Forskare vid ETH har tagit fram en gel av cellulosafibrer och biologiskt nedbrytbara nanopartiklar som blir flytande när den pressas genom munstycket på en 3D-skrivare, men återgår sedan snabbt till sin ursprungliga form. Deras uppfinning banar väg för personliga biomaterialimplantat.

På samma sätt som medicin har sett en trend mot precisionsmedicin – där behandlingen är skräddarsydd efter patientens genetiska sammansättning – de senaste åren, materialforskare vänder sig alltmer mot precisionsbiomaterial. Som det ser ut, dock, personliga implantat är fortfarande långt kvar. "Men för tillfället, vi gör stora framsteg mot detta mål – och lär oss mycket under processen, " säger Mark Tibbitt, Professor i makromolekylär teknik vid institutionen för maskin- och processteknik vid ETH Zürich.

Problemet med tandkrämen

Tidigare, forskare som arbetar inom området precisionsbiomaterial hölls tillbaka av det faktum att de var tvungna att utveckla nya [A1]-bläck för 3D-skrivaren för varje applikation. "Om någon ville replikera en del av ett öga, till exempel, de kunde inte dra nytta av arbetet av människor som designar öronproteser, " förklarar Tibbitt. Men nu, han och hans team har uppfunnit ett universellt bärarbläck som "dramatiskt förenklar" utvecklingen av nya applikationer, som forskarna skriver i sin uppsats.

Väsentligen, 3D-utskrift kräver en lösning på en gåta som tillfälligtvis kallas "tandkrämsproblemet":å ena sidan, tandkräm bör inte vara för trögflytande eftersom det skulle göra det svårt att klämma genom den smala öppningen på tuben; på den andra, det kan inte vara för flytande eftersom det då omedelbart skulle droppa av tandborsten. Liknande, i 3D-utskrift, bärarbläcket måste kunna bli flytande för att flöda genom tryckmunstycket, och stelna sedan så att den tryckta strukturen inte omedelbart tappar sin form.

Transient nätverk

Det är här det universella bärarbläcket som Tibbitts team har utvecklat kan hjälpa till. Den består av cellulosafibrer lösta i vatten i kombination med biologiskt nedbrytbara polymera nanopartiklar. När inget yttre tryck utövas, fibrerna fäster sig vid partiklarna. Detta skapar ett övergående nätverk som kan störas när det utsätts för de höga skjuvkrafterna i skrivarmunstycket – men som snabbt reformeras efter att ha passerat genom den smala öppningen.

I ytterligare experiment, Tibbitt och hans team av forskare tillsatte olika polymerer (som hyaluronsyra, gelatin, kollagen, eller fibrinogen) till deras nya bärarbläck. Dessa sekundära polymerer ändrade inte bläckets flödesbeteende genom huvudet på skrivarmunstycket, men gjorde det möjligt för forskarna att stelna det transienta nätverket för att bilda den tryckta strukturen på en sekund, efterföljande steg.

Nya läkemedelsadministrationssystem

Tibbitts team testade också hur levande celler beter sig i bärarbläcket - och fann att samma antal celler överlever i bläcket som de gör utanför. Baserat på det faktum att hydrofoba ämnen kan införas i nanopartiklarna – och hydrofila ämnen kan tillsättas i vattenfasen med cellulosafibrerna – visade forskarna att deras bläck också är lämpligt för utvecklingen av nya läkemedelstillförselsystem. På grund av dess lämplighet för användning i ett brett spektrum av applikationer, Att kalla sin bläckbärare för 3D-utskrift "universell" är verkligen ingen överdrift.