Om levensechte variatie te krijgen in de mechanische eigenschappen van 3D-geprinte weefselstructuren moet je simpelweg de uitharding van de hars selectief verpesten. Dat idee lanceren Xiaobo Yin en collega’s van de University of Colorado at Boulder in Nature Communications.

Dat verpesten is een kwestie van zuurstofdosering. Zo’n weefsel ontstaat door cellen te kweken in een hydrogel, die je opbouwt uit acrylaten die uitharden onder invloed van uv-licht. Chemisch gezien is het een klassiek voorbeeld van radicaalpolymerisatie. Zuurstof uit de lucht is daarbij een al even klassieke ‘terminator’ die de aangroei van de polymeerketens voortijdig stopt.

Via de zuurstoftoevoer de gemiddelde ketenlengte regelen is al vaker geprobeerd. Maar Yin heeft de (vermoedelijke) primeur van een opzetje waarbij je in één blok hydrogel verschillende materiaaleigenschappen kunt creëren.

Hij werkt met een ‘bottom-up’-printer, waarbij je het uitgeharde werkstuk langzaam uit een bak met vloeibare hars trekt. Via een venster in de bodem bestraal je de onderkant met uv-licht, waarbij telkens een nieuw laagje uithardt. Via de intensiteit van de lichtbron kun je zo wel de uitharding van het hele blok beïnvloeden, maar door lichtverstrooiingseffecten lukt het niet om er nauwkeurige gradaties in aan te brengen.

Yin bedekt dat venster nu met een laagje PDMS-siliconenrubber. Dat laat zuurstof door, die vervolgens de ruimte tussen venster en werkstuk in diffundeert. De onderste laag hardt daardoor helemaal niet meer uit. De laag daarboven wel, en de afstand tot het PDMS waarbij het uv-licht weer grip op de hars begint te krijgen blijkt vrijwel onafhankelijk te zijn van de intensiteit van dat uv-licht. Met andere woorden: de dikte van de niet-uithardende laag is vrijwel constant en die van de wel-uithardende laag dus ook.

Maar eer het uv in die wel-uithardende laag arriveert, ben je kennelijk van de lichtverstrooiingseffecten af en kun je ineens wél sommige delen verder laten uitharden (crosslinken, voor de keners) dan andere, met haarscherpe overgangen tussen die twee. Dat bereik je door onderop het venster een patroon te projecteren in grijstinten die een instelbaar percentage van het licht tegenhouden.

Volgens Yin kun je zo een hydrogel printen waarvan sommige delen een ordegrootte stijver zijn dan andere. Voorzichtige experimenten laten zien dat dat inderdaad invloed heeft op de manier waarop cellen zich in de hydrogel nestelen.

Uiteindelijk hoopt Yin zo bijvoorbeeld in één keer de structuur te kunnen printen van een orgaan met bloedvaten op voorgeprogrammeerde locaties. Al is hij voorlopig nog lang niet zo ver.

bron: University of Colorado at Boulder