3D-printbart PEG-polymer kan transformere MedTech

University of Virginia ingeniører har gjort et betydeligt gennembrud inden for polymerteknologi. Deres nye design tilbyder større modstandsdygtighed og fleksibilitet end forgængerne. Derudover er det 3D-printbart og sikkert for mennesker, hvilket åbner døren for innovationer på tværs af flere industrier. Her er, hvad du behøver at vide.

Polyethylen Glykol (PEG) netværk

Dette arbejde centrerer sig omkring Polyethylen Glykol (PEG) netværk. Disse strukturer har fået stigende anvendelse inden for biomedicin, hvor de er afgørende for vævsteknologi, lægemiddellevering og andre livredende anvendelser.

Polyethylen glykol blev første gang fremstillet i 1859, da den portugisiske kemiker A.V. Lourenço og den franske kemiker Charles Adolphe Wurtz uafhængigt rapporterede om polyethylen glykol-produkter. PEG’s biomedicinske anvendelse udvidede sig betydeligt, da den kom ind i store farmakopeer omkring midten af det 20. århundrede. Siden da er PEG blevet forbedret i design og udvikling. For nylig er den også blevet undersøgt som en levedygtig måde at skabe battericeller på.

Problemer med PEG

På trods af dens voksende anvendelser er der flere ulemper, der skal overvindes for at forbedre dens nytteværdi yderligere. For det første er den nuværende produktionsmetode dyr og besværlig.

Den bruger et vandbaseret system, der understøtter krydsbindingen af lineære polymerer. Vandet fungerer som støtte for strukturen, mens den krystalliserer. Efter polymernetværket er dannet, drænes vandet, så den færdige struktur er tilbage.

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 taler om biomedicinske anvendelser.

3D-printet polymerundersøgelse

Et hold af ingeniører har netop fundet en måde at producere PEG-netværk lettere på, hvilket leverer mere fleksible alternativer end de nuværende muligheder. Den for nylig offentliggjorte undersøgelse Additive Manufacturing of Molecular Architecture Encoded Stretchable Polyethylene Glycol Hydrogels and Elastomers¹ introducerer en helt ny tilgang til PEG-netværk, som har potentiale til at fremme adoptionen.

Kilde- Advanced Materials

Hvorfor strækbarhed er vigtigt i PEG-netværk

Kernen i denne forskning er ønsket om at gøre PEG-netværk mere fleksible. Strækbare PEG-netværk kunne udføre flere opgaver. For eksempel kunne de bruges i flere medicinske anvendelser og i større skala, med det endelige mål at anvende disse strukturer som støtte til syntetisk organvækst.

Immunesikker

Som en del af denne undersøgelse skulle holdet sikre, at deres ændringer af PEG-netværksmaterialet ikke ville fremkalde nogen immunrespons. Dit immunsystem opdager fremmede indtrængere og fjerner dem fra din krop, hvilket bliver et problem, når man taler om implantater. Derfor begyndte ingeniørerne processen med at udforske og syntetisere immun-sikre materialer og strukturer.

3D-printbart

Det næste skridt var at sikre, at materialet var 3D-printbart. Denne forskning førte holdet til yderst strækbare PEG-baserede hydrogel, der integrerede opløsningsmiddelfrie elastomerer. De bemærkede, at i modsætning til den vandbaserede tilgang, kunne disse netværk skabes ved hjælp af hurtig fotopolymerisation og tilgængelige kommercielle kemikalier.

Komplekse strukturer

Beslutningen om at stole på 3D-printere var et vigtigt 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.

Bemærkelsesværdigt skabte de flere forskellige strukturer, som hver især gav unikke fordele. Nogle af strukturerne var stive, mens andre kunne strækkes eller bøjes. Bemærkelsesværdigt blev hver af dem fremstillet ved hjælp af opløsningsmiddelfrie elastomerer, hvilket forbedrede deres justerbarhed.

Foldbar Bottlebrush

Ingeniørerne fastslog, at lineære kæder ikke var den bedste løsning. I stedet introducerede de en foldbar bottlebrush-arkitektur. Dette design udnytter interne strukturer til at tilføje mekaniske egenskaber såsom vridning, strækning og bøjning.

Bottlebrush-arkitekturen gjorde det muligt for motorerne at forhindre krystallisering. Dette forbedrede strukturets holdbarhed. Dette nye højstyrkepolymer kan udvides som en harmonika uden at gå på kompromis med styrken. Ingeniørerne konkluderede, at bottlebrush-arkitekturen bør være bredt kompatibel med de fleste PEG-baserede polymersystemer, hvilket væsentligt udvider det potentielle anvendelsesområde inden for biomedicin og ingeniørarbejde.

Lagdeling

Omhyggeligt byggede holdet strukturen op ved hjælp af en lagdelingsmetode. Hvert lag blev skabt under UV-lys, hærdet, og det næste lag blev bygget ovenpå. Processen tog sekunder at fuldføre og omfattede udskrivning af komplekse geometriske former.

Test af biokompatibilitet og strukturel ydeevne

Testfasen så ingeniører kontrollere, at PEG var cellekompatibel, hvilket var en hovedbekymring for brug i vævsskeletapplikationer. Som en del af denne test oprettede holdet cellekulturer, som de introducerede til skeletet og derefter overvågede for reaktioner.

Forskerne undersøgte også processens evne til at understøtte komplekse strukturer. For eksempel udskrev de cytokompatible organlignende geometriske former.

Mekanisk styrke & biokompatibilitet resultater

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

Testen afslørede også, hvor meget mere holdbare strukturerne var sammenlignet med deres forgængere. Specifikt havde hydrogel og elastomer moduli fra ≈1 til ≈100 kPa. De forbedrede også den trækbrudspændingsstyrke med 1500%.

Swipe for at rulle →

Avanceret arkitektur

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

Vigtige fordele ved 3D-printbare PEG-materialer

Der er flere fordele, som 3D-printbare PEG-materialer bringer til markedet. For det første er de mere miljøvenlige. Processen ved stuetemperatur reducerer omkostninger og komplikationer, hvilket muliggør storstilet produktion i fremtiden.

Alsidighed

Alsidigheden ved den 3D-printede tilgang kan ikke overses. Brug 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.

Reelle anvendelser & tidslinje for 3D-printbar PEG

Listen over anvendelser for fotokurerbare bottlebrush PEG-netværk omfatter flere industrier. Disse mikroskopiske netværk kan fungere som grundlag 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. Evnen til at dyrke menneskelige organer kan dog afhjælpe dette problem globalt og indlede en ny æra inden for medicinsk pleje.

Batteriteknologi

En anden lovende anvendelse af denne teknologi er i fremstillingen af mere kraftfulde og letvægtsbatterier. Disse strukturer kan fungere som celler, hvilket muliggør ultrahøjtydende faststofelektrolytter.

Kommercialiseringstidslinje for Bottlebrush PEG

Denne teknologi kan nå markedet inden for de næste 5 år. Der er stor efterspørgsel efter lettere, mere holdbare batterimuligheder, og denne teknologi kan hjælpe med at gøre dette mål til virkelighed.

Det kan tage 10 år eller mere, før teknologien er avanceret nok til at blive brugt til at dyrke kunstige organer. Der er stadig mere forskning, herunder test og regulatorisk godkendelse, som kan bremse processen yderligere.

3D-printede polymerforskere

University of Virginias Soft Biomatter Laboratory ledede denne undersøgelse. Artiklen nævner Baiqiang Huang, Myoeum Kim, Pu Zhang, Emmanuel Oduro, Daniel A. Rau og Li-Heng Cai som hovedbidragydere. Bemærkelsesværdigt bygger dette arbejde på andre projekter, hvor holdet skabte 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.

Fremtiden for 3D-printet polymer

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

Investering i MedTech-innovationer

Flere biotekvirksomheder fortsætter med at skubbe grænserne for vævsskabelse og andre MedTech-udviklinger. Disse virksomheder bruger millioner årligt på at forske i forskellige måder at forbedre nuværende tilgange eller udvikle bedre metoder. Her er en virksomhed, der fortsat driver innovation på biotekmarkedet.

United Therapeutics

United Therapeutics (UTHR ), baseret i Maryland, gik ind på markedet i 1996. Dens grundlægger, Martine Rothblatt, så et akut behov for bedre behandlinger efter, at hendes datter blev diagnosticeret med pulmonal arteriell hypertension (PAH), og hun byggede virksomheden op omkring udviklingen af livredende terapier for denne sjældne og ofte dødelige sygdom.

United Therapeutics har flere behandlinger og medicin, der anvendes globalt. Specifikt er deres hovedprodukt Remodulin (treprostinil). Denne medicin har vist sig at hjælpe med PAH og andre hjerte-relaterede sygdomme. De, der søger en etableret MedTech-virksomhed, der er bygget med et klart formål, bør foretage yderligere research om United Therapeutics.

Seneste United Therapeutics (UTHR) aktienyheder og -præstation

3D-printet polymer | Konklusion

Det arbejde, som disse ingeniører har fremlagt, vil have en stærk indvirkning på de medicinske og batteriområder i det kommende årti. Derudover vil det hjælpe med at inspirere innovation på tværs af flere industrier, hvilket kan føre til livredende medicinske gennembrud i denne levetid. Som sådan fortjener disse ingeniører en stående ovation.

Lær om andre interessante BioTech-gennembrud Her.

Referencer

^{1. Huang, B., Kim, M., Zhang, P., Oduro, E., Rau, D. A., & Cai, H. Additiv fremstilling af molekylær arkitektur kodet strækbare polyethylen glykol hydrogel og elastomerer. Advanced Materials, e12806. https://doi.org/10.1002/adma.202512806}