Met enige trots laat labmanager Jelle Boomstra van het Utrechtse ProtoSpace een paar producten zien van de 3D-printers uit zijn fablab: een felgekleurde designvaas en een mini-Eiffeltoren van kunststof. Ze zijn helder van kleur en overduidelijk opgebouwd uit sliertjes op elkaar gedrapeerd polymeer. Uit een ander apparaat komen objecten van iets wat op ruw aardewerk lijkt: een stukje maliënkolder met gevlochten schakels en een mini-modelhuis, inclusief ingerichte kamers en poppetjes.

De techniek mag dan nog zijn beperkingen hebben, toch zijn de meeste mensen ervan onder de indruk, zegt Boomstra: er rolt een tastbaar driedimensionaal ding uit een printer die eerder enkel tekst en beelden op papier kon zetten. “Vergelijk het met een digitale foto van vijftien jaar geleden. Die vonden we toen ook spectaculair, terwijl er eigenlijk alleen maar gekleurde vierkantjes op papier stonden.”

Poeder of sliertjes

Grofweg zijn er twee soorten technieken voor 3D-printen, elk met talloze variaties. De eerste is gebaseerd op het aan elkaar plakken van materiaal uit een groot reservoir. Bijvoorbeeld een bak met poeder waarop een printerkop bindmiddel spuit. Het poeder verhardt op de gewenste plaatsen. Vervolgens wordt een nieuwe laag poeder aangebracht en de printerkop spuit een nieuwe laag. In plaats van poeder kun je ook een vloeibaar polymeer gebruiken dat je met behulp van licht (bijvoorbeeld UV-licht) laag voor laag uithardt. Of een metaalpoeder dat met een laser wordt gesinterd. De resolutie van deze printers ligt zo rond de 50 micrometer.

De tweede soort printer is gebaseerd op het laag voor laag spuiten van materiaal, meestal gesmolten polymeer. De zelfbouwmachines die je als particulier voor zo’n duizend euro in huis kunt halen, werken vrijwel allemaal volgens dit principe. Nadeel is dat je materiaal een drager nodig heeft en je dus geen overhangende delen of losse schakels van een ketting kunt printer. Je kunt fijne details printen, maar de laagdikte is afhankelijk van de opening van de spuitmond voor het polymeer. De doorsnee is varieert van ongeveer halve millimeter tot kleiner dan een tiende millimeter.

Boomstra heeft beide types 3D-printers staan. De eerste is een commercieel apparaat dat ‘zo veel als een mooie auto’ heeft gekost. Het poeder is een composiet met geheime samenstelling, gebaseerd op gips. Het bindmiddel dat de leverancier aanbeveelt, bestaat voornamelijk uit water en alcohol. Andere composieten zijn ook bruikbaar, vertelt Boomstra: “Iemand heeft zelfs eens beendermeel met rijstwijn gebruikt. Op die manier zou je nieuwe botten kunnen printen.”

Als het hele object klaar is kun je het overige poeder met lucht wegblazen en hergebruiken. Het nogal brosse object doop je vervolgens in de secondelijm om het te laten verharden. Eventuele losse onderdelen zoals schakels van kettingen kun je loshalen door het geheel nog eens in de slaolie te dopen.

Zelfbouw

Het tweede apparaat in het Utrechtse fablab is een zelfgebouwd tafelmodel 3D-printer die iedereen als bouwpakket op internet kan kopen: de Ultimaker. Ook dit apparaat heeft een printerkop, gevoed met een draad plastic: polylactaat (PLA) in het geval van de Ultimaker. Een andere mogelijkheid is ABS (acrylonitril-butadieen-styreen), het materiaal waar legoblokjes van worden gemaakt. Nadeel van dat materiaal is dat het eerder de neiging heeft om krom te trekken tijdens het printen, zegt Boomstra. Dat is op te lossen door tijdens het printen te koelen langs de spuitkop.

Het plastic smelt in de printerkop, waarna een stappenmotor het door de spuitmond (nozzle) drukt. De printerkop spuit vervolgens laagje voor laagje het polymeer in de juiste vorm, aangestuurd door een gewone PC over de USB-poort. Sinds dit jaar kunnen de ontwerpers verschillende kleuren polylactaat kiezen. Voorheen waren alleen zwart en wit verkrijgbaar, vertelt Boomstra.

Veel andere soorten plastic zijn er volgens hem nog niet beschikbaar voor dit type printers. “Het probleem is dat fabrikanten een draad moeten maken met exact deze dikte. Dat is maatwerk en blijkbaar niet interessant voor de industrie. Ik zou graag een combinatie willen printen van een wateroplosbaar polymeer en een thermoplast die niet oplosbaar is. Dan kun je namelijk ondersteuningen printen voor een overhang, en die later wegwassen met water.”

In de toekomst moeten 3D-printers goedkope onderdelen gaan printen, luidt de verwachting. Die onderdelen gaat de fabrikant in digitale vorm online zetten, of je kunt ze zelf digitaliseren met 3D-scanners. Maar thuisgebruik is niet de voornaamste toepassing, denkt Boomstra: “Je gaat naar de kopieerwinkel of bouwmarkt en laat daar je stofzuigerkop, auto-onderdeel of speelgoed uitprinten.”

Organen printen

In de medische wereld is 3D-printing al lang niet nieuw meer. Je kunt er bijvoorbeeld prima protheses op maat mee maken. Daarbij print je veelal eerst modellen uit, bijvoorbeeld in composiet, die je vervolgens reproduceert met het gewenste prothesemateriaal. Diverse onderzoekers claimen dat ze organen printen. De Amerikaan Anthony Atala geeft presentaties waarbij hij een nier print. De kunststof nier is nog verre van levensvatbaar. Het Amerikaanse bedrijf Organovo print wel stukken bloedvat met levende cellen maar heeft die nog niet in patiënten geïmplanteerd.

In het UMC Utrecht staat een 3D-printer die hard op weg is levend materiaal te printen. Jos Malda, universitair docent bij de groep Orthopedie, hoopt bijvoorbeeld versleten knieën zodanig te kunnen herstellen dat er geen kunstknie meer nodig is. Hij legt uit: “Als het kraakbeen van een gewricht versleten is, plaatsen we nu vaak actieve cellen in het gewricht. Je hoopt dan dat die het weefsel herstellen. Maar vaak ontwikkelt zich toch artrose, dus het is een tijdelijke oplossing."

Malda wil een implantaat maken dat zoveel mogelijk lijkt op bestaand kraakbeen. Dat bestaat uit diverse lagen collageen die stevigheid geven. In die lagen zitten cellen die verschillende functies hebben. Ze maken bijvoorbeeld nieuw collageen voor de stevigheid, en proteoglycanen: suikerhoudende eiwitten die als een spons fungeren en de soepelheid en sterkte van kraakbeen garanderen.

Stevig polymeer

Het implantaat dat Malda maakt, bestaat uit een hydrogel als matrix voor de stevigheid. gemengd met verschillende typen levende cellen. Om die hydrogel met cellen in de juiste vorm te krijgen, gebruikt hij een 3D-printer. Het apparaat lijkt veel op de printers die gesmolten polymeer gebruiken. De printerkoppen spuiten laagjes hydrogel gemengd met de juiste cellen op de juiste plek, in de vorm van het defect in de knie van de patiënt.

Veel onderzoek zit in het selecteren van de juiste hydrogel. Die mag uiteraard niet giftig zijn, en moet na het implanteren worden afgebroken in hetzelfde tempo als waarin de cellen nieuw weefsel produceren. De gel mag de cellen niet hinderen in hun groei. Maar tegelijkertijd moet hij stevig genoeg zijn om te printen. De eerste tests vonden plaats met alginaat dat geleert door crosslinken met calciumionen. Maar alginaat bleek in de benodigde lage concentraties niet stevig genoeg.

Samen met Wim Hennink, hoogleraar farmacie in Utrecht, ontwikkelde Malda een polymeer dat aan al die eisen voldoet. Een blok-copolymeer, bestaand uit een gefunctionaliseerd polylactaat en een polyethyleenglycol, kan met een beetje warmte geleren. Daardoor is het stevig genoeg om tijdens het printen in vorm te blijven. Na het printen kan het materiaal uitharden onder invloed van licht. Tests lieten zien dat levende cellen (chondrocyten) deze behandeling overleven. Belangrijk is nu om uit te zoeken of de cellen ook genoeg weefsel produceren om nieuw kraakbeen te maken, zegt Malda. Binnen vier jaar denkt hij te weten of zijn implantaat goed groeit en veilig is. Dan ligt de weg open voor tests bij patiënten.