Nieuwe meetmethode maakt 3D-printen met hydrogels betrouwbaarder

Onderzoekers van het Radboudumc hebben een meetsysteem ontwikkeld dat inzicht geeft in het gedrag van hydrogels tijdens het 3D-printen en injecteren. Het systeem, XTRUDE, registreert druk- en temperatuurveranderingen terwijl het materiaal door een nauwe opening wordt geperst. Daarmee kunnen onderzoekers problemen zoals verstoppingen en een ongelijkmatige materiaalstroom opsporen. De technologie kan bijdragen aan de ontwikkeling van betrouwbaardere hydrogels voor 3D-bioprinting en injecteerbare behandelingen.

Hydrogels zijn zachte, waterrijke materialen die onder meer worden onderzocht voor regeneratieve geneeskunde en weefselherstel. Ze kunnen worden gebruikt om met 3D-bioprinting weefselachtige structuren te maken of als injecteerbaar materiaal worden toegediend. Voor beide toepassingen is het belangrijk dat de hydrogel gecontroleerd door een kleine opening stroomt, zoals een printmondstuk of injectienaald. Dit proces wordt extrusie genoemd. Hoewel een hydrogel bij conventionele laboratoriumtesten geschikte eigenschappen kan vertonen, betekent dit niet automatisch dat het materiaal tijdens het printen of injecteren gelijkmatig stroomt.

Metingen tijdens het printproces

Om beter te begrijpen wat tijdens extrusie gebeurt, ontwikkelden Farhad Sanaei en collega's onder leiding van Mani Diba, verbonden aan de onderzoeksgroep Regenerative Biomaterials van de afdeling Tandheelkunde van het Radboudumc, het XTRUDE-systeem. Het systeem meet de druk en temperatuur terwijl een hydrogel door een smal kanaal beweegt. Door deze gegevens te koppelen aan de eigenschappen van het materiaal dat uit het kanaal komt, kunnen onderzoekers afwijkingen tijdens het extrusieproces herkennen.

Bij experimenten met verschillende hydrogels bleek XTRUDE onder meer verstoppingen en het afscheiden van vloeistof uit het materiaal te kunnen detecteren. Ook vonden de onderzoekers een verband tussen drukschommelingen en onregelmatigheden in de vorm van de geëxtrudeerde hydrogelstrengen. Dergelijke afwijkingen kunnen gevolgen hebben voor de reproduceerbaarheid van het printproces. Wanneer een materiaal niet gelijkmatig uit het printmondstuk komt, kan de uiteindelijke structuur afwijken van het oorspronkelijke ontwerp.

Minder afhankelijk van experimenteren

Bij de ontwikkeling van hydrogels worden doorgaans vooraf materiaaleigenschappen onderzocht, zoals de viscositeit en het gedrag onder mechanische belasting. Deze metingen geven echter niet altijd voldoende inzicht in wat er gebeurt wanneer het materiaal daadwerkelijk door een printmondstuk of injectienaald wordt geperst.

XTRUDE voegt daar metingen tijdens het extrusieproces aan toe. Daardoor kunnen onderzoekers beter bepalen welke combinatie van materiaaleigenschappen en procesinstellingen geschikt is voor een specifieke toepassing. Volgens de onderzoekers kan deze aanpak het aantal proefondervindelijke aanpassingen verminderen dat nodig is om een hydrogel betrouwbaar te printen of te injecteren.

Het team wil het systeem nu onderzoeken met een grotere verscheidenheid aan materialen en extrusieomstandigheden. De technologie bevindt zich nog in de onderzoeksfase en is niet ontwikkeld als zelfstandig klinisch hulpmiddel.

Hydrogels voor weefselherstel

De ontwikkeling sluit aan bij eerder onderzoek naar de toepassing van hydrogels in regeneratieve geneeskunde. In 2023 schreven we al over onderzoek naar hydrogels uit de 3D-printer voor weefselherstel. Dat onderzoek richtte zich op de vraag of deze materialen als als bouwstenen kunnen dienen voor structuren die beschadigd weefsel kunnen ondersteunen. Bij dergelijke toepassingen zijn niet alleen de biologische eigenschappen van het materiaal belangrijk, maar ook de mogelijkheid om nauwkeurig en reproduceerbaar driedimensionale structuren te vervaardigen.

Waar onderzoek naar nieuwe hydrogels zich richt op de ontwikkeling van geschikte materialen voor weefselherstel, biedt XTRUDE een methode om het gedrag van die materialen tijdens het productieproces beter te begrijpen. Een stabiel extrusieproces kan daarmee een belangrijke voorwaarde zijn voor verdere ontwikkeling van 3D-geprinte weefselconstructies en injecteerbare biomaterialen. Of de nieuwe meetmethode uiteindelijk leidt tot betere klinische toepassingen, moet uit vervolgonderzoek blijken.