3D-printbar PEG-polymer kan transformere medicinsk teknologi

Ingeniører fra University of Virginia har gjort et betydeligt gennembrud inden for polymerteknologi. Deres nye design tilbyder større robusthed og fleksibilitet end deres forgængere. Derudover er det 3D-printbart og menneskesikkert, hvilket åbner døren for innovationer på tværs af flere brancher. Her er hvad du behøver at vide.

Polyethylenglycol (PEG) netværk

Dette arbejde fokuserer på polyethylenglycol (PEG)-netværk. Disse strukturer har vundet stigende udbredelse inden for det biomedicinske område, hvor de er afgørende for vævsteknologi, lægemiddelafgivelse og andre livreddende anvendelser.

Polyethylenglycol blev første gang produceret i 1859, da den portugisiske kemiker AV Lourenço og den franske kemiker Charles Adolphe Wurtz uafhængigt af hinanden rapporterede om polyethylenglycolprodukter. PEG's biomedicinske anvendelse udvidede sig betydeligt, efter at det kom ind i store farmakopéer omkring midten af ​​det 20. århundrede. Siden da er PEG blevet forbedret i sit design og udvikling. For nylig er det også blevet udforsket som en brugbar måde at fremstille battericeller på.

Problemer med PEG

Trods dens voksende anvendelser er der stadig adskillige ulemper, der skal overvindes for yderligere at forbedre dens anvendelighed. For det første er den nuværende produktionsmetode dyr og besværlig.

Den anvender et vandbaseret system, der understøtter tværbinding af lineære polymerer. Vandet fungerer som støtte for strukturen, når den krystalliserer. Når polymernetværket er dannet, drænes vandet, hvilket efterlader den færdige struktur.

Denne tilgang er tidskrævende, dyr og ikke skalerbar. Derudover er de resulterende PEG-netværk meget skrøbelige. Disse sprøde krystallinske strukturer mangler fleksibilitet, hvilket begrænser deres anvendelser, især når man diskuterer biomedicinske anvendelser.

3D-printet polymerstudie

Et team af ingeniører har netop fundet en måde at producere PEG-netværk lettere på, hvilket giver mere fleksible alternativer end de nuværende muligheder. Den nyligt offentliggjorte undersøgelse Additiv fremstilling af molekylærarkitekturkodede strækbare polyethylenglycolhydrogeler og elastomerer¹ introducerer en helt ny tilgang til PEG-netværk, der har potentiale til at fremme implementeringen.

Kilde- Advanced Materials

Hvorfor strækbarhed er vigtig i PEG-netværk

Kernen i denne forskning er et ønske om at gøre PEG-netværk mere fleksible. Strækbare PEG-netværk kan opfylde flere opgaver. For eksempel kan de bruges i flere medicinske anvendelser og i større skala, med det endelige mål at bruge disse strukturer som stillads til syntetisk organvækst.

Immunforsvarlig

Som en del af dette studie skulle teamet sikre sig, at ændringer i deres PEG-netværksmateriale ikke ville forårsage nogen immunrespons. Dit immunsystem registrerer fremmede ubudne gæster og fjerner dem fra dit system, hvilket bliver et problem, når man diskuterer implantater. Derfor startede ingeniørerne processen med at udforske og syntetisere immunforsvarlige materialer og strukturer.

3D-printbar

Det næste skridt var at sikre, at materialet kunne 3D-printes. Denne forskning førte i sidste ende teamet til meget strækbare PEG-baserede hydrogeler, der integrerede opløsningsmiddelfri elastomerer. De bemærkede, at disse netværk i modsætning til den vandbaserede tilgang kunne skabes ved hjælp af hurtig fotopolymerisering og tilgængelige kommercielle kemikalier.

Komplekse strukturer

Beslutningen om at bruge 3D-printere var et stort skridt, der åbnede døren for mere indviklede og nyttige designparametre. Holdet bemærkede også, at de kan ændre strukturerne til indviklede mønstre blot ved at justere UV-lysene.

Det er værd at bemærke, at de skabte adskillige forskellige strukturer, der hver især havde deres unikke fordele. Nogle af strukturerne var stive, og andre kunne strækkes eller bøjes. Det er værd at bemærke, at hver af dem blev skabt ved hjælp af opløsningsmiddelfri elastomerer, hvilket forbedrede deres justerbarhed.

Sammenklappelig flaskebørste

Ingeniørerne besluttede, at lineære kæder ikke var den bedste løsning. I stedet introducerede de en foldbar flaskebørstearkitektur. Dette design bruger interne strukturer til at tilføje mekaniske funktioner såsom vridning, strækning og bøjning.

Flaskebørstearkitekturen gjorde det muligt for motorerne at forhindre krystallisering. Dette forbedrede til gengæld strukturens holdbarhed. Denne nye højstyrkepolymer kan bringes til at forlænges som et harmonika uden at gå på kompromis med styrken. Ingeniørerne konkluderede, at flaskebørstearkitekturen burde være bredt kompatibel med de fleste PEG-baserede polymersystemer, hvilket udvider dens potentielle udvalg af biomedicinske og tekniske anvendelser betydeligt.

lagdeling

Holdet byggede strukturen med omhu ved hjælp af en lagdelingsmetode. Hvert lag blev skabt under UV-lys, hærdet, og det næste lag blev bygget ovenpå. Processen tog få sekunder at gennemføre og omfattede printning af komplekse geometrier.

Test af biokompatibilitet og strukturel ydeevne

I testfasen kontrollerede ingeniørerne, at PEG'en var cellekompatibel, hvilket var en vigtig faktor ved brug i vævsstilladsapplikationer. Som en del af denne test skabte teamet cellekulturer, som de introducerede i stilladset og derefter overvågede for reaktioner.

Forskerne undersøgte også processernes evne til at understøtte komplekse strukturer. For eksempel printede de cytokompatible organlignende geometrier.

Resultater af mekanisk styrke og biokompatibilitet

Deres testresultater var inspirerende. Holdet bemærkede, at deres PEG-netværk var både mekanisk robust og biokompatibelt. Testen viste, at de dyrkede celler fortsatte deres aktiviteter uden negative reaktioner på PEG-netværket, hvilket åbnede døren for mulige medicinske anvendelser.

Testen afslørede også, hvor meget mere holdbare strukturerne var sammenlignet med deres forgængere. Specifikt havde hydrogelerne og elastomererne moduler fra ≈1 til ≈100 kPa. De forbedrede også trækbrudstyrken med 1500%.

Stryg for at scrolle →

Avanceret arkitektur

Undersøgelsen viste, at 3D-printmetoden giver den største fleksibilitet med hensyn til strukturelt design. Hver struktur blev printet målrettet uden tab af strækbarhed. Derudover blev hele processen udført ved stuetemperatur.

Vigtigste fordele ved 3D-printbare PEG-materialer

Der er flere fordele ved 3D-printbare PEG-materialer på markedet. For det første er de mere miljøvenlige. Processen med stuetemperatur reducerer omkostninger og komplikationer, hvilket muliggør storskalaproduktion i fremtiden.

Alsidighed

Alsidigheden ved 3D-printmetoden kan ikke overses. Brugen af ​​3D-printere gør det muligt for ingeniører at skabe mere avancerede strukturer, som en dag kan blive en kritisk komponent i kunstigt dyrkede organer og andre avancerede medicinske teknologier.

Virkelige anvendelser og tidslinje for 3D-printbar PEG

Listen over anvendelser for fotohærdende PEG-netværk til flaskebørster omfatter adskillige industrier. Disse mikroskopiske netværk kan tjene som base for mikroarkitekturerede metaller, funktionelle biomimetiske vaskulære netværk og mere. Her er nogle potentielle anvendelser for denne teknologi.

MedTech

Den primære og mest betydningsfulde anvendelse af denne teknologi er inden for regenerativ medicin. Ventelisten for organer fortsætter med at vokse. Desværre vil folk aldrig modtage det organ, der er nødvendigt for at gennemgå en transplantation for at forbedre deres liv. Muligheden for at dyrke menneskelige organer kan dog afhjælpe dette problem globalt og indlede en ny tidsalder inden for lægehjælp.

Batteriteknologi

Et andet lovende anvendelsesområde for denne teknologi er skabelsen af ​​mere kraftfulde og lette batterier. Disse strukturer kan fungere som celler, hvilket muliggør ultrahøjtydende faststofelektrolytter.

Tidslinje for kommercialisering af flaskebørste-PEG

Denne teknologi kan komme på markedet inden for de næste 5 år. Der er en stærk efterspørgsel efter lettere og mere robuste batteriløsninger, og denne teknologi kan bidrage til at gøre dette mål til virkelighed.

Det kan tage 10 år eller mere, før teknologien er avanceret nok til at blive brugt til dyrkning af kunstige organer. Der er stadig mere forskning, herunder test og godkendelse fra myndighederne, hvilket kan forsinke processen yderligere.

Forskere inden for 3D-printede polymerer

University of Virginias Soft Biomatter Laboratory har stået i spidsen for denne undersøgelse. Artiklen nævner Baiqiang Huang, Myoeum Kim, Pu Zhang, Emmanuel Oduro, Daniel A. Rau og Li-Heng Cai som de vigtigste bidragydere. Det er værd at bemærke, at dette arbejde bygger videre på andre projekter, hvor dette team har skabt ultraholdbare syntetiske polymerer.

Undersøgelsen modtog finansiering fra UVA LaunchPad for Diabetes, National Science Foundation, National Institutes of Health og Virginia Innovation Partnership Corporations Commonwealth Commercialization-fond.

3D-printet polymerfremtid

Ingeniørerne vil nu undersøge andre strukturer og materialer. Deres mål er at udvikle andre 3D-printbare materialer, der understøtter specifikke opgaver, og dermed åbne døren for lettere og mere holdbare produkter, behandlinger og mere.

Investering i MedTech-innovationer

Adskillige biotekfirmaer fortsætter med at flytte grænserne inden for vævsfremstilling og anden medicoteknologisk udvikling. Disse virksomheder bruger millioner årligt på at undersøge forskellige måder at forbedre nuværende tilgange eller udvikle bedre metoder på. Her er en virksomhed, der fortsætter med at drive innovation på biotekmarkedet.

United Therapeutics

United Therapeutics, der er baseret i Maryland, kom på markedet i 1996. Grundlæggeren, Martine Rothblatt, så et presserende behov for bedre behandlinger, efter at hendes datter fik diagnosen pulmonal arteriel hypertension (PAH), og hun byggede virksomheden op omkring at udvikle livreddende behandlinger for denne sjældne og ofte dødelige sygdom.

United Therapeutics har adskillige behandlinger og lægemidler, der anvendes globalt. Deres hovedprodukt er specifikt Remodulin (treprostinil). Denne medicin har vist sig at hjælpe med PAH og andre hjerterelaterede sygdomme. De, der søger en etableret medtech-virksomhed, der blev bygget med et klart formål, bør undersøge United Therapeutics yderligere.

Seneste nyheder og resultater for United Therapeutics (UTHR)-aktien

3D-printet polymer | Konklusion

Det arbejde, som disse ingeniører udfører, vil have en stærk indflydelse på medicinalindustrien og batterisektoren i det kommende årti. Derudover vil det inspirere til innovation på tværs af flere brancher, hvilket kan føre til livreddende medicinske gennembrud i denne levetid. Som sådan fortjener disse ingeniører en stående ovation.

Lær om andre interessante bioteknologiske gennembrud Her.

Referencer

^{1. Huang, B., Kim, M., Zhang, P., Oduro, E., Rau, DA, & Cai, H. Additiv fremstilling af molekylærarkitekturkodede strækbare polyethylenglycolhydrogeler og elastomerer. Advanced Materials, e12806. https://doi.org/10.1002/adma.202512806}