In het laboratorium is 3D-printen een belangrijke techniek voor het maken van onderzoeksopstellingen. Wat voor 3D-printers staan er eigenlijk in het lab?
Een heel geduldige robot met een soort lijmpistool, dat is hoe de meest standaard 3D-printer werkt. De printer brengt een laagje plastic aan met een verwarmde printkop. Dat is zoals een lijmpistool, maar dan met plastic in plaats van lijm. Vervolgens maakt de printer een tweede laagje op het eerste laagje. Het derde laagje gaat op het tweede laagje enzovoorts. Zo stapelt de printer dunne laagjes plastic om een driedimensionale vorm te krijgen. Deze techniek heet Fused Deposition Modeling (FDM).
Ik gebruik FDM-printers om de opstelling van mijn experiment mee te bouwen. Een voorbeeld hiervan is een pompje dat ik heb gemaakt om vloeistof langs de cellen te laten stromen, niercellen in mijn geval. Het voordeel van 3D-printen is dat je onderdelen kunt maken die precies aansluiten op wat je nodig hebt voor je experiment.
Vloeistofpomp uit de 3D-printer.
Printen met elektriciteit
Een relatief nieuwe techniek maakt gebruik van elektrische velden. Deze techniek heeft meerdere varianten waarvan de naam altijd begint met ‘melt electro’, bijvoorbeeld melt electrowriting. Net als bij de vorige techniek komt er gesmolten plastic uit de printkop. Dat is heel heet! Maar de printer zet ook elektrische spanning op de inkt. Hierdoor schiet de inkt sneller naar beneden, als een soort bliksemschicht. Zo krijg je veel dunnere lijntjes dan met een gewone 3D-printer.
Ik gebruik melt electrospinning om ondergronden te printen die meer lijken op de natuurlijke ondergrond van levende niercellen. In het laboratorium groeien we cellen vaak op een plat stuk plastic, zoals een petrischaal. Dat is behoorlijk anders dan in het menselijk lichaam. Daar groeien niercellen namelijk op een hobbelige ondergrond met allerlei moleculen eraan, zoals suikers en eiwitten. Die ondergrond noemen we “de extracellulaire matrix”. Met melt electrospinning kun je structuren printen die daarop lijken. Als je vervolgens niercellen kweekt op zo'n ondergrond, kunnen ze hun taak misschien ook beter uitvoeren.
Het magische vloeistofbad
Een andere printer waar we veel mee werken, gebruikt een magisch vloeistofbad. Deze techniek noemen we 'stereolithografie'. Eerst wordt een metalen plaat ondersteboven in een vloeibare hars gedompeld. De printer maakt deze hars vervolgens op bepaalde plekken hard. Dit is waar de 3D-print ontstaat. Laagje voor laagje blijft de print dan ondersteboven aan de plaat plakken.
Stereolithografie is preciezer dan FDM-printen (‘het lijmpistool’). Je kunt er kleinere details mee aanbrengen. Het is ook makkelijker om holle structuren te printen, bijvoorbeeld een buisje. Er zijn veel soorten hars beschikbaar voor stereolithografie. Niet alle soorten zijn geschikt voor levende cellen. Ik werk bijna alleen met harsen die wel daarvoor geschikt zijn.
De print hangt ondersteboven aan de metalen plaat
Sonny de Jong voor NEMO KennislinkPrinten in een zandbak
Met Selective Laser Sintering (SLS-printen) zet de printer een bak plastic poeder klaar, als een soort zandbak. Een laser verhit specifieke plekken in deze bak, waardoor de poederdeeltjes daar met elkaar versmelten. Vervolgens strooit de printer een nieuw laagje poeder over de hele bak. Dit laagje verhit de laser dan weer op een specifieke plek, zodat er een nieuw laagje hard plastic ontstaat. Door dit telkens opnieuw te doen, maakt de printer een stevig plastic voorwerp.
Het fijne van SLS-printen is dat je ingewikkelde vormen kunt printen, zelfs als die een beetje wiebelig zijn. Het losse poeder dat niet verhit wordt, werkt namelijk als ondersteuning totdat de print af is. In ons laboratorium staat geen SLS-printer, omdat het een relatief dure en gevaarlijke techniek is. De fijne poeders kunnen schadelijk zijn om in te ademen en de apparaten nemen veel ruimte in. Het is een techniek die vooral in de industrie wordt gebruikt.
SLA-printer.
Printen met licht
De vorige 3D-printers werken allemaal laagje voor laagje. Maar er zijn ook 3D-printers die de hele print in één keer maken, met licht. In deze ‘volumetrische printers’ zit een buis met speciale gel. Die gel is normaal gesproken vloeibaar, maar kan hard worden als er licht op schijnt. Dat is de taak van de printer: het apparaat schijnt met een laser op de plekken waar de gel moet uitharden. Zo ontstaat er een 3D-print die in één keer uithardt, niet laagje voor laagje. Het voordeel daarvan is dat de printer nóg preciezer kan werken en in staat is om prints te maken van zachtere materialen.
Dit filmpje laat zien hoe onze volumetrische printer een print van de Utrechtse Dom maakt
De meest precieze 3D-printtechniek werkt met een extra trucje. De laser wordt op een zachtere stand gezet (infrarood), maar op een specifieke plek versterkt met een extra vergrootglas. Hierdoor maakt de laser een piepkleine punt waar twee lichtdeeltjes (fotonen) tegelijkertijd samenkomen. Met dat puntje kan de printer structuren maken die je het blote oog nauwelijks ziet. Deze techniek heet twee-fotonenpolymerisatie.