Bij EPFL wordt lasergebaseerd volumetrisch printen efficiënter en beter compatibel met levende cellen, waardoor mogelijkheden ontstaan ​​voor implantaten op ware schaal.

La Zwitserland van onderzoek en ontwikkeling Biomedical blijft werken aan een grensverleggend project dat fotonica, slimme materialen en regeneratieve geneeskunde combineert: het vermogen om zachte, complexe, driedimensionale structuren te produceren die compatibel zijn met levende cellen, zonder laagje voor laagje te werk te gaan. Het nieuwe resultaat komt vanÉcole Polytechnique Fédérale de Lausanne, waar het Laboratorium voor Toegepaste Fotonische Apparaten een hologramgestuurd volumetrisch 3D-printplatform heeft ontwikkeld dat in staat is om lichtgevoelige harsen efficiënter, sneller en nauwkeuriger te stollen.

Het gaat er niet alleen om een ​​model te demonstreren van menselijk oorWetenschappelijke en industriële belangstelling gaat uit naar de manier waarop licht binnen het printvolume wordt gecontroleerd. Bij conventionele additieve technieken, zelfs wanneer het proces zeer geavanceerd is, ontstaat het object vaak uit een reeks lagen, lijnen of voxels. Tomografische volumetrische additieve productieBij TVAM wordt de geometrie in plaats daarvan opgebouwd door een lichtdosis te verdelen in een hars die in een flesje roteert, totdat deze lokaal de polymerisatiedrempel overschrijdt.

De EPFL-aanpak introduceert een wezenlijk verschil: het moduleert niet alleen de intensiteit van het licht, maar regelt ook de lichtsterkte zelf. optische faseDat wil zeggen, de uitlijning van lichtgolven. In de praktijk betekent dit het gebruik van hologrammen om de laserstraal efficiënter te richten, waardoor een veel groter deel van het beschikbare vermogen behouden blijft. Volgens door de onderzoekers gepubliceerde gegevens bereikt het nieuwe systeem een 70 keer hogere efficiëntie vergeleken met de amplitudecodering die in eerdere platforms werd gebruikt.

De lichtfase wordt de werkelijke drijvende kracht achter 3D-printen.

In 2025 had de groep uit Lausanne al aangetoond hoe hologrammen tomografisch volumetrisch printen konden verbeteren door driedimensionale vormen te coderen via de lichtfase. Het nieuwe onderzoek brengt dit inzicht naar een schaalbaarder platform: voor het eerst in een VAM-systeem wordt een faselichtmodulator gebaseerd op MEMS-micromirrors, oftewel elektromechanische microstructuren die met grote precisie verticaal kunnen bewegen.

Deze technische keuze heeft gevolgen voor drie aspecten. Ten eerste het energieverbruik: een laserbron met laag vermogen is voldoende om complexe objecten te produceren, waardoor het gewicht van de optische hardware afneemt. Ten tweede de snelheid: in experimenten hebben onderzoekers aangetoond dat de laserstraling sneller kan worden gevormd. millimetergrote objecten in seconden en structuren op centimeterschaal in enkele minuten. Ten derde is er de compatibiliteit met biologische materialen, omdat de zelfherstellende stralen zich beter kunnen voortplanten in lichtverstrooiende media, zoals hydrogels en met cellen beladen harsen.

Dit is waar de technologie bioprinting benadert. In materialen die levende cellen bevatten, gaat licht niet door een perfect transparant medium: het wordt afgebogen, verstrooid en verzwakt. Dit maakt het moeilijker om nauwkeurige vormen en gladde oppervlakken te verkrijgen. Fasecontrole maakt echter robuustere lichtvelden mogelijk, waardoor een deel van de fouten die normaal gesproken de uiteindelijke kwaliteit van objecten die in biohars worden geprint, beperken, wordt verminderd.

"De efficiëntie en precisie die onze methode heeft aangetoond, maken het eindelijk mogelijk om weefselachtige structuren te bioprinten op een schaal die dicht bij de klinische schaal ligt."

zegt Christophe Moser, verantwoordelijk voor Laboratorium voor Toegepaste Fotonische Apparaten van EPFL. De formulering is voorzichtig maar veelbetekenend.

“Dicht bij de klinische schaal”

Het is niet hetzelfde als een implantaat dat klaar is voor de operatiekamer, noch als een functioneel orgaan. Het geeft eerder aan dat de afstand tussen het optische prototype en de bruikbare biomedische geometrie kleiner wordt. In dit specifieke geval printten de onderzoekers een levensgroot oor in een gel-gebaseerde hars met behulp van een laserdiode van 150 milliwatt, een belangrijke parameter omdat deze de mogelijkheid laat zien om met compacte en relatief toegankelijke bronnen te werken.

Levende cellen en hydrogels hebben de techniek ver voorbij het prototype gebracht.

De meest delicate stap betreft de overleving van de cellen. 3D-printen voor biomedische toepassingen moet niet alleen een correcte vorm produceren, maar ook omstandigheden handhaven die compatibel zijn met het leven van de cellen, waarbij thermische stress, overmatige lichtdoseringen of te agressieve chemicaliën worden vermeden. In het onderzoek van de EPFL werd een kleinere constructie ontwikkeld, met een volume van 64 kubieke millimeterNa zes dagen werd geconstateerd dat de opgenomen cellen nog steeds vitaal waren en georganiseerde netwerken hadden gevormd.

Deze gegevens alleen bewijzen niet dat het mogelijk is om volledig functionele stoffen te produceren, maar ze versterken wel de geloofwaardigheid van de experimentele richting. volumetrische bioprintingHet doel is niet alleen het verhogen van de resolutie, maar ook het combineren van snelheid, procesprecisie, geometrische nauwkeurigheid en biologische compatibiliteit. Snel printen kan de tijd verkorten dat cellen en bio-inkten worden blootgesteld aan niet-fysiologische omstandigheden, maar vereist wel een nauwkeurige controle van de lichtdosis in de ruimte.

De groep heeft zich ook gebogen over de kwestie van spikkelDe willekeurige interferentie die ervoor kan zorgen dat de oppervlakken van objecten die met hologrammen worden geproduceerd korrelig worden, speelt hierbij een rol. Het systeem combineert de meest efficiënte lichtbron met een strategie om deze optische ruis te verminderen en zo de oppervlaktekwaliteit te verbeteren. In biomedische toepassingen is het oppervlak niet alleen een esthetisch detail: het kan de interactie met cellen, vloeistoffen, extracellulaire matrices en toekomstige integratieprocessen beïnvloeden.

"Onze aanpak brengt volumetrisch printen dichter bij volwaardige implantaten en biologisch compatibele fabricage met laserbronnen met laag vermogen."

samenvatten Maria Isabel Álvarez-Castaño, promovendus van deEPFL en eerste auteur van de studie

Het wetenschappelijke artikel dat is gepubliceerd op Licht: wetenschap en toepassingen Het beschrijft ook tests met verschillende materialen, van acrylharsen tot zachte hydrogels. Het platform heeft objecten geprint met afmetingen van honderden micrometers tot centimeters, waaronder celbevattende hydrogels met een concentratie van één miljoen cellen per milliliter. De fijnste resolutie die in de micro-CT-analyses is gerapporteerd, betreft een positief kenmerk van ongeveer 30,3 micrometereen orde van grootte die relevant is voor het beoordelen van de precisie van het proces.

Van het laboratorium tot de regeneratieve geneeskunde: controle blijft nodig.

Het industriële traject van volumetrisch printen blijft complex. De productie van op maat gemaakte implantaten, cellulaire scaffolds of weefselmodellen vereist niet alleen een snelle machine, maar ook gecertificeerde materialen, herhaalbare protocollen, kwaliteitscontrole, steriliteit, traceerbaarheid en wettelijke validatie. Fotonica kan een deel van het probleem oplossen, maar kan de gehele toeleveringsketen niet vervangen. geneeskrachtig geneesmiddel.

Juist daarom moet het resultaat in Lausanne als een baanbrekende vooruitgang worden beschouwd. TVAM verlicht een aantal beperkingen van gelaagd printen: het kan holtes, overhangen en zachte geometrieën produceren zonder ondersteuning, en dat zeer snel. Holografie voegt een niveau van controle over het lichtveld toe, met de mogelijkheid om de energieverdeling aan te passen aan het daadwerkelijke gedrag van de hars en de aanwezigheid van cellen. Als het proces efficiënter wordt, wordt ook de hardware-drempel voor grootschalige experimenten verlaagd.

De rol van de MEMS-fasemodulatoren is cruciaal voor deze evolutie. In tegenstelling tot sommige vloeibare kristalmodulatoren zijn deze apparaten niet afhankelijk van de oriëntatie van viskeuze moleculen en bieden ze hoge snelheden, fasestabiliteit en een goede lichtopbrengst. In een printplatform vertalen deze eigenschappen zich in de mogelijkheid om snellere holografische sequenties te projecteren en een stabielere controle over het bestraalde volume te behouden.

De kwestie van biologische schaalbaarheid blijft een open vraag. Het printen van een vorm die lijkt op een oor betekent niet dat er functioneel, doorbloed kraakbeen wordt gegenereerd dat klaar is voor implantatie. Het kiezen van een herkenbaar anatomisch model helpt echter wel om de technologie te toetsen aan een echte geometrie, in plaats van aan een eenvoudig laboratoriummonster. Voor translationeel onderzoek is deze stap belangrijk: het laat zien of een techniek krommingen, diktes, volumes en details aankan die compatibel zijn met concrete klinische behoeften.

De volgende stap is printen in bestaande objecten.

De door de EPFL-groep geschetste perspectieven richten zich voornamelijk op drie gebieden. Het eerste betreft het verbeteren van de projectiegetrouwheid, oftewel het vermogen om het berekende lichtveld steeds beter af te stemmen op het lichtveld dat daadwerkelijk in de hars wordt afgezet. Het tweede is het bestuderen van de grenzen van bundelvorming in bioharsen met een hoge dichtheid, waar lichtverstrooiing ernstiger wordt. Het derde betreft nieuwe platforms die het mogelijk maken om direct op of rond bestaande objecten te printen.

Dit laatste punt zou interessante implicaties kunnen hebben voor medische apparaten, microfabricage en reparatie van functionele componenten. Printen rond een bestaande structuur betekent een verschuiving van geïsoleerde productie naar een geïntegreerde aanpak: een implantaat, sensor, steun of microarchitectuur zou onderdeel kunnen worden van een hybride object, geconstrueerd met verschillende materialen en eigenschappen.

Een andere benadering betreft het voorspellen van chemische reacties in de hars. Bij lichtgebaseerd printen hangt de uiteindelijke vorm niet alleen af ​​van de optiek, maar ook van fotopolymerisatie, diffusie van de inhibitor, dosisdrempel en materiaalkinetiek. Door deze processen te modelleren, kunnen fouten vooraf worden gecorrigeerd, waardoor hologrammen worden geprojecteerd die al rekening houden met het werkelijke gedrag van het systeem.

Hetzelfde idee opent ook de weg naar rotatievrij printen van de verpakking, gebaseerd op de projectie van een hologram rechtstreeks op een harsflacon. Indien bevestigd door latere resultaten, zou deze ontwikkeling de procesmechanica vereenvoudigen en de technologische focus verder verschuiven naar optische software, rekenalgoritmen en lichtveldontwerp.

Voor het ecosysteem van de onderzoek en ontwikkeling, de zaak EPFL Het laat zien hoe de convergentie van fotonica, materialen en biologie de betekenis van additieve productie fundamenteel verandert. 3D-printen is niet langer alleen een techniek voor het produceren van vaste componenten: het wordt een proces voor het verspreiden van energie, informatie en chemie in een gevoelig volume. Op basis hiervan kan Zwitserland De wetenschap kan een concurrentievoordeel blijven opbouwen, zolang de kwaliteit van het experiment zich vertaalt in herhaalbare, veilige en verifieerbare protocollen.

Hier zijn drie inzichten die u wellicht interesseren:

Bio-geïnspireerde robots en 3D-printen: de doorbraak van programmeerbaar latex
Dus 3D-printen zal kinderen met ernstige brandwonden in het gezicht genezen
Ecologische grafeeninkt voor 3D-printen is geboren