3D-Printable PEG Πολυμερές Μπορεί να Μεταμορφώσει τη MedTech

Οι μηχανικοί του Πανεπιστημίου της Βιρτζίνια έχουν επιτύχει một σημαντική πρόοδο στην τεχνολογία των πολυμερών. Η νέα τους σχεδίαση προσφέρει μεγαλύτερη ανθεκτικότητα και ευελιξία σε σύγκριση με τους προκατόχους της. Επιπλέον, είναι 3D εκτυπώσιμη και ασφαλής για τον άνθρωπο, ανοίγοντας το δρόμο για καινοτομίες σε διάφορους τομείς. Δείτε τι πρέπει να γνωρίζετε.

Δίκτυα Polyethylene Glycol (PEG)

Αυτό το έργο επικεντρώνεται γύρω από τα δίκτυα Polyethylene Glycol (PEG). Αυτές οι δομές έχουν κερδίσει αυξανόμενη αποδοχή στον βιοϊατρικό τομέα, όπου είναι κρίσιμες για την ιστogenετική, τη μεταφορά φαρμάκων και άλλες εφαρμογές που σώζουν ζωές.

Το Polyethylene glycol παράχθηκε για πρώτη φορά το 1859, όταν ο Πορτογαλός χημικός A.V. Lourenço και ο Γάλλος χημικός Charles Adolphe Wurtz ανεξάρτητα ανέφεραν προϊόντα polyethylene glycol. Η βιοϊατρική χρήση του PEG επεκτάθηκε σημαντικά μετά τη entrada του σε μεγάλες φαρμακοποιίες γύρω στη μέση του 20ου αιώνα. Από τότε, το PEG έχει βελτιωθεί στη σχεδίαση και ανάπτυξή του. Πρόσφατα, εξετάστηκε ως एक βιώσιμος τρόπος για τη δημιουργία κυψελών μπαταριών.

Προβλήματα με το PEG

Παρά τις αυξανόμενες εφαρμογές του, υπάρχουν beberapa μειονεκτήματα που πρέπει να υπερβληθούν για να ενισχυθεί η χρησιμότητά του. Για ένα, η τρέχουσα μέθοδος παραγωγής είναι ακριβή και δυσχερής.

Χρησιμοποιεί ένα υδρόφιλο σύστημα που υποστηρίζει τη διασταύρωση των γραμμικών πολυμερών. Το νερό ενεργεί ως υποστήριξη για τη δομή καθώς κρυσταλλώνεται. Μετά τη διαμόρφωση του δικτύου πολυμερών, το νερό αποστραγγίζεται, αφήνοντας τη完成μένη δομή.

Αυτή η προσέγγιση είναι χρονοβόρα, ακριβή και δεν είναι επεκτάσιμη. Επιπλέον, τα αποτέλεσμα PEG δίκτυα είναι πολύ εύθραυστα. Αυτές οι κρυσταλλικές δομές που λείπουν ευελιξίας, περιορίζουν τις εφαρμογές τους, ιδιαίτερα όταν συζητάμε βιοϊατρικές εφαρμογές.

Μελέτη 3D Εκτυπώσιμου Πολυμερούς

Μια ομάδα μηχανικών μόλις ξεκλείδωσε έναν τρόπο για να παράγει PEG δίκτυα πιο εύκολα, παρέχοντας πιο ευέλικτες εναλλακτικές λύσεις από τις σημερινές επιλογές. Η πρόσφατα δημοσιευμένη μελέτη Προσθήκη Manufacturing της Μοριακής Αρχιτεκτονικής Encoded Stretchable Polyethylene Glycol Hydrogels και Elastomers¹ εισάγει μια εντελώς νέα προσέγγιση στα PEG δίκτυα που έχει το δυναμικό να ωθήσει την υιοθέτηση προς τα εμπρός.

Source- Advanced Materials

Γιατί η Ελαστικότητα Μετράει στα PEG Δίκτυα

Στην καρδιά αυτής της έρευνας είναι η επιθυμία να κάνει τα PEG δίκτυα πιο ευέλικτα. Τα ελαστικά PEG δίκτυα θα μπορούσαν να εκπληρώσουν περισσότερες εργασίες. Για παράδειγμα, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε περισσότερες ιατρικές εφαρμογές και σε μεγαλύτερη κλίμακα, με το τελικό στόχο να χρησιμοποιηθούν αυτές οι δομές ως σκελετός για τη συνθετική ανάπτυξη οργάνων.

Ασφαλής για το Ανοσοποιητικό

Ως μέρος αυτής της μελέτης, η ομάδα χρειαζόταν να διασφαλίσει ότι οι αλλαγές τους στο υλικό PEG δεν θα προκαλούσαν καμία ανοσοαπόκριση. Το ανοσοποιητικό σας σύστημα ανιχνεύει ξένα εισβολείς και τα αφαιρεί από το σύστημα σας, το οποίο γίνεται πρόβλημα όταν συζητάμε εμφυτεύματα. Ως εκ τούτου, οι μηχανικοί ξεκίνησαν τη διαδικασία εξετάζοντας και συνθέτοντας ασφαλή για το ανοσοποιητικό υλικά και δομές.

3D Εκτυπώσιμη

Ο επόμενος βήμας ήταν να διασφαλιστεί ότι το υλικό ήταν 3D εκτυπώσιμο. Αυτή η έρευνα οδήγησε τελικά την ομάδα σε υδρογέλες και ελαστομερή που ενσωματώνουν διαλυτήρες ελαστομερών. Σημείωσαν ότι, σε αντίθεση με την υδρόφιλη προσέγγιση, αυτά τα δίκτυα θα μπορούσαν να δημιουργηθούν χρησιμοποιώντας ταχεία φωτοπολυμερισμό και διαθέσιμα εμπορικά χημικά.

Σύνθετες Δομές

Η απόφαση να βασιστεί η έρευνα στα 3D εκτυπωτές ήταν ένα σημαντικό βήμα που άνοιξε το δρόμο για πιο περίπλοκες και χρήσιμες παραμέτρους σχεδίασης. Η ομάδα σημείωσε επίσης ότι θα μπορούσαν να τροποποιήσουν τις δομές σε περίπλοκες μοτίβα απλώς調整οντας τα UV φώτα.

Σημαντικά, δημιούργησαν πολλές διαφορετικές δομές που κάθε μια παρείχε τα μοναδικά της πλεονεκτήματα. Ορισμένες από τις δομές ήταν σκληρές και άλλες θα μπορούσαν να τεντωθούν ή να γυρίσουν. Σημαντικά, κάθε μια από αυτές δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας διαλυτήρες ελαστομερών, οι οποίοι ενίσχυσαν την προσαρμοστικότητά τους.

Διαμορφωμένη Bottlebrush

Οι μηχανικοί κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι οι γραμμικές αλυσίδες δεν ήταν η καλύτερη επιλογή. Αντίθετα, εισήγαγαν μια διαμορφωμένη αρχιτεκτονική bottlebrush. Αυτή η σχεδίαση χρησιμοποιεί εσωτερικές δομές για να προσθέσει μηχανικές ικανότητες όπως το στρέψιμο, το τρέξιμο και το γύρισμα.

Η αρχιτεκτονική bottlebrush επέτρεψε στους μηχανικούς να αποτρέψουν την κρυσταλλποίηση. Αυτό με τη σειρά του βελτίωσε τη διάρκεια ζωής της δομής. Αυτό το νέο υψηλής αντοχής πολυμερές μπορεί να παραχθεί για να επεκταθεί σαν ένα ακκορντεόν χωρίς να επηρεάζεται η δύναμή του. Οι μηχανικοί κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η αρχιτεκτονική bottlebrush θα πρέπει να είναι ευρέως συμβατή με hầu hết τα συστήματα PEG-βασισμένων πολυμερών, επεκτείνοντας σημαντικά το πεδίο των βιοϊατρικών και μηχανικών εφαρμογών.

Στρώση

Ο ομάδα κατασκεύασε τη δομή χρησιμοποιώντας μια προσέγγιση στρώσης. Κάθε στρώση δημιουργήθηκε υπό το UV φως, θερμοκατεργάστηκε και η επόμενη στρώση κατασκευάστηκε από πάνω. Η διαδικασία πήρε δευτερόλεπτα για να ολοκληρωθεί και περιελάμβανε την εκτύπωση σύνθετων γεωμετριών.

Δοκιμή Биocompatibility και Στρατηγικής Απόδοσης

Η φάση δοκιμής είδε τους μηχανικούς να ελέγχουν ότι το PEG ήταν συμβατό με τις κυτταρικές, το οποίο ήταν ένα основικό πρόβλημα για τη χρήση σε εφαρμογές ιστogenετικής. Ως μέρος αυτής της δοκιμής, η ομάδα δημιούργησε κυτταρικές καλλιέργειες που εισήγαγαν στο σκελετό και στη συνέχεια παρακολουθούσαν για αντιδράσεις.

Οι ερευνητές εξέτασαν επίσης την ικανότητα της διαδικασίας να υποστηρίξει σύνθετες δομές. Για παράδειγμα, εκτύπωσαν κυτταρικές οργανοειδείς γεωμετρίες.

Μηχανική Ισχύς και Биocompatibility Αποτελέσματα

Τα αποτελέσματα της δοκιμής ήταν εμπνευσμένα. Η ομάδα σημείωσε ότι το δίκτυο PEG τους ήταν και μηχανικά ανθεκτικό και βιοσυμβατό. Η δοκιμή έδειξε ότι οι καλλιεργημένες κυτταρικές δραστηριότητες συνέχισαν χωρίς αντίθετη αντίδραση στο δίκτυο PEG, ανοίγοντας το δρόμο για πιθανές ιατρικές χρήσεις.

Η δοκιμή cũng αποκάλυψε πόσο πιο ανθεκτικές ήταν οι δομές σε σύγκριση με τους προκατόχους τους. Συγκεκριμένα, τα υδρογέλες και ελαστομερή είχαν moduli που κυμαίνονταν από ≈1 έως ≈100 kPa. Βελτίωσαν επίσης την τάση της θραύσης της τάσης κατά 1500%.

Swipe to scroll →

Προηγμένη Αρχιτεκτονική

Η μελέτη έδειξε ότι η μέθοδος 3D εκτύπωσης παρέχει την περισσότερη ευελιξία σε όρους δομικής σχεδίασης. Κάθε δομή εκτυπώθηκε με στόχο χωρίς να χάσει την ελαστικότητά της. Επιπλέον, η ολόκληρη διαδικασία πραγματοποιήθηκε σε θερμοκρασία δωματίου.

Κύρια Πλεονεκτήματα των 3D Εκτυπώσιμων PEG Υλικών

Υπάρχουν πολλά πλεονεκτήματα που τα 3D εκτυπώσιμα PEG υλικά φέρνουν στην αγορά. Για ένα, είναι πιο οικολογικά. Η διαδικασία σε θερμοκρασία δωματίου μειώνει τα κόστη και τις δυσκολίες, επιτρέποντας τη μεγάλης κλίμακας παραγωγή στο μέλλον.

Πολυμορφία

Η πολυμορφία της 3D εκτυπωμένης προσέγγισης δεν μπορεί να αγνοηθεί. Η χρήση 3D εκτυπωτών επιτρέπει στους μηχανικούς να δημιουργούν πιο προηγμένες δομές, οι οποίες μια μέρα θα μπορούσαν να είναι ένα κρίσιμο συστατικό των τεχνητά αναπτυγμένων οργάνων και άλλων προηγμένων ιατρικών τεχνολογιών.

Πραγματικές Εφαρμογές και Χρονοδιάγραμμα για 3D Εκτυπώσιμα PEG

Η λίστα των εφαρμογών για φωτοπολυμεριζόμενα δίκτυα PEG περιλαμβάνει διάφορους τομείς. Αυτά τα μικροσκοπικά δίκτυα θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως βάση για μικροαρχιτεκτονικά μέταλλα, λειτουργικά βιομιμητικά αγγειακά δίκτυα και πέρα.

MedTech

Η πρωταρχική και πιο σημαντική εφαρμογή αυτής της τεχνολογίας είναι στον τομέα της αναγεννητικής ιατρικής. Η λίστα αναμονής για όργανα συνεχίζει να αυξάνεται. Λυπαμένα, οι άνθρωποι δεν θα λάβουν ποτέ το όργανο που χρειάζονται για να υποβληθούν σε μεταμόσχευση για να βελτιώσουν τις ζωές τους. Ωστόσο, η ικανότητα να αναπτυχθούν ανθρώπινα όργανα θα μπορούσε να ανακουφίσει αυτό το πρόβλημα παγκοσμίως και να οδηγήσει σε eine νέα εποχή ιατρικής φροντίδας.

Τεχνολογία Μπαταριών

Μια άλλη υποσχόμενη χρήση αυτής της τεχνολογίας είναι στη δημιουργία πιο ισχυρών και ελαφριών μπαταριών. Αυτές οι δομές θα μπορούσαν να ενεργούν ως κύτταρα, επιτρέποντας υπερ-υψηλής απόδοσης στερεά ηλεκτρολύτη.

Εμπορικό Χρονοδιάγραμμα για Bottlebrush PEG

Αυτή η τεχνολογία θα μπορούσε να εισέλθει στην αγορά μέσα στα επόμενα 5 χρόνια. Υπάρχει ισχυρή ζήτηση για ελαφριές και πιο ανθεκτικές επιλογές μπαταριών, και αυτή η τεχνολογία θα μπορούσε να βοηθήσει να γίνει αυτό το στόχο πραγματικότητα.

Μπορεί να χρειαστούν 10 χρόνια ή περισσότερο πριν η τεχνολογία είναι αρκετά προηγμένη για να χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη τεχνητών οργάνων. Υπάρχει ακόμη περισσότερη έρευνα, συμπεριλαμβανομένων δοκιμών και εγκρίσεων ρυθμίσεων, οι οποίες θα μπορούσαν να επιβραδύνουν τη διαδικασία περαιτέρω.

Ερευνητές 3D Εκτυπώσιμου Πολυμερούς

Το Εργαστήριο Soft Biomatter του Πανεπιστημίου της Βιρτζίνια οδήγησε αυτή τη μελέτη. Το έγγραφο αναφέρει τους Baiqiang Huang, Myoeum Kim, Pu Zhang, Emmanuel Oduro, Daniel A. Rau και Li-Heng Cai ως τους κύριους συντελεστές. Σημαντικά, αυτό το έργο βασίζεται σε άλλα έργα στα οποία αυτή η ομάδα δημιούργησε υπερ-ανθεκτικά συνθετικά πολυμερή.

Η μελέτη έλαβε χρηματοδότηση από το UVA LaunchPad για τη διαβήτη, το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών, τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας και το Virginia Innovation Partnership Corporation’s Commonwealth Commercialization fund.

3D Εκτυπώσιμος Πολυμερής Μέλλον

Οι μηχανικοί θα αναζητήσουν να ερευνήσουν άλλες δομές και υλικά. Ο στόχος τους είναι να αναπτύξουν άλλα 3D εκτυπώσιμα υλικά που υποστηρίζουν συγκεκριμένες εργασίες, ανοίγοντας το δρόμο για ελαφρύτερα και πιο ανθεκτικά προϊόντα, θεραπείες και άλλα.

Επένδυση σε Καινοτομίες MedTech

Πολλές βιοτεχνολογικές εταιρείες συνεχίζουν να推 τις grenzen σε όρους δημιουργίας ιστών και άλλων μετεξελίξεων MedTech. Αυτές οι εταιρείες δαπανούν εκατομμύρια κάθε χρόνο ερευνώντας διάφορους τρόπους για να βελτιώσουν τις τρέχουσες προσεγγίσεις ή να αναπτύξουν καλύτερες μεθόδους. Δείτε μια εταιρεία που συνεχίζει να ωθεί την καινοτομία στην αγορά βιοτεχνολογίας.

United Therapeutics

Η Maryland-based United Therapeutics εισήλθε στην αγορά το 1996. Ο ιδρυτής της, Martine Rothblatt, είδε μια επείγουσα ανάγκη για καλύτερες θεραπείες μετά τη διάγνωση της κόρης της με πνευμονική αρτηριακή υπέρταση (PAH), και έχτισε την εταιρεία γύρω από την ανάπτυξη θεραπειών που σώζουν ζωές για αυτή τη σπάνια και συχνά θανατηφόρο νόσο.

Η United Therapeutics έχει πολλές θεραπείες και φάρμακα που χρησιμοποιούνται παγκοσμίως. Συγκεκριμένα, το κύριο προϊόν της είναι Remodulin (treprostinil). Αυτό το φάρμακο έχει βρεθεί να βοηθά με PAH και άλλες καρδιακές ασθένειες. Αυτοί που αναζητούν μια καθιερωμένη εταιρεία MedTech που χτίστηκε με einem σαφές σκοπό θα πρέπει να κάνουν περαιτέρω έρευνα για την United Therapeutics.

Τελευταία Ειδήσεις και Απόδοση Μετοχών United Therapeutics (UTHR)

3D Εκτυπώσιμος Πολυμερής | Συμπέρασμα

Το έργο που πραγματοποιήθηκε από αυτούς τους μηχανικούς θα έχει μια ισχυρή επίδραση στους ιατρικούς και μπαταριών τομείς μέσα στην επόμενη δεκαετία. Επιπλέον, θα βοηθήσει να εμπνεύσει την καινοτομία σε διάφορους τομείς, η οποία θα μπορούσε να οδηγήσει σε σωτήριες ιατρικές επιτυχίες σε αυτή τη ζωή. Ως εκ τούτου, αυτοί οι μηχανικοί αξίζουν ένα standing ovation.

Μάθετε για άλλες ενδιαφέρουσες βιοτεχνολογικές επιτυχίες Εδώ.

Αναφορές

^{1. Huang, B., Kim, M., Zhang, P., Oduro, E., Rau, D. A., & Cai, H. Additive Manufacturing of Molecular Architecture Encoded Stretchable Polyethylene Glycol Hydrogels and Elastomers. Advanced Materials, e12806. https://doi.org/10.1002/adma.202512806}