3D-tulostettava PEG-polymeeri voisi mullistaa lääketieteellisen teknologian

Virginian yliopiston insinöörit ovat tehneet merkittävän läpimurron polymeeriteknologiassa. Heidän uusi muotoilunsa tarjoaa paremman kestävyyden ja joustavuuden kuin edeltäjänsä. Lisäksi se on 3D-tulostettava ja ihmisille turvallinen, mikä avaa oven innovaatioille useilla toimialoilla. Tässä on mitä sinun tulee tietää.

Polyetyleeniglykoli (PEG) -verkot

Tämä työ keskittyy polyetyleeniglykoli (PEG) -verkkoihin. Nämä rakenteet ovat saavuttaneet yhä enemmän käyttöä biolääketieteen alalla, jossa ne ovat kriittisiä kudosteknologiassa, lääkeaineiden annostelussa ja muissa elintärkeissä sovelluksissa.

Polyetyleeniglykolia valmistettiin ensimmäisen kerran vuonna 1859, kun portugalilainen kemisti A. V. Lourenço ja ranskalainen kemisti Charles Adolphe Wurtz raportoivat toisistaan ​​riippumatta polyetyleeniglykolituotteista. PEGin biolääketieteellinen käyttö laajeni merkittävästi sen jälkeen, kun se pääsi tärkeimpiin farmakopeoihin 20-luvun puolivälin tienoilla. Siitä lähtien PEGin suunnittelu ja kehitys on parantunut. Viime aikoina sitä on tutkittu myös käyttökelpoisena tapana valmistaa akkukennoja.

Ongelmia PEG:n kanssa

Kasvavista sovelluksista huolimatta sen hyödyllisyyden parantamiseksi on vielä useita haittoja, jotka on voitettava. Ensinnäkin nykyinen tuotantomenetelmä on kallis ja hankala.

Se hyödyntää vesipohjaista järjestelmää, joka tukee lineaaristen polymeerien silloittumista. Vesi toimii rakenteen tukena sen kiteytyessä. Kun polymeeriverkosto on muodostunut, vesi valutetaan pois, jolloin jäljelle jää valmis rakenne.

Tämä lähestymistapa on aikaa vievä, kallis eikä skaalautuva. Lisäksi tuloksena olevat PEG-verkot ovat hyvin hauraita. Näiltä haurailta kiteisiltä rakenteilta puuttuu joustavuutta, mikä rajoittaa niiden sovelluksia, erityisesti biolääketieteellisissä sovelluksissa.

3D-tulostetun polymeerin tutkimus

Insinööritiimi löysi juuri tavan tuottaa PEG-verkkoja helpommin, tarjoten joustavampia vaihtoehtoja kuin nykyiset vaihtoehdot. Äskettäin julkaistu tutkimus osoittaa. Molekyyliarkkitehtuurilla koodattujen venyvien polyetyleeniglykolihydrogeelien ja elastomeerien additiivinen valmistus¹ esittelee täysin uuden lähestymistavan PEG-verkkoihin, jolla on potentiaalia vauhdittaa käyttöönottoa.

Lähde- Advanced Materials

Miksi venyvyydellä on merkitystä PEG-verkoissa

Tämän tutkimuksen ytimessä on halu tehdä PEG-verkostoista joustavampia. Venyvät PEG-verkostot voisivat täyttää useampia tehtäviä. Niitä voitaisiin esimerkiksi käyttää useammissa lääketieteellisissä sovelluksissa ja laajemmassa mittakaavassa, ja lopullisena tavoitteena olisi käyttää näitä rakenteita tukirakenteina synteettiselle elinten kasvulle.

Immuunijärjestelmä turvallinen

Osana tätä tutkimusta tiimin oli varmistettava, että PEG-verkoston materiaalimuutokset eivät aiheuta immuunivastetta. Immuunijärjestelmä havaitsee vieraita tunkeilijoita ja poistaa ne elimistöstä, mikä on ongelma implanttien yhteydessä. Siksi insinöörit aloittivat prosessin tutkimalla ja syntetisoimalla immuunijärjestelmän kannalta turvallisia materiaaleja ja rakenteita.

3D-tulostettava

Seuraava vaihe oli varmistaa materiaalin 3D-tulostettavuus. Tämä tutkimus johti lopulta tiimin erittäin venyviin PEG-pohjaisiin hydrogeeleihin, jotka sisälsivät liuotteetonta elastomeeria. He huomasivat, että toisin kuin vesipohjaisessa lähestymistavassa, nämä verkot voitiin luoda käyttämällä nopeaa fotopolymerointia ja saatavilla olevia kaupallisia kemikaaleja.

Monimutkaiset rakenteet

Päätös turvautua 3D-tulostimiin oli merkittävä askel, joka avasi oven monimutkaisemmille ja hyödyllisemmille suunnitteluparametreille. Tiimi totesi myös, että he voivat muuttaa rakenteita monimutkaisiksi kuvioiksi yksinkertaisesti säätämällä UV-valoja.

Merkillepantavaa oli, että he loivat useita erilaisia ​​rakenteita, joista jokaisella oli omat ainutlaatuiset etunsa. Jotkut rakenteista olivat jäykkiä, ja toisia voitiin venyttää tai taivuttaa. Merkillepantavaa oli, että jokainen niistä oli luotu käyttämällä liuotteetonta elastomeeria, mikä paransi niiden säädettävyyttä.

Taitettava pulloharja

Insinöörit totesivat, että lineaariset ketjut eivät olleet paras vaihtoehto. Sen sijaan he esittelivät taittuvan pulloharjarakenteen. Tämä rakenne hyödyntää sisäisiä rakenteita lisätäkseen mekaanisia ominaisuuksia, kuten kiertämistä, venyttämistä ja taivuttamista.

Pulloharjarakenteen ansiosta moottorit pystyivät estämään kiteytymisen. Tämä puolestaan ​​paransi rakenteen kestävyyttä. Tämä uusi erittäin luja polymeeri voidaan saada pidentämään harmonikan tavoin tinkimättä lujuudesta. Insinöörit päättelivät, että pulloharjarakenteen tulisi olla laajalti yhteensopiva useimpien PEG-pohjaisten polymeerijärjestelmien kanssa, mikä laajentaa merkittävästi sen potentiaalia biolääketieteellisissä ja teknisissä sovelluksissa.

kerrospukeutuminen

Tiimi rakensi rakenteen kerrosmenetelmällä. Jokainen kerros luotiin UV-valon alla, kovetettiin ja seuraava kerros rakennettiin päälle. Prosessi kesti sekunteja ja sisälsi monimutkaisten geometristen muotojen tulostamisen.

Bioyhteensopivuuden ja rakenteellisen suorituskyvyn testaus

Testausvaiheessa insinöörit tarkistivat PEGin solujen yhteensopivuuden, mikä oli tärkein huolenaihe kudosrakenteissa käytettäessä. Osana tätä testiä tiimi loi soluviljelmiä, jotka he lisäsivät rakenteille ja seurasivat sitten reaktioita.

Tutkijat tarkastelivat myös prosessien kykyä tukea monimutkaisia ​​rakenteita. He esimerkiksi tulostivat sytoyhteensopivia elinmäisiä geometrioita.

Mekaanisen lujuuden ja bioyhteensopivuuden tulokset

Heidän testituloksensa olivat inspiroivia. Tiimi totesi, että heidän PEG-verkostonsa oli sekä mekaanisesti kestävä että bioyhteensopiva. Testi osoitti, että viljellyt solut jatkoivat toimintaansa ilman haitallisia reaktioita PEG-verkostoon, mikä avasi oven mahdollisille lääketieteellisille käyttötarkoituksille.

Testi paljasti myös, kuinka paljon kestävämpiä rakenteet olivat edeltäjiinsä verrattuna. Tarkemmin sanottuna hydrogeelien ja elastomeerien moduulit vaihtelivat välillä ≈1 - ≈100 kPa. Ne myös paransivat vetolujuutta 1500 %.

Pyyhkäise vierittääksesi →

Edistynyt arkkitehtuuri

Tutkimus osoitti, että 3D-tulostusmenetelmä tarjoaa joustavimman rakennesuunnittelun. Jokainen rakenne tulostettiin kohdennetusti ilman venyvyyden heikkenemistä. Lisäksi koko prosessi suoritettiin huoneenlämmössä.

3D-tulostettavien PEG-materiaalien tärkeimmät edut

3D-tulostettavilla PEG-materiaaleilla on useita etuja markkinoille. Ensinnäkin ne ovat ympäristöystävällisempiä. Huoneenlämmössä tapahtuva prosessi vähentää kustannuksia ja monimutkaisuutta, mikä mahdollistaa laajamittaisen tuotannon tulevaisuudessa.

Monipuolisuus

3D-tulostusmenetelmän monipuolisuutta ei voida sivuuttaa. 3D-tulostimien käyttö antaa insinööreille mahdollisuuden luoda edistyneempiä rakenteita, jotka voisivat jonain päivänä olla kriittinen osa keinotekoisesti kasvatettuja elimiä ja muita edistyneitä lääketieteellisiä teknologioita.

3D-tulostettavan PEG:n reaalimaailman sovellukset ja aikajana

Valokovetteisten pulloharjamateriaalista valmistettujen PEG-verkkojen sovellusten luettelo kattaa useita toimialoja. Nämä mikroskooppiset verkot voisivat toimia pohjana mikroarkkitehtuurisille metalleille, toiminnallisille biomimeettisille verisuoniverkoille ja muille. Tässä on joitakin potentiaalisia sovelluksia tälle teknologialle.

MedTech

Tämän teknologian ensisijainen ja merkittävin sovellus on regeneratiivisen lääketieteen alalla. Elinten odotuslista kasvaa jatkuvasti. Valitettavasti ihmiset eivät koskaan saa elintä, jota he tarvitsevat elinsiirtoon parantaakseen elämäänsä. Ihmiselinten kasvattamisen mahdollisuus voisi kuitenkin lievittää tätä ongelmaa maailmanlaajuisesti ja aloittaa uuden aikakauden lääketieteellisessä hoidossa.

Akkutekniikka

Toinen lupaava käyttötapaus tälle teknologialle on tehokkaampien ja kevyempien akkujen luominen. Nämä rakenteet voisivat toimia kennoina, mikä mahdollistaisi erittäin tehokkaiden kiinteän olomuodon elektrolyyttien valmistuksen.

Bottlebrush PEG:n kaupallistamisen aikajana

Tämä teknologia voisi tulla markkinoille seuraavan viiden vuoden aikana. Kevyempien ja kestävämpien akkuvaihtoehtojen kysyntä on vahvaa, ja tämä teknologia voisi auttaa tekemään tästä tavoitteesta totta.

Saattaa kestää 10 vuotta tai kauemmin ennen kuin teknologia on tarpeeksi kehittynyttä keinotekoisten elinten kasvattamiseen. Tutkimusta, mukaan lukien testaus ja viranomaishyväksyntä, on vielä tehtävä, mikä voi hidastaa prosessia entisestään.

3D-tulostettujen polymeerien tutkijat

Virginian yliopiston pehmeän biomateriaalin laboratorio johti tätä tutkimusta. Artikkelissa mainitaan Baiqiang Huang, Myoeum Kim, Pu Zhang, Emmanuel Oduro, Daniel A. Rau ja Li-Heng Cai pääasiallisiksi avustajiksi. Merkillepantavaa on, että tämä työ pohjautuu muihin projekteihin, joissa tämä tiimi loi erittäin kestäviä synteettisiä polymeerejä.

Tutkimus sai rahoitusta UVA LaunchPad for Diabetes -ohjelmasta, National Science Foundationilta, National Institutes of Healthilta ja Virginia Innovation Partnership Corporationin Commonwealth Commercialization -rahastosta.

3D-tulostetun polymeerin tulevaisuus

Insinöörit pyrkivät nyt tutkimaan muita rakenteita ja materiaaleja. Heidän tavoitteenaan on kehittää muita 3D-tulostettavia materiaaleja, jotka tukevat tiettyjä tehtäviä ja avaavat oven kevyemmille ja kestävämmille tuotteille, käsittelyille ja muille menetelmille.

Investoiminen lääketieteellisen teknologian innovaatioihin

Useat bioteknologiayritykset jatkavat kudosten luomisen ja muiden lääketieteellisten teknologisten kehitysaskeleiden rajojen rikkomista. Nämä yritykset käyttävät miljoonia vuosittain tutkiakseen erilaisia ​​tapoja parantaa nykyisiä lähestymistapoja tai kehittää parempia menetelmiä. Tässä on yksi yritys, joka jatkaa innovaatioiden edistämistä bioteknologiamarkkinoilla.

United Therapeutics

Marylandissa toimiva United Therapeutics tuli markkinoille vuonna 1996. Sen perustaja Martine Rothblatt näki kipeän tarpeen paremmille hoidoille sen jälkeen, kun hänen tyttärellään diagnosoitiin keuhkovaltimon hypertensio (PAH), ja hän rakensi yrityksen kehittämään elämää pelastavia hoitoja tähän harvinaiseen ja usein kuolemaan johtavaan sairauteen.

United Therapeuticsilla on useita hoitoja ja lääkkeitä, joita käytetään maailmanlaajuisesti. Tarkemmin sanottuna heidän päätuotteensa on Remodulin (treprostiniili). Tämän lääkkeen on havaittu auttavan keuhkoverenpainetaudissa ja muissa sydänsairauksissa. Niiden, jotka etsivät vakiintunutta lääketieteellisen teknologian yritystä, jolla on selkeä tarkoitus, kannattaa tehdä lisätutkimusta United Therapeuticsista.

Viimeisimmät United Therapeuticsin (UTHR) osakeuutiset ja kehitys

3D-tulostettu polymeeri | Yhteenveto

Näiden insinöörien työllä on vahva vaikutus lääketieteen ja akkuteollisuuden aloihin tulevalla vuosikymmenellä. Lisäksi se auttaa inspiroimaan innovaatioita useilla toimialoilla, mikä voi johtaa ihmishenkiä pelastaviin lääketieteellisiin läpimurtoihin jo tämän elämän aikana. Sellaisenaan nämä insinöörit ansaitsevat seisten osoitetut suosionosoitukset.

Lue lisää muista mielenkiintoisista biotekniikan läpimurroista Tässä.

Viitteet

^{1. Huang, B., Kim, M., Zhang, P., Oduro, E., Rau, DA ja Cai, H. Molekyyliarkkitehtuurilla koodattujen venyvien polyetyleeniglykolihydrogeelien ja elastomeerien additiivinen valmistus. Advanced Materials, e12806. https://doi.org/10.1002/adma.202512806}