Een 3D-bioprinter die meekijkt en meedenkt
Orgaandonoren redden levens, bijvoorbeeld van patiënten met nierfalen. Helaas zijn er te weinig donoren en is de wachtlijst lang. Het 3D-bioprinten van (delen van) organen kan in de toekomst een oplossing bieden voor dit tekort. Maar het printen van weefsels, bioprinten, is extreem complex en uitdagend.
Het team van van het UMC Utrecht en de Universiteit Utrecht zet nu een belangrijke stap richting het printen van implanteerbare weefsels. Door middel van zogenaamde computervisie, een tak van kunstmatige intelligentie (AI), ontwikkelde het team een 3D-printer die niet alleen print, maar ook meekijkt én zelf mee ontwerpt. Dit werd vandaag gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift . Daarmee pakt het team een van de grootste uitdagingen in het 3D-bioprinten aan: het verbeteren van de overleving én het functioneren van cellen in geprint levend weefsel. Maar hoe werkt dat precies?
3D-printen kennen we als het laag-voor-laag printen van structuren. Maar 3D-printen kent ook andere vormen, zoals volumetrisch printen. Hierbij wordt in één keer een volledige structuur geprint, met behulp van een lichtgevoelige gel die onder invloed van laserlicht hard wordt. Het voordeel: deze vorm van printen is ontzettend snel (secondes) en bovendien ‘vriendelijker’ voor de kwetsbare cellen die zich in de gel bevinden. Voor het maken van een goede print moet je begrijpen wat er in het printmateriaal zit, zodat het geprinte weefsel zo optimaal mogelijk in elkaar zit. De nieuwe technologie, genaamd GRACE, maakt dit mogelijk. Het opent nieuwe mogelijkheden in het bioprinten van functionele weefsels. En is daarmee een stap richting het herstel van letsel, het testen van medicijnen en zelfs het vervangen van complete organen.
Waarom is deze innovatie nodig?
Wat is 3D-bioprinten?
Bij 3D-bioprinten maken onderzoekers functionerende weefsels en organen van levende cellen. Het is dus 3D-printen, maar in plaats van met plastic wordt er met levende cellen geprint. Het doel: de cellen op zo’n manier printen dat ze samen een functionerend weefsel vormen. Dit brengt enorme uitdagingen met zich mee. Levende cellen zijn kwetsbaar en zouden niet overleven in een normale 3D-printer. Daarom ontwikkelde het team van Riccardo Levato een speciale ‘’, een mix van cellen en voedzame gels die de cellen beschermen tijdens het printproces.
Volumetrisch bioprinten
Met de ontwikkeling van bio-inkt werd laag-voor-laag 3D-bioprinten mogelijk. Het laag-voor-laag printen kost echter veel tijd en geeft veel stress op de cellen. Daar bedachten de Utrechtse onderzoekers een oplossing voor: volumetrisch bioprinten.
Volumetrisch bioprinten is sneller én vriendelijker voor cellen. Door middel van laserlicht wordt binnen tientallen secondes een print gemaakt. “Om een object te maken, richten we een reeks lichtprojecties op een ronddraaiende buis met daarin de cellen opgenomen in een lichtgevoelige gel. Op de plekken waar het licht samenkomt, verhardt het materiaal,” legt Riccardo uit. “Zo ontstaat er in één keer een volledig 3D-object, zonder dat we de cellen hoeven aan te raken.” Hiervoor is het belangrijk om een goed beeld te hebben waar welke cellen zich bevinden in de lichtgevoelige gel. Dat maakt GRACE nu mogelijk.
Innoveren met laserlicht
, promovendus in Riccardo’s lab, houdt zich bezig met de ontwikkeling van GRACE. Hij bouwde een nieuw apparaat in een gespecialiseerd laboratorium. Voor je het laboratorium binnenstapt hangt er een rood licht met ‘LASER’ dat laat zien of je binnen kunt komen. Licht is namelijk niet alleen belangrijk voor de printstap maar ook voor de extra stap in de nieuwe technologie. GRACE combineert de bestaande printtechnieken met geavanceerde beeldvorming door middel van lasers. Maar wat kunnen we daar precies mee?
Slimme bloedvaten rondom levende cellen
Een van de grootste uitdagingen in 3D-bioprinten is het printen van functionele bloedvaten. Bloedvaten zorgen ervoor dat cellen zuurstof en voedingsstoffen krijgen en het accuraat printen hiervan is dus essentieel voor het maken van levende weefsels. Bij huidige printmethoden wordt vooraf een 3D-ontwerp gemaakt. Het is dan nog niet bekend waar de cellen zich bevinden in de lichtgevoelige gel, en dus ook waar de bloedvaten geprint moeten worden. Met GRACE ‘ziet’ de printer waar de cellen zich bevinden en ontwerpt hij binnen enkele seconden een netwerk van bloedvaten rond die cellen, zo efficiënt mogelijk.
Deze nieuwe printer heeft als het ware zijn eigen ogen en hersenen.
Van blauwdruk naar maatwerk
“Voorheen was het printproces altijd afhankelijk van de ontwerper van de blauwdruk. GRACE denkt ook zelf mee aan het ontwerp,” legt Sammy uit. “De printer ‘ziet’ welke cellen er in het printmateriaal zitten en waar deze zich bevinden. Vervolgens gebruikt de printer deze informatie en maakt, door middel van AI-tools, een passend ontwerp voor het te printen object. Deze nieuwe 3D-bioprinter heeft als het ware zijn eigen ogen en hersenen. Dit maatwerk levert weefsels op die beter overleven én beter functioneren.”
Meer dan alleen bloedvaten
De nieuwe technologie GRACE kan meer dan alleen adaptieve bloedvaten maken. De technologie is ook in staat om meerdere printstappen automatisch op elkaar af te stemmen. Denk bijvoorbeeld aan een geprint stuk botweefsel waarop later nog een laag kraakbeen moet worden toegevoegd. Normaal is dat een lastig proces waarbij veel handwerk komt kijken. GRACE scant het bestaande weefsel en ontwerpt en print er automatisch een tweede laag boven op die perfect past.
