbarrière. Van Hoorick: ‘Voor hardere weefsels heb je robuustere materialen nodig met de juiste mechanische eigenschappen.’ Xpect-INX maakt daarom ook scaffold INX, synthetische inkten waarmee je rasters kunt printen, waar cellen op en in kunnen groeien. Die scaffolds zijn geschikt voor bijvoorbeeld kraakbeen of bot.

Nieuwe verwerking

De komende maanden lanceert Xpect-INX bio-inkten voor digital light processing en multiphoton lithography (zie kader). De samenstelling hiervan verschilt van de eerder genoemde inkten. Van Hoorick: ‘Die inkten kunnen wel eenzelfde hoofdpolymeer als basisingrediënt hebben, maar de eigenschappen dienen verschillend te zijn om verwerkbaar te zijn. Daarom voeg je hieraan andere solventen en andere additieven toe, zoals fotoinitiatoren, rheological modifiers, vullers en fotoblokkers.’

Van Hoorick maakt daarbij tevens gebruik van nieuwe verwerkingsmogelijkheden. ‘Zo hebben wij een technologie geoctrooieerd die de printsnelheid drastisch kan verhogen.’ Xpect-INX zet de methode al in bij de bio-inkten voor deposition based 3D-printing, en straks past het die dus ook toe bij de twee op licht gebaseerde printtechnieken.

‘Ik verwacht dat we binnen een à twee jaar producten op de markt hebben’

‘Met een andere technologie is het mogelijk om materialen in de vaste fase te ‘vernetten’, waardoor je hydrogels kunt verwerken als een thermoplast. Dit was voorheen nooit mogelijk’, stelt Van Hoorick. ‘Op die manier hebben wij de hoogste resolutie ooit kunnen bereiken voor een gelatine gebaseerde inkt, 1 µm, en de hoogst mogelijke voor een biodegradeerbaar polyester, 150 nm. Bovendien laat het vernetten in vaste fase een extreem hoge architecturale vrijheid toe bij deze technologie. Dit komt doordat het materiaal tijdens de verwerking ondersteuning krijgt van het omliggende materiaal in de vaste fase.’

Sinds kort werkt Van Hoorick samen met het Spaanse Regemat 3D, een bedrijf gespecialiseerd in de ontwikkeling en productie van bioprinters. Zijn bio-inkten komen zo terecht bij onderzoekscentra van bedrijven, universiteiten en ziekenhuizen in meer dan twintig landen. Het Oostenrijkse UpNano gaat de producten voor multiphoton lithography aan zijn klanten aanbieden.

Tussenfase

Een volledig orgaan printen is de komende jaren nog niet aan de orde, maar Van Hoorick ziet de weg ernaartoe wel voor zich. Hij gaat nu eerst de markt op met producten om organoïden te maken. Zijn doel is om het makkelijker te maken om proefdieren voor medicijnenontwikkeling te vervangen en om cosmetica te testen op menselijke weefsels. ‘Ik verwacht dat we hiervoor binnen een à twee jaar de producten op de markt hebben.’

Van Hoorick voorziet vervolgens een tussen­fase naar geprinte organen. ‘Denk bijvoorbeeld aan grote wonden opvullen of vetweefsel maken voor borstreconstructie bij vrouwen met borstkanker. Geprint vetweefsel kunnen we zowel mechanisch als biologisch al zeer sterk op het natuurlijke weefsel laten lijken. Bij grotere weefsels en organen moet je de bloedvaten opnemen in het ontwerp, zodat je die in het lichaam kunt aansluiten op de bestaande vaten. Zover zijn we misschien pas over tien of vijftien jaar, maar die kant gaat het wel op.’

De mogelijkheden in de toekomst blijven afhankelijk van het wettelijke kader. Dit jaar zijn bio-inkten opgenomen in de Europese wet als medical device klasse 3. Voorheen gold dat alleen voor de geprinte structuren. Van Hoorick: ‘Het traject voor goedkeuring van bio-inkten blijft complex, maar er is nu tenminste een wettelijk kader uitgewerkt, zodat dit geen vage zone blijft.’

Printtechnieken

Voorwerpen of weefsels kunnen op drie manieren uit de 3D-printer rollen. Deposition based 3D-printing is printen met vloeistof uit een spuit. Nieuwere technieken werken niet met vloeistof, maar met een laser. Die kun je gebruiken om laag voor laag te bestralen, een methode die digital light processing heet. Een derde techniek, multiphoton lithography, print met een intense infraroodlaser. Hiermee kun je heel lokaal op zeer hoge resolutie printen.

Dit artikel is op 9 oktober 2020 verschenen in C2W, vakblad voor chemie en life sciences

Foto: Xpect-INX (copyright Nic Vermeulen)

Meer artikelen in C2W

Tags

Biologie
Biomedisch
Chemie
Life sciences

Comments are closed.

Omhoog ↑