التصنيع المضافة
بوليمر PEG القابل للطباعة ثلاثية الأبعاد قد يُحدث نقلة نوعية في مجال التكنولوجيا الطبية
تلتزم Securities.io بمعايير تحريرية صارمة، وقد تتلقى تعويضات عن الروابط المُراجعة. لسنا مستشارين استثماريين مُسجلين، وهذه ليست نصيحة استثمارية. يُرجى الاطلاع على كشف التابعة لها.
حقق مهندسو جامعة فرجينيا تقدمًا ملحوظًا في تكنولوجيا البوليمر. يتميز تصميمهم الجديد بمرونة ومرونة أكبر من سابقاته. كما أنه قابل للطباعة ثلاثية الأبعاد وآمن على الإنسان، مما يفتح الباب أمام ابتكارات في العديد من الصناعات. إليك ما تحتاج لمعرفته.
شبكات البولي إيثيلين جلايكول (PEG)
يتمحور هذا العمل حول شبكات البولي إيثيلين جلايكول (PEG). وقد حظيت هذه الهياكل باعتماد متزايد في المجال الطبي الحيوي، حيث تُعدّ أساسيةً في هندسة الأنسجة، وتوصيل الأدوية، وتطبيقات أخرى تُسهم في إنقاذ حياة البشر.
أُنتج البولي إيثيلين جلايكول لأول مرة عام ١٨٥٩، عندما أعلن الكيميائي البرتغالي أ. ف. لورينسو والكيميائي الفرنسي تشارلز أدولف وورتز بشكل مستقل عن منتجات البولي إيثيلين جلايكول. توسع استخدام البولي إيثيلين جلايكول في الطب الحيوي بشكل ملحوظ بعد دخوله إلى دساتير الأدوية الرئيسية في منتصف القرن العشرين تقريبًا. ومنذ ذلك الحين، شهد البولي إيثيلين جلايكول تطورًا ملحوظًا في تصميمه وتطويره. كما استُكشف مؤخرًا كطريقة فعّالة لإنتاج خلايا البطاريات.
مشاكل مع PEG
على الرغم من تزايد استخداماته، لا تزال هناك عدة عيوب يجب التغلب عليها لتعزيز فائدته. أولًا، طريقة الإنتاج الحالية مكلفة ومرهقة.
يستخدم نظامًا مائيًا يدعم ترابط البوليمرات الخطية. يعمل الماء كداعم للهيكل أثناء تبلوره. بعد تشكيل شبكة البوليمر، يُصرف الماء، ليبقى الهيكل النهائي.
هذا النهج يستغرق وقتًا طويلًا، وهو مكلف، وغير قابل للتوسع. إضافةً إلى ذلك، فإن شبكات PEG الناتجة هشة للغاية. تفتقر هذه الهياكل البلورية الهشة إلى المرونة، مما يحد من تطبيقاتها، خاصةً عند مناقشة التطبيقات الطبية الحيوية.
دراسة البوليمر المطبوعة ثلاثية الأبعاد
اكتشف فريق من المهندسين طريقةً لإنتاج شبكات PEG بسهولة أكبر، مما يوفر بدائل أكثر مرونةً من الخيارات المتاحة حاليًا. الدراسة المنشورة مؤخرًا التصنيع الإضافي للهلاميات المرنة والبولي إيثيلين جليكول القابلة للتمدد والمشفرة بالهندسة الجزيئية¹ يقدم نهجًا جديدًا تمامًا لشبكات PEG التي لديها القدرة على دفع التبني إلى الأمام.
مصدر- المواد المتقدمة
لماذا تعد قابلية التمدد مهمة في شبكات PEG
يتمحور هذا البحث حول الرغبة في جعل شبكات PEG أكثر مرونة. إذ يمكن لشبكات PEG القابلة للتمدد أن تؤدي مهامًا أكثر. على سبيل المثال، يمكن استخدامها في تطبيقات طبية أكثر وعلى نطاق أوسع، والهدف النهائي هو استخدام هذه الهياكل كسقالة لنمو الأعضاء الاصطناعية.
آمن للمناعة
كجزء من هذه الدراسة، احتاج الفريق إلى التأكد من أن تعديلات مادة شبكة PEG لن تُسبب أي استجابة مناعية. يكتشف جهاز المناعة الأجسام الغريبة ويزيلها من الجسم، وهو ما يُمثل مشكلة عند مناقشة عمليات الزرع. لذلك، بدأ المهندسون هذه العملية باستكشاف وتصنيع مواد وهياكل آمنة للمناعة.
3D للطباعة
كانت الخطوة التالية هي ضمان إمكانية طباعة المادة ثلاثية الأبعاد. قاد هذا البحث الفريق في النهاية إلى إنتاج هيدروجيلات عالية المرونة، مصنوعة من البولي إيثيلين جلايكول، تتضمن مواد مرنة خالية من المذيبات. وأشاروا إلى أنه، على عكس الطريقة القائمة على الماء، يمكن إنشاء هذه الشبكات باستخدام البلمرة الضوئية السريعة والمواد الكيميائية المتوفرة تجاريًا.
الهياكل المعقدة
كان قرار الاعتماد على الطابعات ثلاثية الأبعاد خطوةً هامةً فتحت الباب أمام معايير تصميم أكثر تعقيدًا وفائدة. كما لاحظ الفريق إمكانية تعديل الهياكل إلى أنماط معقدة ببساطة عن طريق ضبط الأشعة فوق البنفسجية.
من الجدير بالذكر أنهم ابتكروا هياكل مختلفة، لكل منها مزاياه الفريدة. بعض هذه الهياكل كان صلبًا، والبعض الآخر قابل للتمدد أو الثني. والجدير بالذكر أن كلًا منها صُنع باستخدام مطاط صناعي خالٍ من المذيبات، مما عزز قابليته للتعديل.
فرشاة زجاجة قابلة للطي
قرر المهندسون أن السلاسل الخطية ليست الخيار الأمثل. فبدلاً من ذلك، قدموا تصميمًا يشبه فرشاة الزجاجات القابلة للطي. يستخدم هذا التصميم هياكل داخلية لإضافة قدرات ميكانيكية مثل الالتواء والتمدد والانحناء.
مكّن تصميم فرشاة الزجاجة المحركات من منع التبلور، مما حسّن بدوره متانة الهيكل. يمكن جعل هذا البوليمر الجديد عالي القوة يتمدد كالأكورديون دون المساس بمتانته. خلص المهندسون إلى أن تصميم فرشاة الزجاجة يجب أن يكون متوافقًا بشكل عام مع معظم أنظمة البوليمر القائمة على البولي إيثيلين جلايكول، مما يوسع بشكل كبير نطاق تطبيقاته المحتملة في الطب الحيوي والهندسة.
طبقات
بذكاء، بنى الفريق الهيكل باستخدام أسلوب الطبقات. صُنعت كل طبقة تحت الأشعة فوق البنفسجية، وجُففت، وبُنيت الطبقة التالية فوقها. استغرقت العملية ثوانٍ معدودة، وتضمنت طباعة أشكال هندسية معقدة.
اختبار التوافق الحيوي والأداء الهيكلي
شهدت مرحلة الاختبار قيام المهندسين بالتحقق من توافق البولي إيثيلين جلايكول مع الخلايا، وهو ما كان مصدر قلق رئيسي لاستخدامه في تطبيقات سقالات الأنسجة. وكجزء من هذا الاختبار، أنشأ الفريق مزارع خلايا وأدخلوها إلى السقالة، ثم راقبوا تفاعلاتها.
قام الباحثون أيضًا بفحص قدرة هذه العمليات على دعم هياكل معقدة. على سبيل المثال، قاموا بطباعة أشكال هندسية شبيهة بالأعضاء متوافقة مع الخلايا.
نتائج القوة الميكانيكية والتوافق الحيوي
كانت نتائج اختباراتهم مُلهمة. لاحظ الفريق أن شبكة PEG الخاصة بهم تتميز بمرونتها الميكانيكية وتوافقها الحيوي. أظهر الاختبار أن الخلايا المزروعة واصلت نشاطها دون أي تفاعل سلبي مع شبكة PEG، مما يفتح الباب أمام استخدامات طبية محتملة.
كشف الاختبار أيضًا عن مدى متانة هذه الهياكل مقارنةً بسابقاتها. وتحديدًا، تراوحت معاملات مرونة الهلاميات المائية والمطاطية بين 1 و100 كيلو باسكال تقريبًا. كما حسّنت من قوة تحمل الشد والانفعال بنسبة 1500%.
مرر للتمرير →
| الممتلكات | PEG التقليدية | فرشاة الزجاجة PEG |
|---|---|---|
| معامل المرونة | ≈1–10 كيلو باسكال | ≈1–100 كيلو باسكال |
| إجهاد الكسر بالشد | منخفض (هش) | حتى +1500% |
| سلوك التبلور | عرضة للتبلور | تم قمع التبلور |
| إمكانية الطباعة ثلاثية الأبعاد | غير مجد | دعم كامل للبوليمر الضوئي |
العمارة المتقدمة
أظهرت الدراسة أن طريقة الطباعة ثلاثية الأبعاد توفر أقصى قدر من المرونة في التصميم الهيكلي. طُبع كل هيكل بدقة متناهية دون أي فقدان لقابليته للتمدد. إضافةً إلى ذلك، أُجريت العملية بأكملها في درجة حرارة الغرفة.
الفوائد الرئيسية لمواد PEG القابلة للطباعة ثلاثية الأبعاد
تُقدم مواد البولي إيثيلين جلايكول القابلة للطباعة ثلاثية الأبعاد في السوق العديد من المزايا. أولًا، إنها صديقة للبيئة. كما أن عملية الطباعة في درجة حرارة الغرفة تُقلل التكاليف والتعقيدات، مما يُتيح إنتاجًا واسع النطاق في المستقبل.
تعدد الاستخدام
لا يمكن إغفال تنوع أساليب الطباعة ثلاثية الأبعاد. فاستخدامها يُمكّن المهندسين من إنشاء هياكل أكثر تطورًا، والتي قد تُصبح يومًا ما مكونًا أساسيًا في زراعة الأعضاء صناعيًا وغيرها من التقنيات الطبية المتقدمة.
التطبيقات الواقعية والجدول الزمني للطباعة ثلاثية الأبعاد لـ PEG
تشمل قائمة تطبيقات شبكات البولي إيثيلين جلايكول القابلة للمعالجة ضوئيًا والمصنوعة من فرشاة الزجاجات العديد من الصناعات. يمكن أن تُشكل هذه الشبكات المجهرية أساسًا للمعادن المصنّعة بدقة، وشبكات الأوعية الدموية الوظيفية المحاكية للحيوية، وغيرها. فيما يلي بعض التطبيقات المحتملة لهذه التقنية.
ميدتيك
يُعدّ التطبيق الرئيسي والأهم لهذه التقنية في مجال الطب التجديدي. وتشهد قائمة انتظار الأعضاء ازديادًا مستمرًا. وللأسف، لن يحصل الناس أبدًا على العضو اللازم لإجراء عملية زرع لتحسين حياتهم. ومع ذلك، فإنّ القدرة على زراعة الأعضاء البشرية قد تُخفف من هذه المشكلة عالميًا وتُؤذن بعصر جديد من الرعاية الطبية.
تكنولوجيا البطارية
من الاستخدامات الواعدة الأخرى لهذه التقنية ابتكار بطاريات أقوى وأخف وزنًا. يمكن لهذه الهياكل أن تعمل كخلايا، مما يُتيح إنتاج إلكتروليتات الحالة الصلبة فائقة الأداء.
الجدول الزمني لتسويق PEG لفرشاة الزجاجة
قد تُطرح هذه التقنية في السوق خلال السنوات الخمس المقبلة. هناك طلب كبير على خيارات بطاريات أخف وزنًا وأكثر متانة، وقد تُسهم هذه التقنية في تحقيق هذا الهدف.
قد يستغرق الأمر عشر سنوات أو أكثر قبل أن تتطور هذه التقنية بما يكفي لاستخدامها في زراعة الأعضاء الاصطناعية. ولا يزال هناك المزيد من الأبحاث، بما في ذلك الاختبارات والموافقات التنظيمية، مما قد يُبطئ العملية أكثر.
باحثون في مجال البوليمرات المطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد
قاد مختبر المواد الحيوية اللينة بجامعة فرجينيا هذه الدراسة. وأوردت الورقة البحثية أسماء كل من باي تشيانغ هوانغ، وميويوم كيم، وبو تشانغ، وإيمانويل أودورو، ودانيال أ. راو، ولي هينغ كاي، كمساهمين رئيسيين. والجدير بالذكر أن هذا العمل يستند إلى مشاريع أخرى طوّر فيها هذا الفريق بوليمرات صناعية فائقة المتانة.
حصلت الدراسة على تمويل من UVA LaunchPad for Diabetes، والمؤسسة الوطنية للعلوم، والمعاهد الوطنية للصحة، وصندوق التسويق التابع لمؤسسة شراكة الابتكار في فيرجينيا.
مستقبل البوليمر المطبوع بتقنية ثلاثية الأبعاد
سيسعى المهندسون الآن إلى دراسة هياكل ومواد أخرى. هدفهم هو تطوير مواد أخرى قابلة للطباعة ثلاثية الأبعاد تُسهم في أداء مهام محددة، مما يفتح الباب أمام منتجات ومعالجات أخف وزنًا وأكثر متانة، وغيرها.
الاستثمار في ابتكارات التكنولوجيا الطبية
تواصل العديد من شركات التكنولوجيا الحيوية توسيع آفاقها في مجال إنتاج الأنسجة وتطوير التقنيات الطبية الأخرى. تنفق هذه الشركات ملايين الدولارات سنويًا في البحث عن طرق مختلفة لتحسين الأساليب الحالية أو تطوير أساليب أفضل. إليكم شركة تواصل قيادة الابتكار في سوق التكنولوجيا الحيوية.
العلاجات المتحدة
دخلت شركة United Therapeutics، ومقرها ماريلاند، السوق في عام 1996. ورأت مؤسستها، مارتين روثبلات، الحاجة الماسة إلى علاجات أفضل بعد تشخيص إصابة ابنتها بارتفاع ضغط الدم الرئوي (PAH)، وبنت الشركة على تطوير علاجات منقذة للحياة لهذا المرض النادر والمميت في كثير من الأحيان.
(UTHR )
لدى يونايتد ثيرابيوتكس العديد من العلاجات والأدوية المستخدمة عالميًا. منتجها الرئيسي هو ريموديولين (تريبروستينيل). وقد وُجد أن هذا الدواء يُساعد في علاج ارتفاع ضغط الدم الرئوي وأمراض القلب الأخرى. على الراغبين في البحث عن شركة تكنولوجيا طبية راسخة ذات هدف واضح البحث أكثر في يونايتد ثيرابيوتكس.
أحدث أخبار وأداء أسهم شركة United Therapeutics (UTHR)
بوليمر مطبوع ثلاثي الأبعاد | الخاتمة
سيكون لعمل هؤلاء المهندسين تأثيرٌ قويٌّ على المجالين الطبي والبطاريات في العقد القادم. كما سيُسهم في إلهام الابتكار في قطاعاتٍ مُتعددة، مما قد يُؤدي إلى اكتشافاتٍ طبيةٍ تُنقذ حياةً في هذه الحياة. لذا، يستحقّ هؤلاء المهندسون التصفيق الحارّ.
تعرف على المزيد من الاكتشافات المثيرة للاهتمام في مجال التكنولوجيا الحيوية هنا.
مراجع حسابات
هوانغ، ب.، كيم، م.، تشانغ، ب.، أودورو، إي.، راو، دي. إيه.، وكاي، هـ. التصنيع الإضافي للهلاميات المائية المرنة المصنوعة من البولي إيثيلين جلايكول والمشفرة ببنية جزيئية. المواد المتقدمة، e12806. https://doi.org/10.1002/adma.202512806
