Cocaïne en antibiotica uit de printer? Uit de enkele tientallen chemische elementen worden er misschien zes of zeven zeer vaak gebruikt in de scheikunde: waterstof, zuurstof, koolstof, stikstof, zwavel, fosfor en wellicht chloor (een omstreden element vanwege de milieuproblemen met chloorverbindingen). In principe kan je daarom met een beperkt aantal basischemicaliën iedere denkbare verbinding maken, als je het reactieproces maar verandert. Dit is precies wat chemicus Leroy Cronin van de universiteit van het Schotse Glasgow gedaan heeft. Downloaden we straks van The Pirate Bay illegale bootlegs van dure medicijnen?
Chemische fabriek uit de 3D printer
Het idee van Cronins team is even visionair als simpel. Een 3D printer van nog geen 1600 euro print een chemische productielijn en spuit de chemicaliën op de juiste plaats in het circuit. Handig voor chemici die willen experimenteren met een nieuwe verbinding, maar uiteindelijk wordt zo iedereen met een computer en een 3D printer een chemicus. Scheikunde voor de massa. Kortom: je hoeft wellicht strakt niet meer naar de apotheek voor bepaalde medicijnen, maar kan ze zelf printen. Ideaal voor bijvoorbeeld astronauten, ruimtekolonisten of mensen die ver van de bewoonde wereld aan het werk zijn. Aan de andere kant, ook weer een totaal nieuw terrein voor de politie om in de gaten te houden. Wat als zieke geesten het ontwerp voor een LSD reactor, of nog erger, uploaden en dat aan de man brengen als een circuit voor een hoofdpijnpil?
De printer in actie plus schema van de reactiekamers. Bron: Nature Chemistry (zie bronnenlijst; er is nog meer)
Cronin en zijn collega’s gebruikten de open source 3D printer van het Fab@Home project, dat tot doel heeft zelffabricage in de huiskamer te brengen. Ze ontdekten dat een polymeergel die vaak in badkamers wordt gebruikt, kan worden gebruikt om reactiekamers en verbindingsbuisjes van alle denkbare groottes en vormen te printen. Nadat de kit hard is geworden, spuiten de printkoppen de chemicaliën, ‘chemische inkten’, in de reactiekamers. In principe kunnen de afmetingen van de reactor en de chemische ingrediënten om een bepaald product te maken, alle worden ontworpen en in dezelfde software blauwdruk worden opgenomen. Alles wat de gebruiker hoeft te doen is het te downloaden en naar de printer te sturen. De onderzoekers denken aan een online winkel waar je een chemische app voor een bepaalde pil kan downloaden en vervolgens in je eigen 3D-printer uit kan laten printen. Hier kan je ook een standaardset van chemische inkten bestellen. Potentiële gezondheidsgevaren omdat mensen in staat zijn hun eigen medicijnen of drugs te printen kunnen volgens Cronin worden geminimaliseerd. Zijn team schrijft alleen software voor specifieke eindproducten die lastig in andere reacties zijn om te zetten. “We zouden de reacties in het lab hebben uitgetest zodat niemand in staat is ze te hacken.”
Uiteraard is het wel mogelijk met enige chemische kennis zelf je eigen reactor voor bijvoorbeeld cocaïne te ontwerpen en uit te printen. Hier een chemische handleiding van erowid.org (Duits; 1923). U begrijpt, waarde lezer: hiervan beginnen de vingers van een droogstaande chemiegek flink te jeuken.
Reacties controleren door geometrie
Wie wel eens in new-age kringen heeft vertoefd wordt doodgegooid met Heilige Geometrie van een zekere Drunvalo Melchizedek en dergelijke. Welnu, ook reacties kunnen geometrisch beïnvloed worden. Cronin heeft om het principe aan te tonen een eenvoudig blok geprint, bestaande uit twee reactiekamers die met een centrale mengreactor zijn verbonden. Dit was voldoende voor eenvoudige anorganische en organische chemische reacties en om totaal nieuwe (overigens nutteloze) stoffen, complexe anorganische metaalverbindingen, te produceren. De onderzoekers voerden ook de (onder chemici) welbekende katalytische reductie van styreen (waar o.a. piepschuim van wordt gemaakt) uit. Hiervoor werden de katalysatoren op de wand van de reactiekamer geprint. Ook dit bleek aardig te gaan en nadat de geprinte reactiekamer wordt schoongemaakt, kan deze weer worden gebruikt. Door de chemicaliën in een verschillende volgorde met elkaar te mengen, en door de grootte en vorm van reactievaten aan te passen, kunnen totaal andere stoffen worden geproduceerd.
Fundamentele verandering
Cronin wijst er – terecht – op dat dit een radicale verandering betekent wat betreft de manier waarop scheikunde plaatsvindt. Niet langer zijn reageerbuisjes, erlenmeyers en bekerglazen passief, maar worden actieve onderdelen van de chemische reactie. Voor een chemisch technoloog waren ze dat uiteraard al – reactorontwerp is uiterst belangrijk in een chemisch productieproces. Nu komt dit dus ook naar het lab. Dit omdat de uitkomsten van een chemische reactie niet alleen afhangen van de beginingrediënten, maar ook hun onderlinge verhouding en de snelheid waarmee ze worden gemengd. Dit kan worden veranderd door de grootte van de reactiekamers en de afstanden die de chemicaliën moeten reizen te veranderen. Cronin denkt dat hierdoor totaal nieuwe chemische stoffen mogelijk worden: “Als je reactie niet loopt zoals de bedoeling is, dan verander je gewoon de reactor.”
Cronin toonde dit aan door een reactie te herhalen. Hij gebruikte dezelfde hoeveelheid beginmateriaal, maar programmeerde de printer zo dat deze de afmeting van de centrale mengkamer verkleinde. Alleen de reactanten die in de mengkamer terecht kwamen voordat deze vol raakte, namen deel aan de reactie. Voldoende om de producten van de reactie te veranderen. Kortom: geen ouderwets geknoei meer met flesjes en retorten. De mengkamers kunnen ook worden uitgerust met gloeispiralen (die kunnen worden geprint met elektrisch geleidende koolstofinkt) om ze te verwarmen.
Dierproeven niet meer nodig, reactiecontrole met een smartphone en brandgevaar
De mogelijkheid om organen te printen met een 3D printer bestaat al wat langer. Dit biedt een fascinerende mogelijkheid: de effecten van nieuwe medicijnen, bijvoorbeeld eiwitten, uittesten op geprinte organen. Cronin heeft nog meer plannen. Ook een ander onmisbaar accessoire uit de negentiende eeuw, de Bunsenbrander, kan worden vervangen door geprinte gloeispiralen van koolstof- of metaalinkt op bepaalde plekken, die in een magnetron (of door inductie uiteraard) verhit kunnen worden. Met doorzichtig materiaal kan er ook een venster in de reactiekamer geprint worden, waardoor de gebruiker – of een smartphone, waarin een app de camerabeelden analyseert – de voortgang van de reactie kan volgen. Er is wel een nadeel met de huidige opzet. Veel chemicaliën zijn explosief in combinatie met de zuurstof uit de lucht. Cronin had al te kampen met enkele explosies. HIj werkt nu aan een meer inert materiaal voor de reactiekamers, dat de reactiekamers goed afdicht.
Ontwerpen delen
Op dit moment werkt Cronins team aan een kit om de pijnstiller ibuprofen te printen. Immers, zelfs in de landen met de allerbelabberdste medische voorzieningen zijn mobieltjes wijdverspreid. 3D-printers zijn dat uiteraard wat minder, maar er zijn nu al projecten actief om 3D-printers te verspreiden in de derde wereld. Hierdoor kunnen mensen dingen als fietsonderdelen uitprinten, of zelfs complete fietsen, zie hier. De meeste medicijnen en schoonmaakmiddelen bestaan uit koolstof, waterstof en zuurstof, die ook in huid- tuin- en keukenmiddelen als maissiroop, glycerine en paraffine voorkomen. Ook kunnen niet-chemici zelf ontwerpen ontwikkelen en delen met chemici, bijvoorbeeld voor stoffen waar bedrijven nog niet aan hebben gedacht of die niet interessant voor ze zijn. Dit kan ok een uitkomst zijn voor de zogeheten orphan drugs. Dit zijn medicijnen die voor zeer zeldzame ziekten worden gemaakt. Patiënten kunnen straks deze medicijnen zelf produceren. Sommige chemici noemen dit een veelbelovende doorbraak, andere reageren sceptischer. Cronin zelf gelooft in ieder geval rotsvast in zijn idee: “Ik zie voor me dat jaren na nu, mensen medicijnen in hun 3D-printer thuis zullen fabriceren.”
Inderdaad. Deze doorbraak is een essentieel technisch hulpmiddel voor een gemeenschap van zelfvoorzienende mensen.
Bronnen
Nature Chemistry, DOI: 10.1038/nchem.1313 (check de gratis toegankelijke bijlagen)
DIY drugstores in development at the University of Glasgow, Glasgow University News
Make your own drugs with a 3D printer, New Scientist (2012)
Uieindelijk kunnen we zelfs schone grond, zuivere lucht en gezond drinkwater printen, samen met een AK-47 en papiergeld.
