211service.com
Cyborg-onderdelen
In het laboratorium gemaakte orgels zouden meer kunnen doen dan alleen maar dienen als kant-en-klare opties voor patiënten in nood: met de juiste mix van biologie en materiaalwetenschap, zouden ze zelfs in staat kunnen zijn om mensen bovenmenselijke vermogens te geven.
Dat is wat onderzoekers van Princeton University zien als de toekomst van tissue engineering, en ze geloven dat 3D-printen de weg ernaartoe is. Michael McAlpine en leden van zijn lab meldden onlangs dat een 3D-printer een bionisch oor zou kunnen bouwen dat frequenties kan detecteren die een miljoen keer hoger zijn dan het normale gehoorbereik.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van september 2013
- Zie de rest van het nummer
- Abonneren
Het oor laat zien hoe 3D-printen elektronica en biologische weefsels naadloos kan samenbrengen. Normaal gesproken passen deze materialen niet goed bij elkaar: de ene is stijf en breekt gemakkelijk, terwijl de andere zacht en flexibel is. Maar met 3D-printen kunnen de twee samen worden gefabriceerd, zegt McAlpine. Het is een manier om alles op natuurlijke wijze met elkaar te verweven tot een driedimensionaal formaat, zegt hij. Dit kan onderzoekers helpen lichaamsweefsels te maken met geïntegreerde apparaten die de gezondheid kunnen bewaken, of zelfs cyborg-organen bouwen die conventionele zintuigen versterken.
Het team begon met een oor omdat de vorm moeilijk na te maken is met traditionele tissue engineering. Een groot deel van een oor is ook kraakbeen, dat bloedvaten mist - structuren die weefselingenieurs (voorlopig) ontgaan.
Om het bionische orgel te bouwen, wordt de printer geleid door een computermodel van een oor waaraan het team het model van een interne antennespoel heeft toegevoegd die is aangesloten op een externe elektrode. Laag voor laag wisselt de machine tussen drie inktsoorten: een mix van runderkraakbeenvormende cellen gesuspendeerd in een dikke laag hydrogel; een suspensie van zilveren nanodeeltjes om de spoel en externe cochlea-vormige elektroden te vormen; en siliconen om de elektronica te omhullen. De zilveren nanodeeltjes zijn stevig verpakt zodat ze elektriciteit kunnen geleiden. Het werkt als een metaal, maar omdat het nanodeeltjes zijn, kun je ze printen op een manier die je normaal niet op een metaal zou kunnen printen, zegt McAlpine.
Het printen duurt ongeveer vier uur. Vervolgens wordt het oor gebaad in een voedingsrijke bouillon zodat de cellen kunnen groeien, collageen en andere moleculen kunnen produceren en hun oorspronkelijke omgeving kunnen vervangen door kraakbeen.
Met zijn volledig ingebedde spoel kan het bionische oor radiosignalen detecteren en verzenden, maar geen geluidsgolven. McAlpine zegt dat functionaliteit aan toekomstige modellen kan worden toegevoegd door piëzo-elektrische materialen te integreren, die mechanische energie omzetten in elektrische energie. Op een dag zouden deze apparaten iemand kunnen helpen om te horen via hetzelfde mechanisme dat wordt gebruikt om cochleaire implantaten aan te sluiten, of misschien een zesde zintuig van elektromagnetische ontvangst bieden.
Vervolgens wil McAlpine het aantal objecten dat een 3D-printer kan produceren uitbreiden. Er zijn grote uitdagingen, zegt hij. Maar met printers met een hogere resolutie, denkt hij, zal zijn team in staat zijn om geavanceerdere elektronica te introduceren.
Naast het in staat stellen van biologische weefsels om materialen met uitzonderlijke eigenschappen op te nemen, kan 3D-printen ook een uitdaging op het gebied van weefseltechnologie aangaan: hoe organen met bloedvaten te laten groeien. Vasculatuurnetwerken hebben een ongelooflijk gecompliceerde geometrie, zegt McAlpine. Zo'n doorbraak zou de sleutel zijn tot het afdrukken van organen die bloedvaten bevatten, zoals levers, nieren en harten.