Cellulose-bio-inkten verbeteren 3D-systemen voor medicijnafgifte

Natuurlijke producten maken al sinds het begin van de beschaving deel uit van de geneeskunde. Voordat chemische geneesmiddelen werden uitgevonden, vormden planten vaak de basis voor doeltreffende behandelingen.

Een voordeel van biologische verbindingen is dat ze doorgaans goed samengaan met het lichaam van een patiënt. Daarom werden materialen als hout en ivoor lange tijd voor bepaalde prothesen gebruikt.

Tegenwoordig onderzoeken wetenschappers of biomaterialen polymeren uit aardolie kunnen vervangen in medische toepassingen.

In een recente publicatie onderzoeken wetenschappers van Gomal University in Pakistan en Jiangsu University in China hoe cellulose, een van de moleculen waaruit hout is opgebouwd, samen met 3D-printen kan worden gebruikt om bio-inkten te maken voor medicijnafgifte, het 3D-printen van zacht weefsel en wondgenezing.

De onderzoekers publiceerden hun resultaten in het tijdschrift Next Materials¹, onder de titel ‘Van biomassa tot biofabricage: de rol van cellulose in duurzame 3D-geprinte systemen voor medicijnafgifte en weefselregeneratie’.

Cellulose als bijzonder duurzaam biomateriaal

Bomen produceren bijzonder veel cellulose als bouwstof voor hout, maar de verbinding komt in vrijwel alle planten voor. Cellulose is daardoor zeer duurzaam: het ontstaat letterlijk via fotosynthese uit koolstofdioxide (CO2), water en zonlicht. Het is bovendien goedkoop, zoals blijkt uit de lage prijs van massaal geproduceerd papier van cellulosevezels. Cellulose is ook biocompatibel en biologisch afbreekbaar.

Cellulose is een polymeer van glucose en kan ook in 3D worden geprint. Dat opent de deur naar tal van nieuwe medische toepassingen.

Bron: ScienceFacts

In deze studie onderzochten de wetenschappers de mogelijkheden van 3D-geprinte cellulose voor verschillende toepassingen:

• Gepersonaliseerde systemen voor medicijnafgifte.
• Weefseltechnologie die nieuwe manieren biedt om beschadigde organen en weefsels te herstellen.
• Het testen van geneesmiddelen in kunstmatige, 3D-geprinte weefselmodellen die de omgeving in het lichaam nabootsen.

Daarvoor beoordeelden ze wetenschappelijke artikelen uit 2015 tot en met 2025 waarin zoektermen werden gecombineerd als ‘cellulose’, ‘nanocellulose’, ‘bacteriële cellulose’, ‘3D-bioprinten’, ‘bio-inkten’, ‘medicijnafgifte’, ‘weefseltechnologie’, ‘hydrogels’ en ‘stimulusresponsieve biomaterialen’.

Cellulose omzetten in een medisch biomateriaal

Cellulosekristallen aanpassen

Cellulose kan in twee vormen voorkomen; de meeste cellulosematerialen bevatten een mengsel van beide:

• Kristallijne cellulose, met een grotere stabiliteit en mechanische sterkte.
• Amorfe cellulose, die minder geordend is en daardoor gemakkelijker met andere moleculen kan reageren.

Afhankelijk van het gewenste effect kunnen beide vormen van cellulose nuttig zijn voor medische toepassingen.

Stabielere kristallijne cellulose wordt in het lichaam langzamer biologisch afgebroken. Dat is nuttig voor toepassingen die langdurige mechanische integriteit vereisen, zoals weefselsteigers, wondverbanden en systemen voor langdurige medicijnafgifte.

Amorfe cellulose is beter toegankelijk voor enzymatische afbraak en vochtopname. Daardoor breekt het materiaal sneller af en wordt het gemakkelijker biologisch geresorbeerd tijdens de remodellering van weefsel.

Bron: Next Materials

Het afstemmen van de cellulosestructuur op de behoeften van een specifieke toepassing is daarom een essentieel onderdeel van elk proces dat cellulose voor medische doeleinden wil gebruiken.

‘Het afstemmen van de chemie en microstructuur van cellulose is essentieel om de stabiliteit van weefselsteigers, cellulaire interacties, therapeutische afgifteprofielen en de algemene prestaties van biofabricage voor weefseltechnologie en regeneratieve geneeskunde te optimaliseren.’

Cellulosederivaten

Naast zuivere cellulose hebben ook andere uit cellulose vervaardigde verbindingen medisch potentieel. Voorbeelden zijn carboxymethylcellulose (CMC), hydroxypropylmethylcellulose (HPMC), microkristallijne cellulose (MCC) en nanocellulose:

• CMC wordt gebruikt als stabilisator en verdikkingsmiddel in geneesmiddelformuleringen.
• HPMC wordt gebruikt in formuleringen met gereguleerde afgifte die geneesmiddelen geleidelijk aan de patiënt afgeven.
• MCC staat bekend om zijn goede eigenschappen als vulstof, desintegratiemiddel en bindmiddel in farmaceutische tabletten.
• Nanocellulose is dankzij haar grote oppervlak een nieuw en waardevol materiaal voor weefseltechnologie en medicijnafgifte.

Bacteriële cellulose geniet vaak de voorkeur boven plantaardige cellulose vanwege de hoge zuiverheid, mechanische sterkte, het vochtvasthoudend vermogen en de biocompatibiliteit ervan. Het materiaal kan als draagstructuur dienen bij het 3D-bioprinten van zowel hard als zacht weefsel, van huid tot hartspier, omdat de microstructuur de nanovezelstructuren van de extracellulaire matrix nabootst die weefselregeneratie ondersteunen.

Bron: Next Materials

Cellulose bij 3D-bioprinten

Methoden voor bioprinten

Cellulose en weefsels op een cellulosedraagstructuur kunnen met verschillende methoden worden gebioprint. Elke methode is het meest geschikt voor een bepaald type cellulose.

Bio-inkten met veel cellulose-nanofibrillen (CNF) zijn bijvoorbeeld bijzonder geschikt voor bioprinten op basis van extrusie. Bij inkjet-bioprinten moet de viscositeit van cellulosehoudende bio-inkten juist worden geoptimaliseerd.

Bron: Next Materials

Cellulose hoeft bovendien niet het enige bestanddeel van een cellulosehoudende bio-inkt te zijn. Andere biomaterialen kunnen aan het mengsel worden toegevoegd om de overleving van de opgenomen cellen te vergroten.

‘Het toevoegen van cellulose-nanokristallen aan bio-inkten op basis van gelatine en alginaat verbeterde hun mechanische eigenschappen en verhoogde de levensvatbaarheid van cellen, waardoor deze mengsels geschikt zijn voor uiteenlopende toepassingen in de weefseltechnologie.’

Toepassingen van cellulosehoudende bio-inkten

Dankzij de instelbare structuur kan cellulose worden gebruikt om de snelheid en duur van medicijnafgifte aan te passen.

‘Recente ontwikkelingen in verwerkingsmethoden, zoals 3D-printen en elektrospinnen, hebben nieuwe mogelijkheden gecreëerd voor cellulosehoudende systemen voor medicijnafgifte met betere mechanische eigenschappen en instelbare afgifteprofielen.’

In de weefseltechnologie vormt cellulose een waardevolle draagstructuur waaraan cellen zich kunnen hechten, waarop ze kunnen groeien en waarin ze nieuw, gezond weefsel kunnen vormen. De poreuze structuur maakt de uitwisseling van voedings- en afvalstoffen mogelijk en bevordert tegelijk de hechting en proliferatie van cellen.

Cellulose kan bijvoorbeeld de extracellulaire matrix nabootsen in steunstructuren voor huid en kraakbeen en zo een platform bieden voor weefselintegratie en celingroei. Het materiaal kan ook worden gebruikt om kunstmatig weefsel te produceren uit cellen die in het laboratorium zijn gekweekt.

Deze methode kan worden uitgebreid tot de productie van ‘orgaan-op-een-chip’-modellen: een platform voor geneesmiddeltests dat de werking van menselijke organen buiten het lichaam nabootst.

Een andere toepassing is wondgenezing. Wanneer cellulose met grafeenoxide wordt gemengd, vertoont het materiaal opmerkelijke antibacteriële eigenschappen. In combinatie met de dragende functie, die celmigratie en -proliferatie verbetert, kunnen cellulosehoudende bio-inkten daardoor weefselregeneratie ondersteunen, vooral in de huid.

Bron: Next Materials

Toekomstige verbeteringen

Een mogelijke toekomstige verbetering is cellulose te gebruiken als duurzamer materiaal voor de steunstructuur naast een ‘opofferingssjabloon’.

‘Opofferingsmaterialen zoals gelatine, Pluronic F127 of koolhydraatglas worden samen met cellulosehoudende bio-inkten geprint en vervolgens verwijderd door de temperatuur te veranderen, het materiaal op te lossen of het weg te wassen. Deze ontworpen poreuze structuren verbeteren de celoverleving, weefselrijping en vorming van bloedvaten in dikke gebioprinte constructies aanzienlijk.’

Een belangrijke voorwaarde om een methode voor 3D-bioprinten met cellulosehoudende bio-inkten op te schalen, is een grote en constante aanvoer van cellulose die voldoet aan voorspelbare en stabiele zuiveringseisen, de uitdagingen rond sterilisatie ondervangt en een gelijkmatige microscopische samenstelling behoudt.

Investeren in bioprinten

3D Systems

DDD Prijsgrafiek

3D Systems (DDD ) is een leider in 3D-printen, bezit meer dan 1.000 patenten en kan met 130 materialen printen. Het bedrijf produceert dagelijks meer dan een miljoen onderdelen en behoort, samen met Nano Dimension (NNDM ), na een periode van consolidatie in de sector tot de grootste 3D-printbedrijven ter wereld.

3D Systems betrad in 2017 al vroeg de markt voor bioprinten via een onderzoekssamenwerking met United Therapeutics (UTHR ) (UTHR) voor 3D-geprinte organen en weefsels. In 2020 kondigde het bedrijf een samenwerking met CollPlant Biotechnologies (CLGN) (CLGN ) aan, gevolgd door de overname van bio-inktfabrikant Allevi in 2021.

De activiteiten op het gebied van bioprinten vullen het 3D-printen van chirurgische implantaten aan. Het bedrijf heeft in totaal drie miljoen medische hulpmiddelen met serieonderdelen geproduceerd, evenals op maat gemaakte gebitsprothesen.

Eind 2025 was het zorgsegment goed voor bijna de helft van de omzet van het bedrijf. De rest kwam vooral uit industriële toepassingen, met de nadruk op 3D-printen met metaal voor met name de lucht- en ruimtevaart. De totale omzet bedroeg in het eerste kwartaal van 2026 $ 95,5 miljoen.

Dankzij een positieve EBITDA begin 2026 behoort 3D Systems waarschijnlijk tot de ‘veiligste’ 3D-printaandelen. Het bedrijf is een leider in het snelgroeiende segment voor 3D-metaalprinten en al stevig gevestigd in de zorgsector, terwijl bio-inkten en 3D-printen kunnen uitgroeien tot een derde winstbron.

Geraadpleegde studie

^{1 . Asma Ashgar et al. Van biomassa tot biofabricage: de rol van cellulose in duurzame 3D-geprinte systemen voor medicijnafgifte en weefselregeneratie. Next Materials. Deel 13, oktober 2026, 102601. https://doi.org/10.1016/j.nxmate.2026.102601}