logo idiomorf  
Bekijk de tekeningen op deze website en zie de kracht van de eenvoud
vorige afbeelding terug naar overzicht volgende afbeelding    
   

Tekening over afbreekbare harsen in het menselijk lichaam

 

 
 
 
   

Infographic over biologisch afbreekbaar kunst hars voor exacte kopieën van bot en hartkleppen
Onderzoekers hebben een nieuw type hars ontwikkeld dat door het menselijk lichaam afgebroken kan worden. Deze nieuwe hars maakt het mogelijk om belangrijke lichaamsdelen exact en daarmee precies passend na te maken. Afhankelijk van waar het in het lichaam gebruikt zal worden, kan de hars verschillende eigenschappen krijgen. Op deze modellen worden cellen gezaaid en gekweekt, waardoor lichaamseigen weefsels terug kunnen groeien. Ir. Ferry Melchels en Prof. Dr. Dirk Grijpma van de onderzoeksgroep Polymeerchemie en Biomaterialen van de Universiteit Twente ontwikkelden de nieuwe hars. Met deze doorbraak komen ze in het gezaghebbende tijdschrift Biomaterials.

Stereolithografie
Is een techniek waarmee 3D-objecten vanuit een digitaal ontwerp gemaakt kunnen worden. Ook is het mogelijk om met behulp van een CT scanner een object te scannen om een digitaal beeld te krijgen. Met een stereolithograaf kun je dat object vervolgens zeer nauwkeurig nabouwen. Een stereolithograaf is dan een 3D-kopieermachine met zeer hoge resolutie. Het werkingsprincipe berust op het plaatselijk uitharden van een vloeibare hars met computergestuurd licht. De tot op heden beschikbare harsen voor stereolithografie harden uit tot een chemisch netwerk dat niet afbreekbaar is.

Kunst hars
Nu hebben onderzoekers van de Universiteit Twente voor het eerst een biologisch afbreekbare hars ontwikkeld die gebruikt kan worden voor deze 3D-kopieermachine. Ze hebben de hars zo gemaakt, dat de uitgeharde hars door het lichaam afgebroken wordt. Het maken van objecten van deze biologisch afbreekbare hars kan gunstig zijn voor veel medische toepassingen. Wanneer bijvoorbeeld een kind een hartklep-afwijking heeft, dan kan met behulp van een CT-scanner een digitaal 3D-beeld gemaakt worden van de hartklep. Met de nieuwe hars kan het model in de stereolithograaf precies worden nagebouwd. Wanneer de structuur poreus gemaakt wordt, kunnen er eigen cellen op teruggeplaatst worden. Voedingsstoffen hebben zo ook toegang tot de cellen, zodat uiteindelijk na afbraak van de drager structuur alleen weefsel overblijft. Een andere mogelijkheid is om de hars te gebruiken voor reconstructies van schedeldefecten. Je kunt, heel nauwkeurig, een passende vorm maken met de stereolithograaf. Door daar patiënteigen cellen op te laten groeien, zal eigen botweefsel weer gevormd worden.

Eigenschappen
De materiaaleigenschappen van de uitgeharde hars moeten sterk kunnen variëren. Voor zachtere weefsels zijn namelijk heel andere eigenschappen nodig dan voor hardere weefsels als bot. Belangrijke eigenschappen hebben betrekking op mechanisch gedrag, celhechting, vochtopnemend vermogen en afbreekbaarheid. Een botmateriaal moet bijvoorbeeld stijf zijn en er moeten kalkzouten op kunnen neerslaan, terwijl deze eigenschappen niet gunstig zijn voor zachte weefsels.

Infographic
Bovenstaande infographic tekening geeft stap voor stap informatie over de nieuwe uitvinding: kunsthars dat biologisch afbreekbaar is. Deze tekening is gemaakt in opdracht van een vakblad en dient als toelichting op de techniek van een artikel over afbreekbaar hars. Het materiaal biedt mogelijkheden om onderdelen van het menselijk lichaam zoals botten en hartkleppen, exact op maat na te maken teneinde het origineel te kunnen vervangen. Van het origineel, bijvoorbeeld een gebroken bot wordt een 3D-scan gemaakt met behulp van een MRI-scanner. Vervolgens wordt de informatie die de 3D scanner levert ingeladen in een AutoCAD-programma. Het is dan mogelijk om met dat 3D-programma het gescande object te perfectioneren. Daarna wordt met stereolithografie het kopie gemaakt. Met deze techniek bouw je een driedimensionaal object laagje voor laagje op met 3D printer, een apparaat dat in de verte lijkt op een conventionele printer. Voor het resultaat wordt een vloeibare kunsthars gebruikt die uithardt onder invloed van UV-licht.

Toepassing biologisch afbreekbare harsen
Industrieel ontwerpers kennen deze replica techniek al meer dan 10 jaar, en het idee om daarvoor biomedische toepassingen te gebruiken is ook niet nieuw. Je zou bijvoorbeeld een poreuze kunststof kopie van een dijbeen kunnen maken waar je vervolgens celmateriaal van de patiënt in ‘zaait’. In het ideale geval groeien die cellen uit tot een nieuw bot in de vorm van de kunststof struktuur, die ze vervolgens geleidelijk afbreken en door levend weefsel vervangen.

Opname Biologische harsen door het menselijk lichaam
Probleem was tot nu toe dat de meeste bestaande stereolithografische harsen totaal niet biologisch afbreekbaar zijn. En de paar die dat wél zijn, zijn in de praktijk te bros. Men heeft nu een hars ontwikkeld op basis van amorf polymelkzuur (poly(D,L-lactide)), een materiaal dat qua mechanische eigenschappen vrij dicht bij natuurlijk botweefsel zit. Om te beginnen polymeriseerden ze D,L-lactide met hexaandiol, glycerol of sorbitol als initiator. Dat leverde stervormige oligomeren met respectievelijk 2, 3 en 6 uiteinden op. Die uiteinden functionaliseerden ze met methacryloylchloride. Met een beetje foto-initiator erbij, en ethyllactaat als verdunner, ontstond een UV-gevoelige hars die bruikbaar bleek voor stereolithografie. Essetieel is dat het ethyllactaat niet meereageert en zelf ook biologisch afbreekbaar is. Bij eerdere pogingen met polymelkzuur moest er een reactieve verdunner bij die niet-afbreekbare blokken in het uiteindelijke polymeer opleverde. De onderzoekers hebben daadwerkelijk poreuze blokjes opgebouwd uit dit materiaal. Muizencellen (pre-osteoblasen) bleken er prima aan te hechten.