Polimer PEG do druku 3D może zrewolucjonizować branżę medyczną

Inżynierowie z Uniwersytetu Wirginii dokonali znaczącego przełomu w technologii polimerów. Ich nowy projekt oferuje większą wytrzymałość i elastyczność niż poprzednie rozwiązania. Co więcej, nadaje się do druku 3D i jest bezpieczny dla człowieka, otwierając drogę innowacjom w wielu branżach. Oto, co musisz wiedzieć.

Sieci glikolu polietylenowego (PEG)

Niniejsza praca koncentruje się na sieciach glikolu polietylenowego (PEG). Struktury te zyskują coraz większe zastosowanie w biomedycynie, gdzie odgrywają kluczową rolę w inżynierii tkankowej, dostarczaniu leków i innych zastosowaniach ratujących życie.

Glikol polietylenowy został wyprodukowany po raz pierwszy w 1859 roku, kiedy portugalski chemik AV Lourenço i francuski chemik Charles Adolphe Wurtz niezależnie od siebie opisali produkty na bazie glikolu polietylenowego. Zastosowanie biomedyczne PEG znacznie wzrosło po jego wprowadzeniu do głównych farmakopei około połowy XX wieku. Od tego czasu PEG został udoskonalony pod względem konstrukcji i rozwoju. Ostatnio bada się go również jako realną metodę produkcji ogniw akumulatorowych.

Problemy z PEG

Pomimo rosnącego zastosowania, wciąż istnieje kilka wad, które należy pokonać, aby jeszcze bardziej zwiększyć jego użyteczność. Po pierwsze, obecna metoda produkcji jest droga i uciążliwa.

Wykorzystuje system na bazie wody, który wspomaga sieciowanie polimerów liniowych. Woda działa jako podpora dla struktury podczas jej krystalizacji. Po utworzeniu sieci polimerowej woda jest odprowadzana, pozostawiając gotową strukturę.

To podejście jest czasochłonne, kosztowne i nieskalowalne. Ponadto powstałe w ten sposób sieci PEG są bardzo delikatne. Te kruche struktury krystaliczne charakteryzują się brakiem elastyczności, co ogranicza ich zastosowania, zwłaszcza w zastosowaniach biomedycznych.

Badanie polimerów drukowanych w technologii 3D

Zespół inżynierów odkrył właśnie sposób na łatwiejsze tworzenie sieci PEG, oferując bardziej elastyczne alternatywy niż dzisiejsze opcje. Niedawno opublikowane badanie Produkcja addytywna rozciągliwych hydrożeli i elastomerów glikolu polietylenowego kodowanych architekturą molekularną¹ wprowadza zupełnie nowe podejście do sieci PEG, które może potencjalnie przyspieszyć ich adopcję.

Źródło- Materiały Zaawansowane

Dlaczego rozciągliwość ma znaczenie w sieciach PEG

Sednem tych badań jest chęć zwiększenia elastyczności sieci PEG. Rozciągliwe sieci PEG mogłyby spełniać więcej zadań. Na przykład, mogłyby znaleźć zastosowanie w większej liczbie zastosowań medycznych i na większą skalę, a ostatecznym celem byłoby wykorzystanie tych struktur jako rusztowania do wzrostu syntetycznych organów.

Bezpieczny dla układu odpornościowego

W ramach tego badania zespół musiał upewnić się, że modyfikacje materiału sieci PEG nie wywołają żadnej odpowiedzi immunologicznej. Układ odpornościowy człowieka wykrywa obce intruzy i usuwa je z organizmu, co staje się problemem w kontekście implantów. W związku z tym inżynierowie rozpoczęli proces od badania i syntezy materiałów i struktur bezpiecznych dla układu odpornościowego.

3D do druku

Kolejnym krokiem było upewnienie się, że materiał nadaje się do druku 3D. Badania te ostatecznie doprowadziły zespół do wysoce rozciągliwych hydrożeli na bazie PEG, które zawierały elastomery bezrozpuszczalnikowe. Zauważyli, że w przeciwieństwie do metody opartej na wodzie, sieci te można tworzyć za pomocą szybkiej fotopolimeryzacji i dostępnych komercyjnie środków chemicznych.

Struktury złożone

Decyzja o wykorzystaniu drukarek 3D była ważnym krokiem, który otworzył drogę do bardziej złożonych i użytecznych parametrów projektowych. Zespół zauważył również, że mogą przekształcać struktury w skomplikowane wzory, po prostu regulując oświetlenie UV.

Co godne uwagi, stworzyli kilka różnych struktur, z których każda oferowała unikalne korzyści. Niektóre struktury były sztywne, a inne można było rozciągać lub zginać. Co godne uwagi, każda z nich została stworzona z elastomerów bezrozpuszczalnikowych, co zwiększyło ich możliwości regulacji.

Składana szczotka do butelek

Inżynierowie uznali, że łańcuchy liniowe nie są najlepszym rozwiązaniem. Zamiast tego wprowadzili składaną architekturę szczotki do butelek. Konstrukcja ta wykorzystuje struktury wewnętrzne, aby dodać możliwości mechaniczne, takie jak skręcanie, rozciąganie i zginanie.

Architektura szczotki do butelek pozwoliła silnikom zapobiec krystalizacji. To z kolei poprawiło trwałość konstrukcji. Ten nowy, wysokowytrzymały polimer można rozciągnąć jak akordeon bez utraty wytrzymałości. Inżynierowie doszli do wniosku, że architektura szczotki do butelek powinna być szeroko kompatybilna z większością systemów polimerowych na bazie PEG, co znacznie rozszerza jej potencjalny zakres zastosowań biomedycznych i inżynieryjnych.

warstw

Zespół z zapałem budował strukturę, stosując metodę warstwową. Każda warstwa była tworzona pod światłem UV, utwardzana, a następna warstwa była nakładana na nią. Cały proces trwał kilka sekund i obejmował drukowanie skomplikowanych geometrii.

Testowanie biozgodności i wydajności strukturalnej

W fazie testów inżynierowie sprawdzali kompatybilność PEG z komórkami, co stanowiło główny problem w przypadku zastosowań w rusztowaniach tkankowych. W ramach tego testu zespół stworzył hodowle komórkowe, które wprowadził do rusztowania, a następnie monitorował reakcje.

Naukowcy zbadali również zdolność tych procesów do wspierania złożonych struktur. Na przykład, drukowali cytokompatybilne geometrie przypominające organy.

Wyniki wytrzymałości mechanicznej i biokompatybilności

Wyniki ich testów były inspirujące. Zespół zauważył, że ich sieć PEG była zarówno odporna mechanicznie, jak i biokompatybilna. Test wykazał, że hodowane komórki kontynuowały swoją aktywność bez negatywnej reakcji na sieć PEG, co otwierało drogę do potencjalnych zastosowań medycznych.

Test wykazał również, o ile trwalsze były te konstrukcje w porównaniu z poprzednimi. W szczególności hydrożele i elastomery charakteryzowały się modułami od ≈1 do ≈100 kPa. Poprawiły one również wytrzymałość na rozciąganie przy zerwaniu o 1500%.

Przesuń, aby przewijać →

Zaawansowana architektura

Badanie wykazało, że metoda druku 3D zapewnia największą elastyczność w zakresie projektowania konstrukcji. Każda struktura została wydrukowana w sposób ukierunkowany, bez utraty rozciągliwości. Dodatkowo, cały proces przeprowadzono w temperaturze pokojowej.

Kluczowe zalety materiałów PEG do druku 3D

Materiały PEG do druku 3D przynoszą na rynek szereg korzyści. Po pierwsze, są bardziej przyjazne dla środowiska. Proces produkcji w temperaturze pokojowej redukuje koszty i komplikacje, umożliwiając w przyszłości produkcję na dużą skalę.

Wszechstronność

Nie można przeoczyć wszechstronności druku 3D. Zastosowanie drukarek 3D umożliwia inżynierom tworzenie bardziej zaawansowanych struktur, które w przyszłości mogą stać się kluczowym elementem sztucznie hodowanych organów i innych zaawansowanych technologii medycznych.

Zastosowania w świecie rzeczywistym i harmonogram dla PEG-ów drukowanych w technologii 3D

Lista zastosowań fotoutwardzalnych sieci PEG w szczotkach do butelek obejmuje wiele branż. Te mikroskopijne sieci mogą stanowić podstawę dla mikroarchitektury metali, funkcjonalnych biomimetycznych sieci naczyniowych i nie tylko. Oto kilka potencjalnych zastosowań tej technologii.

Techniki medyczne

Głównym i najważniejszym zastosowaniem tej technologii jest medycyna regeneracyjna. Lista oczekujących na organy stale rośnie. Niestety, ludzie nigdy nie otrzymają narządu potrzebnego do przeszczepu, który poprawi ich życie. Jednak możliwość hodowli ludzkich organów mogłaby złagodzić ten problem na całym świecie i zapoczątkować nową erę w opiece medycznej.

Technologia akumulatorów

Innym obiecującym zastosowaniem tej technologii jest tworzenie mocniejszych i lżejszych baterii. Struktury te mogłyby pełnić funkcję ogniw, umożliwiając produkcję ultrawydajnych elektrolitów stałych.

Harmonogram komercjalizacji Bottlebrush PEG

Ta technologia może trafić na rynek w ciągu najbliższych 5 lat. Istnieje duże zapotrzebowanie na lżejsze i bardziej wytrzymałe baterie, a ta technologia może pomóc w osiągnięciu tego celu.

Może minąć 10 lat lub więcej, zanim technologia będzie wystarczająco zaawansowana, by można ją było wykorzystać do hodowli sztucznych organów. Nadal trwają badania, w tym testy i uzyskanie zgody organów regulacyjnych, co może dodatkowo spowolnić ten proces.

Naukowcy zajmujący się drukiem polimerów w technologii 3D

Badaniem kierowało Laboratorium Miękkiej Biomaterii Uniwersytetu Wirginii. W artykule wymieniono Baiqianga Huanga, Myoeum Kima, Pu Zhanga, Emmanuela Oduro, Daniela A. Raua i Li-Heng Cai jako głównych autorów. Warto zauważyć, że praca ta opiera się na innych projektach, w ramach których zespół ten stworzył ultrawytrzymałe polimery syntetyczne.

Badanie otrzymało dofinansowanie z UVA LaunchPad for Diabetes, National Science Foundation, National Institutes of Health oraz funduszu Commonwealth Commercialization Fund organizacji Virginia Innovation Partnership Corporation.

Przyszłość z polimerów drukowanych w 3D

Inżynierowie będą teraz badać inne struktury i materiały. Ich celem jest opracowanie innych materiałów nadających się do druku 3D, które będą wspierać konkretne zadania, otwierając drogę do lżejszych i trwalszych produktów, metod obróbki i nie tylko.

Inwestowanie w innowacje MedTech

Wiele firm biotechnologicznych wciąż przesuwa granice w dziedzinie tworzenia tkanek i innych osiągnięć w dziedzinie technologii medycznych. Firmy te wydają miliony dolarów rocznie na badania nad różnymi sposobami udoskonalania obecnych metod lub opracowywania lepszych. Oto jedna z firm, która nieustannie napędza innowacje na rynku biotechnologicznym.

Wielka Terapeutyka

Firma United Therapeutics z siedzibą w stanie Maryland weszła na rynek w 1996 roku. Jej założycielka, Martine Rothblatt, dostrzegła pilną potrzebę lepszych metod leczenia po tym, jak u jej córki zdiagnozowano nadciśnienie płucne (PAH), i zbudowała firmę wokół opracowywania ratujących życie terapii na tę rzadką i często śmiertelną chorobę.

United Therapeutics oferuje szereg terapii i leków stosowanych na całym świecie. Głównym produktem firmy jest Remodulin (treprostinil). Stwierdzono, że lek ten pomaga w leczeniu nadciśnienia płucnego (PAH) i innych chorób serca. Osoby poszukujące uznanej firmy z branży technologii medycznych, która powstała z jasno określonym celem, powinny zapoznać się z ofertą United Therapeutics.

Najnowsze wiadomości i wyniki akcji United Therapeutics (UTHR)

Polimer drukowany w 3D | Wnioski

Prace tych inżynierów będą miały silny wpływ na branżę medyczną i akumulatorową w nadchodzącej dekadzie. Co więcej, staną się inspiracją dla innowacji w wielu branżach, co może doprowadzić do przełomów medycznych ratujących życie jeszcze za naszego życia. W związku z tym inżynierowie zasługują na owację na stojąco.

Dowiedz się więcej o innych interesujących przełomach w biotechnologii Tutaj.

Referencje

^{1. Huang, B., Kim, M., Zhang, P., Oduro, E., Rau, DA i Cai, H. Produkcja addytywna rozciągliwych hydrożeli i elastomerów polietylenoglikolowych kodowanych architekturą molekularną. Advanced Materials, e12806. https://doi.org/10.1002/adma.202512806}