3D printen van levende cellen met microdruppels

Dankzij de nieuwe techniek ‘in-air microfluidics’ slagen onderzoekers van de Universiteit Twente erin, structuren te printen met levende cellen. Deze bijzondere techniek maakt het mogelijk om zeer snel en ‘on-the-fly’ printbare micro-bouwblokjes te maken die levensvatbaar zijn en bijvoorbeeld te gebruiken voor de reparatie van beschadigd weefsel. De onderzoekers presenteren hun vinding in Science Advances van 31 januari.

Microfluidics gaat over het manipuleren van vloeistofdruppels met een grootte tussen een micrometer (een duizendste van een millimeter) en een millimeter. Meestal gebeurt dit in speciale chips met vloeistofkanalen. Hoewel zo'n chip veel mogelijkheden biedt om bijvoorbeeld emulsies te maken - druppels met daarin een andere stof - blijft de snelheid waarmee de druppels eruit komen typisch beperkt tot microliters per minuut. Voor  de meeste klinische en industriële toepassingen is dat niet snel genoeg: het produceren van slechts een kubieke centimeter duurt momenteel ongeveer 1000 minuten, bijna 17 uur. Met de nu gepresenteerde techniek kan het in enkele minuten.

Kunnen we die hogere snelheid halen door de vloeistof niet in een kanaaltje te manipuleren, maar ‘gewoon’ in de lucht, was een van de vragen die de onderzoekers zich stelden. Dat blijkt inderdaad mogelijk, door twee ‘jets’ van vloeistof te gebruiken. Vanuit de ene jet worden druppels op de andere geschoten. Het maken van deze jets bleek eenvoudig, en honderd tot duizend keer sneller te kunnen dan op een chip. De snelheid is niet het enige voordeel. Door verschillende reagerende vloeistoffen te gebruiken, kunnen de onderzoekers tijdens de ‘botsing’ van vloeistofstromen nieuwe druppels van verschillende materialen maken. Door het kiezen van slimme combinaties van vloeistoffen die met elkaar reageren, kunnen de druppels bovendien worden omgezet in solide, printbare, bouwstenen.

Het is op deze manier mogelijk om een levende cel te vangen in een printbaar materiaal. De resulterende bio-bouwstenen kunnen direct worden geprint tot een 3D structuur die lijkt op een spons, gevuld met cellen en vloeistof gevuld. Deze 3D modulaire biomaterialen lijken in hun interne structuur veel op natuurlijk weefsel. In tegenstelling tot veel van de huidige 3D printtechnieken, werkt in-air microfluidics niet op basis van warmte of UV-licht. Daardoor is de techniek compatibel met bio-toepassingen, en kan zij veel gaan betekenen voor tissue engineering, waarin weefselreparaties worden uitgevoerd met lichaamseigen celmateriaal.

Het onderzoek is uitgevoerd door Tom Kamperman uit de groep Developmental BioEngineering van prof. Marcel Karperien, en Claas Willem Visser uit de groep Physics of Fluids van prof. Detlef Lohse. Kamperman is vorige week gepromoveerd op het onderwerp, Visser doet momenteel vervolgonderzoek aan Harvard University dankzij een Rubicon-subsidie van NWO en zal in mei terugkeren als assistent-professor aan de Universiteit Twente. Beide onderzoekers zijn inmiddels ook betrokken bij de spin-off ’IamFluidics’, waarmee ze de in-air microfluidics technologie verder willen exploiteren om functionele deeltjes en materialen te maken.