Een kloppend hart 4D-printen

Iedereen kent 3D-printen, het is bijna niet meer weg te denken in deze tijd. Tegenwoordig kun je alles 3D-printen van voedsel, kleding, implantaten tot huizen. Dit vind ik erg fascinerend en als ingenieur ben ik dol op nieuwe technologieën. Naast 3D-printen kreeg ik tijdens mijn bachelor al snel interesse voor het maken van organen en weefsels. Hoe gaaf zou het zijn als je organen kunt 3D-printen?! Dan hoeven patiënten nooit meer te wachten op een donororgaan en repareren we een orgaan gewoon of we maken zelfs een nieuwe. Helaas is dit nu nog een sprookje en is het nog niet zo makkelijk, maar het idee dat we er met kleine stapjes naartoe kunnen werken vind ik al gaaf.

Organen printen

Toch is het wel ingewikkeld om op termijn een kloppend hart te printen. Alle organen en weefsels in je lichaam groeien mee, omdat je lichaam dynamisch is. Over de ‘tijd’ verandert je lichaam dus. Ook hebben organen een bepaalde functie, bijvoorbeeld een hart dat het bloed rond pompt door samen te trekken. Dit inspireert mij erg en laat me nadenken of wij niet materialen kunnen maken die in staat zijn om te bewegen en samen te trekken? Want dan is het wellicht wel mogelijk om in de toekomst een synthetisch hart te bouwen.

Speciaal plastic

In ons onderzoeksgroep werken wij aan supramoleculaire polymeren, dit is een speciaal soort plastic die via non-covalente interacties een netwerk vormt. Waarom is dit interessant? Nou, je lichaam heeft eigenlijk veel van deze non-covalente interacties, zoals: DNA, RNA, eiwitten enzovoort. Dit zijn bindingen die niet permanent aan elkaar zitten, maar als een magneet sterk naar elkaar toe trekken en weer los kunnen koppelen om een nieuwe binding te vormen. Hierdoor hebben wij meer controle over de materiaaleigenschappen zoals smelttemperatuur, stevigheid, degradatie en bioactiviteit, maar op moleculair niveau lijken deze polymeren veel op systemen in ons lichaam waardoor ons speciale plastic een geschikt biomateraal kan zijn. (Leuk weetje: Nobelprijs 2016 voor scheikunde is gebaseerd op supramoleculaire chemie).

Op dit materiaal kunnen cellen groeien om weefsels te vormen, en in de loop van de tijd breekt ons plastic af, waarna de weefsels die er op groeien de functie overnemen. Maar als wij dit materiaal 3D-printen in de vorm van een hart, gaat deze niet vanzelf bewegen, daarom ben ik mezelf gaan verdiepen in responsieve materialen.

Responsieve materialen zijn materialen die reageren op een externe factor zoals licht, water, temperatuur of zuurtegraad. Op dit moment ben ik een temperatuurgevoelig polymeer aan het maken, deze moet dus de non-covalente interacties bevatten zodat het een supramoleculair temperatuurgevoelig polymeer wordt. Dat klinkt misschien ingewikkeld, maar het betekent dat dit materiaal uitzet op kamertemperatuur in een waterige omgeving, en dat het krimpt wanneer je de temperatuur verhoogt. Door dit mechanisme goed te bestuderen en te begrijpen, willen we deze responsiviteit uiteindelijk in specifieke structuren 3D-printen om gecontroleerde bewegingen te kunnen maken. Zo hopen wij een klein stapje dichter bij ons synthetisch pompende hart te komen.