Valentine Ananikov, chemicus aan het Zelinsky Institute of Organic Chemistry in Moskou, voert chemische reacties uit die zo delicaat zijn dat slechts een spoor van metalen nanodeeltjes, kleiner dan een bacterie, zijn resultaten zou kunnen veranderen. Wanneer zijn laboratorium klaar is met een experiment, moet het dus grondig worden schoongemaakt. Tenminste, dat was vroeger zo. In 2016 begon Ananikov met het maken van wegwerpreactievaten. Om dat te doen, vertrouwt hij op een technologie die tot de verbeelding heeft gesproken van doe-het-zelf hackers, ingenieurs en wetenschappers: 3D-printen.
Bij 3D-printen, ook bekend als additieve vervaardiging, wordt een 3D-computermodel laagje voor laagje omgezet in een fysiek object, zoals bij het glazuren van een taart. Ananikovs team gebruikt de technologie om chemische reactoren op maat te maken in dagen, in plaats van weken of langer te wachten tot ze door een externe leverancier worden gemaakt en verzonden. Nog belangrijker is dat de kosten van het 3D-printen van plastic zo laag zijn dat de groep het zich kan veroorloven de apparatuur te behandelen als verbruiksgoederen die één keer worden gebruikt en vervolgens worden weggegooid, zonder dat ze hoeven te worden opgeruimd. “Voor onderzoekslaboratoria die zich bezighouden met interdisciplinaire projecten”, zegt Ananikov, “is 3D-printen tegenwoordig een soort standaardgereedschap.”
3D-printers zijn op grote schaal overgenomen door leden van de ‘makerscultuur’ voor onderwijs en het maken van innovatieve objecten. Maar ze worden ook steeds meer standaardapparatuur in wetenschappelijke laboratoria. Onderzoekers kunnen ze gebruiken om gebroken instrumentonderdelen te vervangen, aangepaste monsterhouders te bouwen en modellen te maken van alles van biologische moleculen tot oliehoudende rotsen. En de clinici kunnen hen gebruiken om implantaten en het onderwijzen modellen te creëren.
Objecten kunnen worden 3D-geprint met behulp van verschillende technologieën, maar een van de meest wijdverspreide is fused-filament fabrication (FFF), ook wel fused-deposition modelling genoemd. In FFF-printers wordt een smal, gekleurd filament – meestal kunststofdraad – verhit en geëxtrudeerd, waarbij een vorm laag voor laag wordt gevormd. Oudere stereolithografieprinters gebruiken daarentegen een tank met vloeibare, door licht geactiveerde hars, die met een laser in precieze vormen wordt gehard. FFF-printers hebben de neiging om minder gedetailleerde objecten te produceren dan stereolithografieprinters, maar zijn gemakkelijker en goedkoper in het gebruik.
Commerciële FFF-printers kunnen worden aangeschaft voor honderden tot duizenden dollars. Of onderzoekers kunnen de hardware zelf bouwen met kits of ontwerpen van het open-source RepRap-project voor slechts een paar honderd dollar.
3D-printen is niet nieuw: stereolithografieprinters bestaan al sinds de jaren tachtig. Maar dalende prijzen hebben de technologie op grote schaal beschikbaar gemaakt. Hieronder staan vier manieren waarop onderzoekers hebben geprofiteerd van 3D-printen.
Uitrusting voor onderweg
Julian Stirling, een natuurkundige aan de Universiteit van Bath, VK, maakt deel uit van een team dat lichtmicroscopen heeft ontworpen die kunnen worden gemaakt met 3D-geprinte plastic onderdelen. Het idee is om ze in het veld in Tanzania te bouwen en ze te gebruiken om malaria te diagnosticeren door naar parasieten in bloed te zoeken. Tanzania heeft een tekort aan kundige monteurs en lokale onderdelen voor het repareren van wetenschappelijke apparatuur, zegt hij, en het importeren van onderdelen kan duur en tijdrovend zijn. Door onderdelen te 3D-printen kunnen lokale artsen en wetenschappers hun microscopen sneller en goedkoper repareren. Een lokaal bedrijf in Tanzania heeft zelfs FFF-printers gemaakt van elektronisch afval en andere lokale materialen, voegt hij eraan toe.
Elke websites, waaronder Thingiverse en MyMiniFactory, bieden fora voor wetenschappers om computermodellen van printbare onderdelen te delen. Maar in de ervaring van Stirling zijn de modellen op deze sites vaak onvolledig, ontbrekende ofwel documentatie voor een bepaald project of belangrijke bestanden voor het wijzigen van de ontwerpen. Daarom maakt zijn team zijn ontwerpen helemaal opnieuw, met behulp van een open-source programmeertaal genaamd OpenSCAD. Hun microscopen kunnen volledig 3D-geprint worden, met uitzondering van de camera, motoren en lenzen.
Wanneer het op 3D-printen aankomt, is het gemakkelijk om fouten te maken, zegt Stirling. Maar omdat de technologie snel en goedkoop is, is het eenvoudig om op ontwerpen te herhalen. “Deze ervaring kan alleen worden opgebouwd door vallen en opstaan”, merkt hij op.
De praktijk heeft Stirling geleerd dat er een groot verschil is tussen het gebruik van een 3D-printer in het laboratorium en het gebruik ervan in het veld. Het 3D-printen van plastic filament in het vochtige klimaat van Tanzania is doorgaans moeilijker dan in een laboratorium met klimaatbeheersing, omdat de vochtigheid het plastic filament aantast, wat leidt tot meer mislukte prints. Bovendien zijn stroomonderbrekingen niet ongewoon, en slechts sommige printers kunnen een half afgewerkt object verder printen nadat de stroom is hersteld. Stirling en zijn team kunnen niet veel doen aan het klimaat, maar ze gebruiken wel ononderbroken voedingen om ervoor te zorgen dat hun printopdrachten worden voltooid, zegt hij.
Life-like organs
Ahmed Ghazi, een urologisch chirurg aan de Universiteit van Rochester Medical Center in New York, gebruikt 3D-printen om niet-functionele menselijke organen te maken, die chirurgen kunnen gebruiken om robotondersteunde chirurgie te oefenen. Voor relatief eenvoudige ingrepen, zoals het verwijderen van een milt, is er weinig behoefte aan een dergelijke oefening. Maar complexere ingrepen, zoals het wegsnijden van een tumor, kunnen van patiënt tot patiënt sterk verschillen. Zoals Ghazi opmerkt: “Tumoren staan niet in tekstboeken.”
Ghazi begint met 3D-computertomografiescans van het weefsel van de patiënt en voert de gegevens vervolgens in de commerciële medische modelleersoftware Mimics van Materialise in Leuven, België, en Meshmixer, een gratis programma van Autodesk in San Rafael, Californië, om 3D-modellen te maken. Vervolgens print hij die modellen als holle plastic mallen met een FFF-printer, brengt hij er replica’s van bloedvaten in aan die worden aangesloten op een nepbloedpomp, en injecteert hij de mal met een hydrogel die zal stollen tot een object met orgaanachtige stijfheid. De resulterende structuren zijn realistisch genoeg voor chirurgen om hun procedures te oefenen met echte gevolgen, waaronder bloedingen.
Ghazi zegt dat hij en zijn team deze modellen gebruiken voor maximaal vier operatiegevallen per week. In elk geval maken ze twee kopieën van de modellen en kiezen de meest nauwkeurige weergave. En ze trainen andere artsen om de technologie toe te passen op gebieden zoals hart- en leverchirurgie. “Dit is zeker iets dat veel meer aanslaat”, zegt Ghazi.
Maar er blijven onvolkomenheden. De mallen die door FFF-printers worden gemaakt, vertonen vaak kleine ribbels en putjes, zegt Ghazi. Dergelijke defecten zijn vaak te klein om met het blote oog te zien, maar zijn duidelijk zichtbaar voor de robotcamera, wat van invloed kan zijn op de ervaring van de chirurg. Ghazi’s oplossing is om een laagje was op kamertemperatuur over de binnenkant van de mal te smeren, waardoor de ribbels en putjes worden opgevuld en het eindproduct gladder wordt. “Die kleine dingen maken een verschil”, zegt hij.
Replica rocks
Voor Mehdi Ostadhassan, een petroleumingenieur aan de Universiteit van North Dakota in Grand Forks, biedt 3D-printen een hulpmiddel voor het optimaliseren van de winning van olie en gas uit gesteente.
Ostadhassan print ‘rotsen’ met behulp van programma’s als OpenSCAD en de commerciële 3D computer-aided design software AutoCAD (van Autodesk) in combinatie met verschillende 3D printers en materialen. Deze rotsmodellen hebben realistische fysische eigenschappen, waaronder piepkleine, gedetailleerde poriën, en Ostadhassan zet ze onder fysische spanning om beter te begrijpen hoe vloeistof door hun levensechte equivalenten stroomt.
Om de meest realistische rotsen te maken, gebruikt Ostadhassan een reeks printbenaderingen, waaronder bindmiddel-straaltechnologie, waarbij een vloeibaar bindmiddel laag voor laag wordt aangebracht op gipspoeder of silicazand. Het proces levert objecten op met mechanische eigenschappen die die van echte rotsen sterk nabootsen. Maar ongebonden poeder kan ook vast komen te zitten in de poriën, zegt Ostadhassan, waardoor de kwaliteit van het eindproduct afneemt. En voor sommige experimenten moet hij een waterafstotende behandeling toepassen om de ‘bevochtigbaarheid’ goed te krijgen. Stereolithografieprinters zijn beter in het printen van gesteenten met gedetailleerde poriën om de vloeistofstromingseigenschappen te bestuderen, maar de modellen die zij produceren zijn niet zo sterk als met bindmiddel-jet-geprinte gesteenten.
Ostadhassan werkt daarom samen met andere onderzoekers aan de ontwikkeling van een aangepaste printer die deze poriën en scheuren kan nabootsen, maar toch modellen kan produceren met dezelfde mechanische sterkte als echte rotsen.
Zwaar metaal
De 3D-printers van vandaag kunnen een scala aan materialen uitvoeren – maar niet allemaal. “Het materiaal voor 3D-printen is zeer, zeer beperkt,” zegt Yang Yang, chief executive van UniMaker in Shenzhen, China, die 3D-printers maakt voor wetenschappelijk gebruik. Maar het onderzoek in de ruimte is intens, en verandering is op komst. Een groeigebied is bioprinten, voor het maken van gestructureerde biologische materialen. Jin-Ye Wang, biomedisch wetenschapper aan de Shanghai Jiao Tong University in China, zegt dat haar instelling een dergelijk apparaat heeft aangeschaft voor gebruik in de klas. Deze bioprinters mengen cellen en hydrogels om structuren te creëren, zoals botten en tumormodellen.
Een ander groeigebied, zegt Yang, is metaal. Voor metaal geschikte printers gebruiken een bundel elektronen of een laser om metaalpoeders in gedefinieerde patronen te smelten. Jeremy Bourhill, een natuurkundige aan de Universiteit van West-Australië in Perth die onderzoek doet naar donkere materie, bestudeert het gebruik van laser-gebaseerde 3D-metaalprinters om een netwerk van supergeleidend niobium te bouwen. Dit zou kunnen worden gebruikt om sterke magnetische velden te blokkeren die zouden interfereren met de detectie van donkere materie, zegt Bourhill.
Voor het maken van de mazen zouden bij conventionele bewerking giftige smeermiddelen nodig zijn en zou een aanzienlijke hoeveelheid niobium verloren gaan, wat duur is. Dus gebruikt Bourhill’s team krachtige lasers om doorsneden van metaalpoeder te smelten en samen te smelten. Maar omdat het smeltpunt van niobium ongeveer 2.500 °C is, vereist het proces aanzienlijke hoeveelheden energie. “Niobium is een heel taai materiaal,” zegt Bourhill.
Ooit zouden onderzoekers zoals Bourhill beperkt zijn geweest in hun mogelijkheden. Maar met de toegenomen beschikbaarheid van 3D-printers heeft zich een fundamentele verschuiving voorgedaan, zegt Yusheng Shi, een materiaalingenieur aan de Huazhong University of Science and Technology in Wuhan, China: 3D-printen maakt gepersonaliseerde productie mogelijk en verdringt gecentraliseerde productie. Zoals deze voorbeelden laten zien, hebben onderzoekers nog maar net het oppervlak geraakt van wat ze met die kracht kunnen doen.