Il polimero PEG stampabile in 3D potrebbe trasformare la tecnologia medica

Gli ingegneri dell'Università della Virginia hanno compiuto una svolta significativa nella tecnologia dei polimeri. Il loro nuovo design offre maggiore resilienza e flessibilità rispetto ai modelli precedenti. Inoltre, è stampabile in 3D e sicuro per l'uomo, aprendo la strada all'innovazione in diversi settori. Ecco cosa c'è da sapere.

Reti di polietilenglicole (PEG)

Questo lavoro si concentra sulle reti di polietilenglicole (PEG). Queste strutture hanno trovato sempre maggiore adozione in campo biomedico, dove sono fondamentali per l'ingegneria tissutale, la somministrazione di farmaci e altre applicazioni salvavita.

Il polietilenglicole fu prodotto per la prima volta nel 1859, quando il chimico portoghese A. V. Lourenço e il chimico francese Charles Adolphe Wurtz, indipendentemente l'uno dall'altro, riportarono la produzione di prodotti a base di polietilenglicole. L'uso biomedico del PEG si espanse significativamente dopo la sua inclusione nelle principali farmacopee, intorno alla metà del XX secolo. Da allora, il PEG ha migliorato la sua progettazione e il suo sviluppo. Recentemente, è stato esplorato anche come una valida soluzione per la produzione di celle per batterie.

Problemi con PEG

Nonostante le sue crescenti applicazioni, restano ancora diversi inconvenienti da superare per migliorarne ulteriormente l'utilità. Innanzitutto, l'attuale metodo di produzione è costoso e macchinoso.

Utilizza un sistema a base d'acqua che supporta la reticolazione dei polimeri lineari. L'acqua funge da supporto per la struttura durante la cristallizzazione. Dopo la formazione della rete polimerica, l'acqua viene drenata, lasciando la struttura finita.

Questo approccio è dispendioso in termini di tempo, costoso e non scalabile. Inoltre, le reti PEG risultanti sono molto fragili. Queste fragili strutture cristalline mancano di flessibilità, il che ne limita le applicazioni, soprattutto in ambito biomedico.

Studio sui polimeri stampati in 3D

Un team di ingegneri ha appena scoperto un modo per produrre reti PEG più facilmente, offrendo alternative più flessibili rispetto alle opzioni attuali. Lo studio è stato recentemente pubblicato. Produzione additiva di idrogel ed elastomeri di polietilenglicole estensibili codificati con architettura molecolare¹ introduce un approccio completamente nuovo alle reti PEG che ha il potenziale per favorirne l'adozione.

Source- Materiali Avanzati

Perché l'elasticità è importante nelle reti PEG

Al centro di questa ricerca c'è il desiderio di rendere le reti PEG più flessibili. Le reti PEG estensibili potrebbero svolgere più funzioni. Ad esempio, potrebbero essere utilizzate in più applicazioni mediche e su larga scala, con l'obiettivo finale di utilizzare queste strutture come impalcature per la crescita di organi sintetici.

Sicuro per il sistema immunitario

Nell'ambito di questo studio, il team doveva garantire che le alterazioni del materiale della rete PEG non causassero alcuna risposta immunitaria. Il sistema immunitario rileva gli intrusi estranei e li rimuove dall'organismo, il che diventa un problema quando si parla di impianti. Pertanto, gli ingegneri hanno avviato il processo esplorando e sintetizzando materiali e strutture sicuri per il sistema immunitario.

3D stampabile

Il passo successivo è stato garantire che il materiale fosse stampabile in 3D. Questa ricerca ha portato il team a sviluppare idrogel a base di PEG altamente estensibili che integravano elastomeri privi di solventi. Hanno notato che, a differenza dell'approccio a base d'acqua, queste reti potevano essere create utilizzando una fotopolimerizzazione rapida e prodotti chimici commerciali disponibili.

Strutture Complesse

La decisione di affidarsi alle stampanti 3D è stata un passo fondamentale che ha aperto la strada a parametri di progettazione più complessi e utili. Il team ha anche notato che è possibile modificare le strutture in modelli complessi semplicemente regolando le luci UV.

In particolare, crearono diverse strutture, ciascuna con i suoi vantaggi specifici. Alcune strutture erano rigide, altre potevano essere allungate o piegate. In particolare, ciascuna di esse era realizzata utilizzando elastomeri privi di solventi, che ne miglioravano la adattabilità.

Scovolino pieghevole

Gli ingegneri hanno capito che le catene lineari non erano la soluzione migliore. Hanno invece introdotto un'architettura pieghevole a scovolino. Questo design utilizza strutture interne per aggiungere capacità meccaniche come torsione, allungamento e piegatura.

L'architettura a scovolino ha permesso ai motori di prevenire la cristallizzazione, migliorando a sua volta la durabilità della struttura. Questo nuovo polimero ad alta resistenza può essere fatto estendere come una fisarmonica senza comprometterne la resistenza. Gli ingegneri hanno concluso che l'architettura a scovolino dovrebbe essere ampiamente compatibile con la maggior parte dei sistemi polimerici a base di PEG, ampliando significativamente il suo potenziale di applicazioni biomediche e ingegneristiche.

stratificazione

Con attenzione, il team ha realizzato la struttura utilizzando un approccio a strati. Ogni strato è stato creato sotto la luce UV, polimerizzato e lo strato successivo è stato sovrapposto. Il processo ha richiesto pochi secondi e ha incluso la stampa di geometrie complesse.

Test di biocompatibilità e prestazioni strutturali

Nella fase di test, gli ingegneri hanno verificato la compatibilità del PEG con le cellule, un aspetto fondamentale per l'impiego nelle applicazioni di scaffolding tissutale. Nell'ambito di questo test, il team ha creato colture cellulari che hanno introdotto nello scaffolding e ne hanno poi monitorato le reazioni.

I ricercatori hanno anche esaminato la capacità dei processi di supportare strutture complesse. Ad esempio, hanno stampato geometrie citocompatibili simili a quelle degli organi.

Risultati di resistenza meccanica e biocompatibilità

I risultati dei test sono stati incoraggianti. Il team ha notato che la rete PEG era sia meccanicamente resistente che biocompatibile. Il test ha dimostrato che le cellule coltivate hanno continuato la loro attività senza reazioni avverse alla rete PEG, aprendo la strada a possibili usi medici.

Il test ha anche rivelato quanto le strutture fossero più resistenti rispetto ai loro predecessori. Nello specifico, gli idrogel e gli elastomeri presentavano moduli elastici compresi tra circa 1 e circa 100 kPa. Hanno anche migliorato la resistenza alla rottura a trazione del 1500%.

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Architettura avanzata

Lo studio ha dimostrato che il metodo di stampa 3D offre la massima flessibilità in termini di progettazione strutturale. Ogni struttura è stata stampata in modo mirato senza alcuna perdita di elasticità. Inoltre, l'intero processo è stato condotto a temperatura ambiente.

Principali vantaggi dei materiali PEG stampabili in 3D

I materiali PEG stampabili in 3D offrono diversi vantaggi al mercato. Innanzitutto, sono più ecocompatibili. Il processo a temperatura ambiente riduce costi e complicazioni, consentendone la produzione su larga scala in futuro.

Versatilità

La versatilità dell'approccio basato sulla stampa 3D non può essere trascurata. L'uso delle stampanti 3D consente agli ingegneri di creare strutture più avanzate, che un giorno potrebbero diventare componenti essenziali per organi artificiali e altre tecnologie mediche avanzate.

Applicazioni reali e tempistiche per PEG stampabile in 3D

L'elenco delle applicazioni delle reti PEG fotopolimerizzabili a scovolino comprende diversi settori. Queste reti microscopiche potrebbero fungere da base per metalli micro-architettati, reti vascolari biomimetiche funzionali e altro ancora. Ecco alcune potenziali applicazioni per questa tecnologia.

MedTech

L'applicazione principale e più significativa di questa tecnologia è nel campo della medicina rigenerativa. La lista d'attesa per gli organi continua a crescere. Purtroppo, le persone non riceveranno mai l'organo necessario per sottoporsi a un trapianto che migliorerà la loro vita. Tuttavia, la capacità di coltivare organi umani potrebbe alleviare questo problema a livello globale e inaugurare una nuova era nell'assistenza medica.

Tecnologia della batteria

Un altro promettente caso d'uso per questa tecnologia è la creazione di batterie più potenti e leggere. Queste strutture potrebbero fungere da celle, consentendo la produzione di elettroliti allo stato solido ad altissime prestazioni.

Cronologia della commercializzazione di Bottlebrush PEG

Questa tecnologia potrebbe arrivare sul mercato entro i prossimi 5 anni. C'è una forte domanda di batterie più leggere e resistenti, e questa tecnologia potrebbe contribuire a rendere questo obiettivo una realtà.

Potrebbero volerci 10 anni o più prima che la tecnologia sia sufficientemente avanzata da poter essere utilizzata per la produzione di organi artificiali. Sono ancora in corso ulteriori ricerche, inclusi test e autorizzazioni normative, che potrebbero rallentare ulteriormente il processo.

Ricercatori di polimeri stampati in 3D

Questo studio è stato condotto dal Soft Biomatter Laboratory dell'Università della Virginia. L'articolo cita Baiqiang Huang, Myoeum Kim, Pu Zhang, Emmanuel Oduro, Daniel A. Rau e Li-Heng Cai come i principali contributori. In particolare, questo lavoro si basa su altri progetti in cui il team ha creato polimeri sintetici ultra-durevoli.

Lo studio ha ricevuto finanziamenti dall'UVA LaunchPad for Diabetes, dalla National Science Foundation, dai National Institutes of Health e dal Commonwealth Commercialization Fund della Virginia Innovation Partnership Corporation.

Il futuro dei polimeri stampati in 3D

Gli ingegneri ora cercheranno di studiare altre strutture e materiali. Il loro obiettivo è sviluppare altri materiali stampabili in 3D che supportino compiti specifici, aprendo la strada a prodotti, trattamenti e altro ancora più leggeri e durevoli.

Investire nelle innovazioni MedTech

Diverse aziende biotecnologiche continuano a spingersi oltre i limiti in termini di creazione di tessuti e altri sviluppi in ambito medtech. Queste aziende spendono milioni di dollari ogni anno nella ricerca di diversi modi per migliorare gli approcci attuali o sviluppare metodi più efficaci. Ecco un'azienda che continua a guidare l'innovazione nel mercato biotecnologico.

Terapia Unita

United Therapeutics, con sede nel Maryland, è entrata nel mercato nel 1996. La sua fondatrice, Martine Rothblatt, si è resa conto della necessità urgente di trattamenti migliori dopo che a sua figlia è stata diagnosticata l'ipertensione arteriosa polmonare (PAH) e ha fondato l'azienda concentrandosi sullo sviluppo di terapie salvavita per questa malattia rara e spesso fatale.

United Therapeutics offre diversi trattamenti e farmaci utilizzati a livello globale. In particolare, il suo prodotto principale è il Remodulin (treprostinil). Questo farmaco si è dimostrato efficace nel trattamento della PAH e di altre patologie cardiache. Chi è alla ricerca di un'azienda medtech affermata, fondata con uno scopo chiaro, dovrebbe approfondire la conoscenza di United Therapeutics.

Ultime notizie e performance delle azioni United Therapeutics (UTHR)

Polimero stampato in 3D | Conclusione

Il lavoro svolto da questi ingegneri avrà un forte impatto sui settori medico e delle batterie nel prossimo decennio. Inoltre, contribuirà a ispirare l'innovazione in diversi settori, il che potrebbe portare a scoperte mediche salvavita in questa vita. Pertanto, questi ingegneri meritano una standing ovation.

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Referenze

^{1. Huang, B., Kim, M., Zhang, P., Oduro, E., Rau, DA e Cai, H. Produzione additiva di idrogel ed elastomeri di polietilenglicole estensibili codificati con architettura molecolare. Materiali avanzati, e12806. https://doi.org/10.1002/adma.202512806}