3D-tulostettava PEG-polymeeri voi mullistaa MedTechin

University of Virginia -insinöörit ovat saavuttaneet merkittävän läpimurron polymeeriteknologiassa. Heidän uusi suunnittelunsa tarjoaa suurempaa kestävyyttä ja joustavuutta kuin aikaisemmat. Lisäksi se on 3D‑tulostettavissa ja ihmisille turvallinen, avaten ovet innovaatioille useilla toimialoilla. Tässä on, mitä sinun tarvitsee tietää.

Polyeteeniglykoli (PEG) -verkostot

Tämä työ keskittyy polyeteeniglykoli (PEG) -verkostoihin. Näiden rakenteiden käyttö on yleistynyt biolääketieteellisellä alalla, missä ne ovat keskeisiä kudosinsinööriassa, lääkkeiden toimituksessa ja muissa elintärkevissä sovelluksissa.
Polyeteeniglykoli valmistettiin ensimmäisen kerran vuonna 1859, kun portugalilainen kemisti A.V. Lourenço ja ranskalainen kemisti Charles Adolphe Wurtz raportoivat itsenäisesti polyeteeniglykoli‑tuotteita. PEG:n biolääketieteellinen käyttö laajeni merkittävästi sen jälkeen, kun se otettiin käyttöön suurissa farmakoopioissa 1900‑luvun puolivälissä. Siitä lähtien PEG:n suunnittelua ja kehitystä on parannettu. Äskettäin sitä on tutkittu myös mahdollisena tapana luoda akkukennoja.

PEG:n ongelmat

Huolimatta kasvavista sovelluksistaan, useita haittapuolia on vielä voitettava sen hyödyllisyyden parantamiseksi. Yksi näistä on, että nykyinen tuotantomenetelmä on kallis ja kömpelö.

Se käyttää vesipohjaista järjestelmää, joka tukee lineaaristen polymerien ristisidontaa. Vesi toimii rakenteen tukena sen kiteytyessä. Kun polymeeriverkosto on muodostunut, vesi poistetaan, jättäen valmiin rakenteen.

Tämä lähestymistapa on aikaa vievä, kallis eikä skaalautuva. Lisäksi syntyneet PEG‑verkostot ovat erittäin hauraita. Nämä hauraat kiteiset rakenteet eivät ole joustavia, mikä rajoittaa niiden sovelluksia, erityisesti biolääketieteellisissä käyttötarkoituksissa.

3D-tulostettu polymeeritutkimus

Insinööriryhmä on juuri löytänyt tavan valmistaa PEG‑verkostoja helpommin, tarjoten joustavampia vaihtoehtoja kuin nykyiset. Äskettäin julkaistu tutkimus Additive Manufacturing of Molecular Architecture Encoded Stretchable Polyethylene Glycol Hydrogels and Elastomers¹ esittelee täysin uuden lähestymistavan PEG‑verkostoihin, jolla on potentiaalia edistää niiden käyttöönottoa.

Lähde- Advanced Materials

Miksi venyvyys on tärkeää PEG-verkostoissa

Tämän tutkimuksen ytimessä on halu tehdä PEG‑verkostoista joustavampia. Venytettävät PEG‑verkostot voisivat täyttää useampia tehtäviä. Esimerkiksi niitä voitaisiin käyttää laajemmin lääketieteellisissä sovelluksissa ja suuremmassa mittakaavassa, päämääränä käyttää näitä rakenteita keinotekoisten elinten kasvun tukirankana.

Immuuniturvallinen

Osana tätä tutkimusta tiimin täytyi varmistaa, että heidän PEG‑verkostomateriaalinsa muutokset eivät aiheuta immuunivastetta. Immuunijärjestelmäsi havaitsee vieraat tunkeilijat ja poistaa ne kehostasi, mikä on ongelma implantaateista puhuttaessa. Tästä syystä insinöörit aloittivat prosessin tutkimalla ja synteesiä immuuniturvallisia materiaaleja ja rakenteita.

3D-tulostettava

Seuraava askel oli varmistaa, että materiaali on 3D‑tulostettavissa. Tämä tutkimus johti tiimin erittäin venytettäviin PEG‑pohjaisiin hydrogeeleihin, jotka sisälsivät liuotinta sisältämättömiä elastomeereja. He huomauttivat, että toisin kuin vesipohjainen menetelmä, näitä verkostoja voidaan luoda nopealla fotopolymeroinnilla ja saatavilla kaupallisilla kemikaaleilla.

Monimutkaiset rakenteet

Päätös käyttää 3D‑tulostimia oli merkittävä askel, joka avasi oven monimutkaisemmille ja hyödyllisemmille suunnitteluparametreille. Tiimi huomautti myös, että rakenteita voidaan muuttaa monimutkaisiksi kuvioiksi yksinkertaisesti säätämällä UV‑valoja.
Erityisesti he loivat useita erilaisia rakenteita, joista jokainen tarjosi omat ainutlaatuiset etunsa. Jotkut rakenteet olivat jäykkiä, kun taas toiset voitiin venyttää tai taivuttaa. Kaikki luotiin liuotinta sisältämättömillä elastomeereilla, mikä paransi niiden säädettävyyttä.

Taitettava pullaharja

Insinöörit totettuivat, että lineaariset ketjut eivät olleet paras vaihtoehto. Sen sijaan he esittelivät taitettavan pullaharjarakenteen. Tämä suunnittelu hyödyntää sisäisiä rakenteita lisätäkseen mekaanisia ominaisuuksia, kuten kiertymistä, venytystä ja taivutusta.
Pullaharjarakenne mahdollisti prosessien estää kiteytymisen. Tämä puolestaan paransi rakenteen kestävyyttä. Tämä uusi korkean lujuuden polymeeri voidaan venyttää kuin harmonikka ilman, että vahvuus heikkenee. Insinöörit päättelivät, että pullaharjarakenne on laajasti yhteensopiva suurimman osan PEG‑pohjaisten polymeerijärjestelmien kanssa, mikä laajentaa merkittävästi sen potentiaalista sovellusaluetta biolääketieteessä ja tekniikassa.

Kerrostaminen

Tiimi rakensi rakenteen kerrostusmenetelmällä. Jokainen kerros luotiin UV‑valon alla, kovetettiin, ja seuraava kerros rakennettiin päälle. Prosessi kesti sekunteja ja sisälsi monimutkaisten geometrioiden tulostuksen.

Biokompatibiliteetin ja rakenteellisen suorituskyvyn testaus

Testausvaiheessa insinöörit tarkistivat, että PEG on solukompatibilinen, mikä oli tärkeä huolenaihe kudostukirankojen sovelluksissa. Osana tätä testiä tiimi loi solukulttuureja, jotka asetettiin tukirankaan ja seurattiin reaktioita.
Tutkijat tarkastelivat myös prosessien kykyä tukea monimutkaisia rakenteita. Esimerkiksi he tulostivat sytokompatibilisia elinmäisiä geometrioita.

Mekaaninen lujuus ja biokompatibiliteettitulokset

Heidän testituloksensa olivat inspiroivia. Tiimi totesi, että heidän PEG‑verkostonsa oli sekä mekaanisesti kestävä että biokompatibilinen. Testi osoitti, että viljeltyjen solujen toiminta jatkui ilman haitallista reaktiota PEG‑verkostoon, avaten mahdollisuuden lääketieteellisiin käyttötarkoituksiin.

Testi paljasti myös, kuinka paljon kestävämpiä rakenteet olivat edeltäjiinsä verrattuna. Erityisesti hydrogeelit ja elastomeerit omaavat modulin, joka vaihtelee ≈1–≈100 kPa. Ne paransivat myös vetojännityksen murtokestävyyttä 1500%.

Pyyhkäise vierittääksesi →

Edistynyt arkkitehtuuri

Tutkimus osoitti, että 3D‑tulostusmenetelmä tarjoaa eniten joustavuutta rakenteellisen suunnittelun suhteen. Jokainen rakenne tulostettiin kohdennetusti ilman venyvyyden menettämistä. Lisäksi koko prosessi toteutettiin huoneenlämmössä.

3D-tulostettavien PEG-materiaalien keskeiset hyödyt

3D‑tulostettavilla PEG‑materiaaleilla on useita etuja markkinoilla. Yksi niistä on ympäristöystävällisyys. Huoneenlämpöprosessi vähentää kustannuksia ja monimutkaisuutta, mahdollistaen suurvalmisteen tuotannon tulevaisuudessa.

Monikäyttöisyys

3D‑tulostusmenetelmän monikäyttöisyyttä ei voi sivuuttaa. 3D‑tulostimien käyttö mahdollistaa insinööreille kehittyneempien rakenteiden luomisen, jotka jonain päivänä voivat olla keskeinen osa keinotekoisesti kasvatettuja elimiä ja muita edistyneitä lääketieteellisiä teknologioita.

Käytännön sovellukset ja aikajana 3D‑tulostettavalle PEG:lle

Fotokovettavien pullaharja‑PEG‑verkostojen sovelluskohteet kattavat useita toimialoja. Nämä mikroskooppiset verkostot voivat toimia perustana mikrorakenteisille metalleille, toiminnallisille biomimeettisille verisuoniverkoille ja muille. Tässä on joitakin mahdollisia sovelluksia tälle teknologialle.

MedTech

Tämän teknologian ensisijainen ja merkittävin sovellus on regeneratiivisen lääketieteen alalla. Elinten odotuslista kasvaa jatkuvasti. Valitettavasti ihmiset eivät koskaan saa tarvittavaa elintä siirtoon elämänsä parantamiseksi. Kuitenkin kyky kasvattaa ihmisen elimiä voisi lievittää tätä ongelmaa maailmanlaajuisesti ja avata uuden aikakauden lääketieteellisessä hoidossa.

Akkuteknologia

Toinen lupaava käyttötapa tälle teknologialle on voimakkaampien ja kevyempien akkujen luominen. Nämä rakenteet voivat toimia soluina, mahdollistaen erittäin korkean suorituskyvyn kiinteän tilan elektrolyytit.

Pullaharja‑PEG:n kaupallistumisen aikajana

Tämä teknologia voi tulla markkinoille seuraavan viiden vuoden aikana. Kevyempien ja kestävämpien akkuvaihtoehtojen kysyntä on vahvaa, ja tämä teknologia voi auttaa toteuttamaan tavoitteen.
Teknologian voi kestää 10 vuotta tai enemmän, ennen kuin se kehittyy riittävän pitkälle keinotekoisten elinten kasvattamiseen. Tarvitaan vielä lisää tutkimusta, mukaan lukien testaus ja sääntelyhyväksyntä, mikä voi hidastaa prosessia entisestään.

3D‑tulostetun polymeerin tutkijat

Virginian yliopiston Soft Biomatter Laboratory johti tätä tutkimusta. Julkaisussa mainitaan Baiqiang Huang, Myoeum Kim, Pu Zhang, Emmanuel Oduro, Daniel A. Rau ja Li‑Heng Cai pääasiallisina tekijöinä. Huomionarvoista on, että tämä työ perustuu muihin projekteihin, joissa tiimi loi erittäin kestäviä synteettisiä polymeereja.
Tutkimus sai rahoitusta UVA LaunchPad for Diabetes -ohjelmasta, National Science Foundation -säätiöstä, National Institutes of Health -laitoksesta ja Virginia Innovation Partnership Corporationin Commonwealth Commercialization -rahastosta.

3D‑tulostetun polymeerin tulevaisuus

Insinöörit aikovat nyt tutkia muita rakenteita ja materiaaleja. Heidän tavoitteensa on kehittää muita 3D‑tulostettavia materiaaleja, jotka tukevat erityisiä tehtäviä, avaten ovet kevyemmille ja kestävämmille tuotteille, hoidoille ja muulle.

Sijoittaminen MedTech‑innovaatiioihin

Useat biotekniikkayritykset jatkavat rajan työntämistä eteenpäin kudosten luomisen ja muiden medtech‑kehitysten osalta. Nämä yritykset käyttävät miljoonia dollareita vuosittain tutkiakseen erilaisia tapoja parantaa nykyisiä menetelmiä tai kehittää parempia. Tässä on yksi yritys, joka jatkaa innovaation edistämistä biotekniikkamarkkinoilla.

United Therapeutics

Marylandissa toimiva United Therapeutics tuli markkinoille vuonna 1996. Sen perustaja, Martine Rothblatt, havaitsi vakavan tarpeen paremmille hoidoille, kun hänen tyttärensä diagnosoitiin keuhkoverenpainetautina (PAH), ja hän perusti yrityksen kehittämään henkeä pelastavia hoitoja tälle harvinaiselle ja usein kohtalokkaalle sairaudelle.

United Therapeuticsilla on useita maailmanlaajuisesti käytettyjä hoitoja ja lääkkeitä. Erityisesti heidän päätuotteensa on Remodulin (treprostinili). Tämä lääke on osoittautunut auttavan PAH:ta ja muita sydäntä koskevia sairauksia. Ne, jotka etsivät vakiintunutta medtech‑yritystä, joka on rakennettu selkeällä tarkoituksella, tulisi tutkia tarkemmin United Therapeuticsia.

Uusimmat United Therapeutics (UTHR) -osaketuotteiden uutiset ja suorituskyky

3D‑tulostettu polymeeri | Yhteenveto

Näiden insinöörien tekemä työ vaikuttaa voimakkaasti lääketieteen ja akkujen aloihin tulevan vuosikymmenen aikana. Lisäksi se inspiroi innovaatioita useilla toimialoilla, mikä voi johtaa elintärkeitä lääketieteellisiä läpimurtoja tässä elinaikassa. Tästä syystä nämä insinöörit ansaitsevat seisovan suosionosoituksen.

Tutustu muihin mielenkiintoisiin bioteknologian läpimurtoihin Täällä.

Lähteet

^{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}