بوليمر PEG القابل للطباعة ثلاثية الأبعاد قد يُحدث تحولًا في التكنولوجيا الطبية

حقق مهندسون في University of Virginia إنجازًا مهمًا في تقنية البوليمرات. ويوفر تصميمهم الجديد متانة ومرونة أكبر من التصاميم السابقة. كما يمكن طباعته ثلاثي الأبعاد وهو آمن للاستخدام البشري، ما يفتح الباب أمام ابتكارات في عدة قطاعات. إليك ما تحتاج إلى معرفته.

شبكات بولي إيثيلين جليكول (PEG)

يركز هذا العمل على شبكات البولي إيثيلين جليكول (PEG). ويتزايد استخدامها في المجال الطبي الحيوي، حيث تؤدي دورًا مهمًا في هندسة الأنسجة وتوصيل الأدوية وغيرها من التطبيقات المنقذة للحياة.

أُنتج البولي إيثيلين جليكول لأول مرة عام 1859، عندما نشر الكيميائي البرتغالي A. V. Lourenço والكيميائي الفرنسي Charles Adolphe Wurtz، كلٌ على حدة، نتائج حول منتجات هذه المادة. واتسع الاستخدام الطبي الحيوي لـ PEG بصورة كبيرة بعد إدراجه في دساتير الأدوية الرئيسية قرابة منتصف القرن العشرين. ومنذ ذلك الحين تحسن تصميمه وتطويره، كما يجري مؤخرًا بحث إمكان استخدامه في تصنيع خلايا البطاريات.

مشكلات PEG

على الرغم من تزايد تطبيقاته، ما زالت هناك عدة عيوب ينبغي التغلب عليها لتعزيز فائدته. ومن أبرزها أن طريقة الإنتاج الحالية باهظة ومعقدة.

تستخدم الطريقة نظامًا مائيًا يدعم الربط المتقاطع للبوليمرات الخطية. ويعمل الماء دعامة للهيكل أثناء تبلوره. وبعد تكوّن شبكة البوليمر، يُصرّف الماء لتبقى البنية النهائية.

هذه الطريقة بطيئة ومكلفة وغير قابلة للتوسع بسهولة. كما أن شبكات PEG الناتجة هشة جدًا، إذ تفتقر البنى البلورية القابلة للكسر إلى المرونة، ما يحد من تطبيقاتها ولا سيما في المجال الطبي الحيوي.

دراسة بوليمر مطبوع ثلاثي الأبعاد

توصل فريق من المهندسين إلى طريقة أسهل لإنتاج شبكات PEG مع بدائل أكثر مرونة من الخيارات الحالية. وتقدم الدراسة المنشورة حديثًا بعنوان التصنيع الإضافي لهلاميات مائية وإلاستومرات قابلة للتمدد من البولي إيثيلين جليكول ذات بنية جزيئية مشفرة¹ نهجًا جديدًا بالكامل قد يوسع استخدام هذه الشبكات.

المصدر – Advanced Materials

لماذا المرونة مهمة في شبكات PEG

يتمثل الهدف الأساسي للبحث في جعل شبكات PEG أكثر مرونة. فالشبكات القابلة للتمدد تستطيع أداء وظائف أكثر، ويمكن استخدامها في تطبيقات طبية إضافية وعلى نطاق أوسع. ويتمثل الهدف النهائي في استخدامها سقالات لنمو أعضاء اصطناعية.

آمن مناعيًا

كان على الفريق التأكد من أن التعديلات على مادة شبكة PEG لن تسبب استجابة مناعية. فالجهاز المناعي يرصد الأجسام الغريبة ويزيلها، ما يمثل مشكلة عند التعامل مع الغرسات. لذلك بدأ المهندسون باستكشاف مواد وهياكل آمنة مناعيًا وتصنيعها.

قابل للطباعة ثلاثية الأبعاد

تمثلت الخطوة التالية في التأكد من قابلية المادة للطباعة ثلاثية الأبعاد. وأدى البحث إلى هلاميات مائية شديدة القابلية للتمدد قائمة على PEG ومدمجة مع إلاستومرات خالية من المذيبات. وأوضح الفريق أنه، بخلاف النهج المائي، يمكن إنشاء هذه الشبكات بواسطة البلمرة الضوئية السريعة وباستخدام مواد كيميائية تجارية متاحة.

هياكل معقدة

كان الاعتماد على الطابعات ثلاثية الأبعاد خطوة مهمة أتاحت معايير تصميم أكثر تعقيدًا وفائدة. ووجد الفريق أيضًا أنه يستطيع تحويل الهياكل إلى أنماط دقيقة بمجرد ضبط الأشعة فوق البنفسجية.

أنشأ الباحثون عدة هياكل مختلفة، لكل منها مزايا خاصة. كان بعضها صلبًا، بينما أمكن تمديد بعضها الآخر أو ثنيه. وصُنعت جميعها من إلاستومرات خالية من المذيبات، ما عزز قابليتها للتكيف.

بنية فرشاة الزجاجة القابلة للطي

قرر المهندسون أن السلاسل الخطية ليست الخيار الأفضل، فقدموا بدلًا منها بنية قابلة للطي على هيئة فرشاة زجاجة. ويستخدم التصميم هياكل داخلية لإضافة قدرات ميكانيكية مثل الالتواء والتمدد والانحناء.

مكّنت بنية فرشاة الزجاجة المهندسين من منع التبلور، ما حسن متانة الهيكل. ويمكن تمديد هذا البوليمر الجديد عالي القوة مثل الأكورديون دون المساس بصلابته. وخلص الفريق إلى أن البنية ينبغي أن تكون متوافقة مع معظم أنظمة البوليمرات القائمة على PEG، الأمر الذي يوسع كثيرًا نطاق تطبيقاتها الطبية الحيوية والهندسية المحتملة.

التراص

بنى الفريق الهيكل طبقة فوق أخرى. وشُكلت كل طبقة تحت الأشعة فوق البنفسجية ثم عولجت، وبعد ذلك أضيفت الطبقة التالية. ولم تستغرق العملية سوى ثوانٍ، وشملت طباعة أشكال هندسية معقدة.

اختبار التوافق الحيوي والأداء الهيكلي

في مرحلة الاختبار، تحقق المهندسون من توافق PEG مع الخلايا، وهو أمر أساسي لاستخدامه في سقالات الأنسجة. وأنشأ الفريق مزارع خلوية ووضعها في السقالات ثم راقب أي تفاعلات محتملة.

درس الباحثون أيضًا قدرة العملية على دعم هياكل معقدة. فعلى سبيل المثال، طبعوا أشكالًا شبيهة بالأعضاء ومتوافقة مع الخلايا.

نتائج القوة الميكانيكية والتوافق الحيوي

كانت نتائج الاختبار مشجعة. فقد وجد الفريق أن شبكة PEG متينة ميكانيكيًا ومتوافقة حيويًا. واستمرت الخلايا المزروعة في نشاطها دون تفاعل سلبي مع الشبكة، ما يفتح الباب أمام استخدامات طبية محتملة.

أظهرت الاختبارات أيضًا أن الهياكل أكثر متانة بكثير من سابقاتها. وتراوحت معاملات الهلاميات المائية والإلاستومرات بين نحو 1 و100 kPa، كما تحسنت استطالة الكسر بالشد بنسبة 1500٪.

اسحب للتمرير →

هندسة متقدمة

أظهرت الدراسة أن الطباعة ثلاثية الأبعاد توفر أكبر قدر من المرونة في التصميم الهيكلي. وطُبع كل هيكل بصورة موجهة من دون فقدان قابليته للتمدد. كما نُفذت العملية بأكملها في درجة حرارة الغرفة.

الفوائد الرئيسية لمواد PEG القابلة للطباعة ثلاثية الأبعاد

توفر مواد PEG القابلة للطباعة ثلاثية الأبعاد عدة مزايا. فهي أكثر مراعاة للبيئة، وتخفض العملية في درجة حرارة الغرفة التكاليف والتعقيدات، ما قد يتيح الإنتاج على نطاق واسع مستقبلًا.

التنوع

لا يمكن تجاهل تنوع نهج الطباعة ثلاثية الأبعاد. فالطابعات تتيح للمهندسين إنشاء هياكل أكثر تقدمًا قد تصبح يومًا مكونات أساسية في الأعضاء المزروعة اصطناعيًا وغيرها من التقنيات الطبية المتقدمة.

التطبيقات الواقعية والجدول الزمني للـ PEG القابل للطباعة ثلاثية الأبعاد

يمكن استخدام شبكات PEG القابلة للمعالجة ضوئيًا ذات بنية فرشاة الزجاجة في عدة قطاعات. وقد تشكل هذه الشبكات المجهرية أساسًا لمعادن ذات بنى دقيقة، وشبكات وعائية وظيفية تحاكي الطبيعة، وغير ذلك. وفيما يلي بعض التطبيقات المحتملة.

تقنية طبية

التطبيق الأهم لهذه التقنية هو الطب التجديدي. فقوائم انتظار الأعضاء تستمر في النمو، وكثير من الأشخاص لا يحصلون أبدًا على العضو اللازم لعملية زرع تحسن حياتهم. وقد تساعد القدرة على تنمية أعضاء بشرية في الحد من المشكلة عالميًا وبدء عصر جديد من الرعاية الطبية.

تقنية البطاريات

ومن الاستخدامات الواعدة الأخرى تصنيع بطاريات أقوى وأخف وزنًا. إذ يمكن لهذه الهياكل أن تعمل كخلايا، ما يتيح إلكتروليتات صلبة فائقة الأداء.

الجدول الزمني لتسويق PEG فرشاة زجاجية

قد تصل التقنية إلى السوق خلال السنوات الخمس المقبلة. وهناك طلب قوي على خيارات بطاريات أخف وأكثر متانة، ويمكن لهذا النهج أن يساعد في تحقيق ذلك.

قد يستغرق الأمر عشر سنوات أو أكثر قبل أن تصبح التقنية متقدمة بما يكفي لتنمية أعضاء اصطناعية. وما زالت هناك حاجة إلى مزيد من الأبحاث والاختبارات والموافقات التنظيمية، ما قد يبطئ العملية أكثر.

باحثو البوليمرات المطبوعة ثلاثية الأبعاد

قاد Soft Biomatter Laboratory في University of Virginia هذه الدراسة. وتذكر الورقة Baiqiang Huang وMyoeum Kim وPu Zhang وEmmanuel Oduro وDaniel A. Rau وLi-Heng Cai بوصفهم المساهمين الرئيسيين. ويستند هذا العمل إلى مشاريع أخرى أنشأ فيها الفريق بوليمرات اصطناعية فائقة المتانة.

تلقت الدراسة تمويلًا من UVA LaunchPad for Diabetes وNational Science Foundation وNational Institutes of Health وصندوق Commonwealth Commercialization التابع لـ Virginia Innovation Partnership Corporation.

مستقبل البوليمرات المطبوعة ثلاثية الأبعاد

سيتجه المهندسون الآن إلى دراسة هياكل ومواد أخرى. ويتمثل هدفهم في تطوير مواد إضافية قابلة للطباعة ثلاثية الأبعاد لمهام محددة، بما يفتح المجال أمام منتجات وعلاجات وحلول أخف وأكثر متانة.

الاستثمار في ابتكارات التقنية الطبية

تواصل عدة شركات للتقنية الحيوية توسيع حدود إنشاء الأنسجة وغيرها من تطورات التقنية الطبية. وتنفق هذه الشركات ملايين الدولارات سنويًا للبحث عن طرق لتحسين المناهج الحالية أو تطوير أساليب أفضل. وتواصل الشركة التالية دفع الابتكار في سوق التقنية الحيوية.

United Therapeutics

دخلت United Therapeutics (UTHR )، ومقرها Maryland، السوق عام 1996. ورأت مؤسستها Martine Rothblatt حاجة ملحة إلى علاجات أفضل بعد تشخيص ابنتها بارتفاع ضغط الدم الشرياني الرئوي (PAH)، فأنشأت الشركة لتطوير علاجات منقذة للحياة لهذا المرض النادر والقاتل في كثير من الأحيان.

توفر United Therapeutics عدة علاجات وأدوية مستخدمة عالميًا. ومنتجها الرئيسي هو Remodulin (treprostinil)، الذي ثبتت فائدته في علاج PAH وأمراض قلبية أخرى. وينبغي لمن يبحث عن شركة راسخة في التقنية الطبية ذات هدف واضح أن يدرس United Therapeutics بمزيد من التفصيل.

أحدث أخبار وأسعار سهم United Therapeutics (UTHR)

بوليمرات مطبوعة ثلاثية الأبعاد | الخلاصة

سيكون لعمل هؤلاء المهندسين أثر كبير في مجالي الطب والبطاريات خلال العقد المقبل. كما سيلهم الابتكار في عدة قطاعات، وقد يؤدي إلى إنجازات طبية تنقذ الأرواح. ولذلك يستحق الفريق تقديرًا كبيرًا.

تعرف على اختراقات أخرى مثيرة في مجال التكنولوجيا الحيوية هنا.

المراجع

^{1. Huang, B., Kim, M., Zhang, P., Oduro, E., Rau, D. A., & Cai, H. التصنيع الإضافي لهلاميات مائية وإلاستومرات قابلة للتمدد من البولي إيثيلين جليكول ذات بنية جزيئية مشفرة. Advanced Materials, e12806. https://doi.org/10.1002/adma.202512806}