Wat is bioprinten?

Er is veel belangstelling in de pers voor het concept van het gebruik van 3D-printen om levende weefsels te maken, met name transplanteerbare organen. Maar hoe werkt deze nieuwe technologie, ‘bioprinting’ genaamd, eigenlijk?

In eenvoudige bewoordingen is bioprinten het gebruik van 3D-printtechnologie om organische celstructuren te genereren in plaats van plastic of metalen onderdelen. Dit maakt het mogelijk om functioneel weefsel te printen, dat vervolgens kan worden gebruikt in medisch onderzoek of voor transplantatiedoeleinden. Op de lange termijn, naarmate de technologie evolueert, zou het inderdaad kunnen worden gebruikt voor het printen van functionele organen, gebaseerd op de eigen cellen van transplantatiepatiënten om het risico van orgaanafstoting mogelijk te elimineren.

Net als ‘conventioneel’ 3D-printen werkt bioprinten door laag voor laag structuren op te bouwen op een printbed. Omdat het proces echter inhoudt dat er met levend weefsel wordt gewerkt in plaats van met metalen en kunststoffen, is het op een aantal manieren fundamenteel anders. Laten we het in detail bekijken...

Hoe werkt het?

Alle bioprinting-projecten beginnen met een 3D-model van het onderdeel dat moet worden gemaakt. Dit kan worden gegenereerd via een CT-scan of MRI van een echt lichaamsdeel, of helemaal opnieuw worden gemaakt via 3D-modellering. Het model moet vervolgens worden vertaald in een vorm die met succes kan worden gebioprint, wat betekent dat de architectuur van het weefsel moet worden vastgesteld. De juiste cellen worden daarom geïsoleerd en gevangen (indien mogelijk uit het oorspronkelijke weefsel) in een speciale oplossing die ze in leven en zuurstofrijk houdt, klaar om te worden afgedrukt. Deze afdrukbare oplossingen staan ​​bekend als ‘bioinks’. Omdat weefselregeneratie het gebruik van 'steigers' (de fysieke ondersteuningen die nodig zijn om cellen te laten groeien) vereist, zijn doorgaans meerdere van dergelijke inkten nodig voor een bioprintproject, waardoor printers voor meerdere materialen een noodzaak zijn. Deze steigers kunnen worden beschouwd als de tegenhanger van de ondersteunende structuren van conventioneel 3D-printen.

Een aantal verschillende technologieën kan worden gebruikt om deze bioinks om te zetten in levende weefsels. De vroegste bioprinttechnieken maakten gebruik van een inkjet-achtige benadering (daarover later meer), maar stereolithografie en op extrusie gebaseerde printers zijn ook met succes gebruikt. Ongeacht de gebruikte technologie, zou het printproces voor elke AM-professional bekend moeten zijn:de printer bouwt lagen van het (de) gekozen materiaal(en) op het printbed totdat het hele 3D-model tot leven is gebracht.

Tot slot, als het printen is voltooid, is er enige nabewerking nodig om de integriteit van het weefsel te behouden, omdat de nieuw bedrukte cellen niet meteen worden verbonden zoals bij bedrukt plastic of metaal. Dit omvat meestal mechanische of chemische simulaties die de hermodellering en groei van het weefsel in gang zetten. Een meer geavanceerd voorbeeld hiervan is het gebruik van 'bioreactoren' om de groei en vascularisatie (d.w.z. de ontwikkeling van bloedvaten) van weefsel te stimuleren.

De volgende video geeft een goed overzicht van het bioprintproces:

Pioniers en marktleiders van Bioprinting

3D-printers die zijn ontworpen om weefsels op deze manier te printen, worden gewoonlijk 'bioprinters' genoemd. De eerste werkende bioprinter werd onthuld door professor Makoto Nakamura van de Universiteit van Toyama, die zijn mogelijkheden demonstreerde door een biologische buis te printen, vergelijkbaar met een bloedvat. Zoals hierboven vermeld, maakte dit gebruik van een op inkjet gebaseerde afdrukaanpak (in feite was het eerste prototype gebaseerd op een aangepaste Epson-printer!). Professor Nakamura heeft sindsdien zijn onderzoek naar de mogelijke toepassingen van bioprinting voortgezet.

Organovo is een andere leider op het gebied van bioprinting en heeft samengewerkt met hun partnerbedrijf, Invetech, om een ​​levensvatbare commerciële bioprinter te leveren:de NovoGen MMX. Organovo's benadering van het printen van weefsel omvat een speciaal ontworpen multi-head printer, met aparte printkoppen voor hartcellen, endotheelcellen en een collageen 'biopapier' dat als de steiger fungeert.

De technologie heeft ook de aandacht getrokken van het Amerikaanse leger, dat heeft geïnvesteerd in onderzoek naar de vraag of bioprinting kan worden gebruikt om gewonde soldaten te behandelen. Om hierin voorop te lopen, is in 2008 het Armed Forces Institute of Regenerative Medicine (AFIRM) opgericht, waarbij universiteiten, onderzoekers en militaire wetenschappers samenwerken in een samenwerkingsverband.

In Duitsland doet het Fraunhofer Instituut voortdurend onderzoek naar het printen van hele organen, zowel voor transplantatiedoeleinden als om de noodzaak van dierproeven in onderzoeksomgevingen te elimineren. Hun onderzoekers hebben met name aanzienlijke vooruitgang geboekt in de vascularisatie van bioprinted weefsel, door nauw samen te werken met het ArtiVasc 3D-project om 3D-geprinte bloedvaten te creëren die weefsels op dezelfde manier van voeding zullen voorzien als een levend lichaam.

Net als andere 3D-printtechnologieën heeft bioprinting al zijn eigen materiaalspecialisten, die zich richten op de ontwikkeling van geavanceerde bioinkten. Het Zweedse Cellink heeft zich in dit opzicht bijvoorbeeld snel gevestigd als marktleider door een uitgebreid assortiment zelfgecreëerde bio-inkten aan te bieden, samen met de technologie die nodig is om ze te gebruiken.

Wat nu?

Hoewel de potentiële voordelen die bioprinten kan bieden zeker tot de verbeelding van het publiek hebben gesproken, zal het, net als bij elke nieuwe technologie, tijd vergen om volwassen te worden en zichzelf te vestigen. We zouden verwachten dat bioprinten een soortgelijk pad zal volgen als dat van de opkomende additieve productie-industrie. Aangezien de technologie steeds meer in 'echte wereld'-omgevingen wordt gebruikt, zullen vroege successen het helpen zijn ideale niches te vestigen. Op dat moment zal de focus verschuiven naar het opzetten van de processen en aanvullende tools die de prestaties zullen optimaliseren.

Op dat moment zullen wetenschappers, artsen en patiënten (samen met andere industrieën waar bioprinting zijn potentiële toepassingen nog moet onthullen) het volledige voordeel van de technologie beginnen te zien. De reis ernaartoe zal zeker lang en complex zijn, maar we verwachten dat de voordelen enorm zullen zijn.