3D-друкований PEG-полімер може трансформувати медичні технології

Інженери Університету Вірджинії зробили значний прорив у полімерних технологіях. Їхня нова конструкція пропонує більшу стійкість та гнучкість, ніж попередники. Крім того, вона придатна для 3D-друку та безпечна для людини, що відкриває шлях для інновацій у кількох галузях промисловості. Ось що вам потрібно знати.

Поліетиленглікольові (ПЕГ) мережі

Ця робота зосереджена на мережах поліетиленгліколю (ПЕГ). Ці структури набувають дедалі більшого застосування в біомедичній галузі, де вони є критично важливими для тканинної інженерії, доставки ліків та інших життєво важливих застосувань.

Поліетиленгліколь вперше був вироблений у 1859 році, коли португальський хімік А. В. Лоуренсу та французький хімік Шарль Адольф Вюрц незалежно один від одного повідомили про продукти на основі поліетиленгліколю. Біомедичне використання ПЕГ значно розширилося після того, як він потрапив до основних фармакопей приблизно в середині 20 століття. З того часу ПЕГ удосконалився в своєму дизайні та розробці. Нещодавно його також досліджували як життєздатний спосіб створення акумуляторних елементів.

Проблеми з ПЕГ

Незважаючи на зростання його застосування, для подальшого підвищення його корисності необхідно подолати кілька недоліків. По-перше, поточний метод виробництва є дорогим і громіздким.

Він використовує систему на водній основі, яка підтримує зшивання лінійних полімерів. Вода діє як підтримка для структури під час її кристалізації. Після утворення полімерної сітки вода зливається, залишаючи готову структуру.

Цей підхід є трудомістким, дорогим і немасштабованим. Крім того, отримані мережі PEG дуже крихкі. Ці крихкі кристалічні структури не мають гнучкості, що обмежує їх застосування, особливо коли йдеться про біомедичні застосування.

Дослідження полімерів, надрукованих на 3D-принтері

Команда інженерів щойно відкрила спосіб легшого створення мереж PEG, забезпечуючи гнучкіші альтернативи, ніж сучасні варіанти. Нещодавно опубліковане дослідження Адитивне виробництво розтяжних поліетиленглікольових гідрогелів та еластомерів із закодованою молекулярною архітектурою¹ запроваджує абсолютно новий підхід до мереж PEG, який має потенціал для стимулювання їхнього впровадження.

Джерело- нові матеріали

Чому розтяжність має значення в PEG-мережах

В основі цього дослідження лежить бажання зробити мережі PEG гнучкішими. Розтяжні мережі PEG могли б виконувати більше завдань. Наприклад, їх можна було б використовувати в більшій кількості медичних застосувань та у більшому масштабі, з кінцевою метою використання цих структур як каркасу для росту синтетичних органів.

Імунна безпека

В рамках цього дослідження команді потрібно було переконатися, що зміни матеріалу їхньої мережі PEG не викличуть жодної імунної відповіді. Ваша імунна система виявляє сторонні речовини та видаляє їх з організму, що стає проблемою, коли йдеться про імплантати. Тому інженери розпочали процес з дослідження та синтезу імунобезпечних матеріалів і структур.

3D друк

Наступним кроком було забезпечення придатності матеріалу для 3D-друку. Це дослідження зрештою призвело команду до створення високорозтяжних гідрогелів на основі ПЕГ, які інтегрували еластомери без розчинників. Вони зазначили, що, на відміну від підходу на водній основі, ці мережі можна створювати за допомогою швидкої фотополімеризації та доступних комерційних хімікатів.

Складні структури

Рішення покластися на 3D-принтери стало важливим кроком, який відкрив шлях до складніших та корисніших параметрів дизайну. Команда також зазначила, що вони можуть змінювати структури на складні візерунки, просто регулюючи ультрафіолетове випромінювання.

Примітно, що вони створили кілька різних конструкцій, кожна з яких мала свої унікальні переваги. Деякі з конструкцій були жорсткими, а інші можна було розтягувати або згинати. Примітно, що кожна з них була створена з використанням еластомерів без розчинників, що покращувало їхню регульованість.

Складана щітка для пляшок

Інженери визначили, що лінійні ланцюги — не найкращий варіант. Натомість вони представили складну архітектуру «щітки для пляшок». Ця конструкція використовує внутрішні структури для додавання механічних можливостей, таких як скручування, розтягування та згинання.

Архітектура пляшкової щітки дозволила двигунам запобігти кристалізації. У свою чергу, це покращило довговічність конструкції. Цей новий високоміцний полімер можна розтягувати, як акордеон, без шкоди для міцності. Інженери дійшли висновку, що архітектура пляшкової щітки має бути широко сумісною з більшістю полімерних систем на основі ПЕГ, що значно розширює її потенційний спектр біомедичних та інженерних застосувань.

Шарування

Команда ретельно створювала структуру, використовуючи метод нашарування. Кожен шар створювався під ультрафіолетовим випромінюванням, затвердів, а наступний шар наносився зверху. Процес займав лічені секунди та включав друк складних геометрій.

Тестування біосумісності та структурних характеристик

На етапі тестування інженери перевіряли сумісність ПЕГ з клітинами, що було головним завданням для використання в тканинних каркасах. В рамках цього тесту команда створила клітинні культури, які вони внесли в каркас, а потім спостерігали за реакціями.

Дослідники також досліджували здатність відростків підтримувати складні структури. Наприклад, вони надрукували цитосумісні органоподібні геометрії.

Результати механічної міцності та біосумісності

Результати їхніх випробувань були надихаючими. Команда зазначила, що їхня мережа PEG була як механічно стійкою, так і біосумісною. Тест показав, що культивовані клітини продовжували свою активність без побічної реакції на мережу PEG, що відкриває шлях до можливого медичного використання.

Випробування також показало, наскільки довговічнішими були ці структури порівняно з їхніми попередниками. Зокрема, гідрогелі та еластомери мали модулі пружності від ≈1 до ≈100 кПа. Вони також покращили міцність на розтяг та руйнування на 1500%.

Проведіть пальцем, щоб прокрутити →

Розширена архітектура

Дослідження показало, що метод 3D-друку забезпечує найбільшу гнучкість з точки зору структурного проектування. Кожна структура була надрукована цілеспрямовано без втрати розтяжності. Крім того, весь процес проводився за кімнатної температури.

Основні переваги PEG-матеріалів, придатних для 3D-друку

Існує кілька переваг, які пропонують 3D-друковані PEG-матеріали на ринок. По-перше, вони більш екологічні. Процес за кімнатної температури зменшує витрати та ускладнення, що дозволяє здійснювати великомасштабне виробництво в майбутньому.

Гнучкість

Не можна ігнорувати універсальність 3D-друкованого підходу. Використання 3D-принтерів дозволяє інженерам створювати більш досконалі структури, які одного дня можуть стати критично важливим компонентом штучно вирощених органів та інших передових медичних технологій.

Реальні застосування та часова шкала для 3D-друкованого PEG

Перелік застосувань фототвердих мереж PEG на основі пляшкових щіток включає кілька галузей. Ці мікроскопічні мережі можуть служити основою для мікроархітектурних металів, функціональних біоміметичних судинних мереж тощо. Ось деякі потенційні застосування цієї технології.

MedTech

Основне та найважливіше застосування цієї технології знаходиться в галузі регенеративної медицини. Черга очікування на органи продовжує зростати. На жаль, люди ніколи не отримають орган, необхідний для пересадки, щоб покращити своє життя. Однак можливість вирощувати людські органи може вирішити цю проблему в усьому світі та започаткувати нову еру медичної допомоги.

Технологія акумулятора

Ще одним перспективним варіантом використання цієї технології є створення потужніших і легших акумуляторів. Ці структури можуть виступати в ролі елементів, що дозволить створювати надвисокопродуктивні твердотільні електроліти.

Графік комерціалізації Bottlebrush PEG

Ця технологія може вийти на ринок протягом наступних 5 років. Існує великий попит на легші та стійкіші варіанти акумуляторів, і ця технологія може допомогти втілити цю мету в реальність.

Можливо, знадобиться 10 років або більше, перш ніж технологія стане достатньо просунутою для використання у вирощуванні штучних органів. Ще тривають дослідження, зокрема тестування та отримання схвалення регуляторних органів, що може ще більше уповільнити процес.

Дослідники полімерів, надрукованих на 3D-принтері

Лабораторія м’якої біоматерії Університету Вірджинії керувала цим дослідженням. У статті зазначено, що основними авторами були Байцян Хуан, Мьоум Кім, Пу Чжан, Еммануель Одуро, Даніель А. Рау та Лі-Хен Цай. Примітно, що ця робота базується на інших проектах, у яких ця команда створювала надміцні синтетичні полімери.

Дослідження отримало фінансування від UVA LaunchPad for Diabetes, Національного наукового фонду, Національних інститутів охорони здоров'я та Фонду комерціалізації Співдружності Корпорації партнерства з інновацій Вірджинії.

Майбутнє полімерів, надрукованих на 3D-принтері

Тепер інженери досліджуватимуть інші структури та матеріали. Їхня мета — розробити інші матеріали, придатні для 3D-друку, які підтримують конкретні завдання, відкриваючи шлях для легших та міцніших продуктів, методів обробки тощо.

Інвестування в інновації в медичних технологіях

Кілька біотехнологічних фірм продовжують розширювати межі можливостей створення тканин та інших медичних розробок. Ці компанії щорічно витрачають мільйони на дослідження різних способів удосконалення існуючих підходів або розробку кращих методів. Ось одна компанія, яка продовжує стимулювати інновації на ринку біотехнологій.

Об'єднані терапевтичні засоби

Компанія United Therapeutics, що базується в Меріленді, вийшла на ринок у 1996 році. Її засновниця, Мартін Ротблатт, побачила гостру потребу в кращих методах лікування після того, як у її доньки діагностували легеневу артеріальну гіпертензію (ЛАГ), і вона побудувала компанію навколо розробки життєво важливих методів лікування цього рідкісного та часто смертельного захворювання.

United Therapeutics пропонує кілька методів лікування та ліків, що використовуються в усьому світі. Зокрема, їхнім основним продуктом є Ремодулін (трепростініл). Було виявлено, що цей препарат допомагає при ЛАГ та інших серцевих захворюваннях. Тим, хто шукає досвідчену медико-технологічну компанію, створену з чіткою метою, слід провести подальше дослідження United Therapeutics.

Останні новини та показники акцій United Therapeutics (UTHR)

Полімер, надрукований на 3D-принтері | Висновок

Робота, проведена цими інженерами, матиме сильний вплив на медичну галузь та сферу акумуляторів у наступному десятилітті. Крім того, вона допоможе надихнути інновації в багатьох галузях, що може призвести до життєво важливих медичних проривів ще в цьому житті. Таким чином, ці інженери заслуговують на овації.

Дізнайтеся про інші цікаві біотехнологічні прориви тут.

Посилання

^{1. Хуан, Б., Кім, М., Чжан, П., Одуро, Е., Рау, Д.А. та Цай, Х. Адитивне виробництво розтяжних поліетиленглікольових гідрогелів та еластомерів з кодованою молекулярною архітектурою. Сучасні матеріали, e12806. https://doi.org/10.1002/adma.202512806}