3D-printbaar PEG-polymeer kan de medische technologie revolutioneren.

Ingenieurs van de Universiteit van Virginia hebben een belangrijke doorbraak bereikt in de polymeertechnologie. Hun nieuwe ontwerp biedt meer veerkracht en flexibiliteit dan eerdere ontwerpen. Bovendien is het 3D-printbaar en veilig voor mensen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor innovaties in diverse industrieën. Dit is wat u moet weten.

Polyethyleenglycol (PEG)-netwerken

Dit onderzoek richt zich op netwerken van polyethyleenglycol (PEG). Deze structuren worden steeds vaker gebruikt in de biomedische sector, waar ze essentieel zijn voor weefselengineering, medicijnafgifte en andere levensreddende toepassingen.

Polyethyleenglycol (PEG) werd voor het eerst geproduceerd in 1859, toen de Portugese chemicus A.V. Lourenço en de Franse chemicus Charles Adolphe Wurtz onafhankelijk van elkaar producten met polyethyleenglycol beschreven. Het biomedische gebruik van PEG nam aanzienlijk toe nadat het rond het midden van de 20e eeuw in belangrijke farmacopees werd opgenomen. Sindsdien is PEG verbeterd in ontwerp en ontwikkeling. Recentelijk wordt het ook onderzocht als een veelbelovende methode voor de productie van batterijcellen.

Problemen met PEG

Ondanks de toenemende toepassingen moeten er nog verschillende nadelen worden overwonnen om het nut ervan verder te vergroten. Zo is de huidige productiemethode bijvoorbeeld duur en omslachtig.

Het maakt gebruik van een systeem op waterbasis dat de verknoping van lineaire polymeren ondersteunt. Het water dient als drager voor de structuur tijdens de kristallisatie. Nadat het polymeernetwerk is gevormd, wordt het water afgevoerd, waardoor de voltooide structuur overblijft.

Deze aanpak is tijdrovend, duur en niet schaalbaar. Bovendien zijn de resulterende PEG-netwerken erg fragiel. Deze broze kristallijne structuren missen flexibiliteit, wat hun toepassingsmogelijkheden beperkt, met name in de biomedische sector.

3D-geprinte polymeerstudie

Een team van ingenieurs heeft een manier ontdekt om PEG-netwerken gemakkelijker te produceren, waardoor flexibelere alternatieven ontstaan ​​dan de huidige mogelijkheden. De recent gepubliceerde studie beschrijft dit. Additieve fabricage van moleculaire architectuur-gecodeerde rekbare polyethyleenglycolhydrogels en -elastomeren¹ introduceert een volledig nieuwe benadering van PEG-netwerken die de potentie heeft om de acceptatie ervan te bevorderen.

Bron- Geavanceerde materialen

Waarom rekbaarheid belangrijk is bij PEG-netwerken

De kern van dit onderzoek is de wens om PEG-netwerken flexibeler te maken. Rekbare PEG-netwerken zouden meer taken kunnen vervullen. Zo zouden ze bijvoorbeeld in meer medische toepassingen en op grotere schaal gebruikt kunnen worden, met als uiteindelijk doel deze structuren te gebruiken als steiger voor de groei van synthetische organen.

Immuunveilig

Als onderdeel van dit onderzoek moest het team ervoor zorgen dat de aanpassingen aan hun PEG-netwerkmateriaal geen immuunreactie zouden veroorzaken. Je immuunsysteem detecteert vreemde indringers en verwijdert ze uit je lichaam, wat een probleem vormt bij implantaten. Daarom begonnen de ingenieurs het proces met het onderzoeken en synthetiseren van immuunveilige materialen en structuren.

3D afdrukbaar

De volgende stap was ervoor te zorgen dat het materiaal 3D-printbaar was. Dit onderzoek leidde het team uiteindelijk naar zeer rekbare PEG-gebaseerde hydrogels die oplosmiddelvrije elastomeren integreerden. Ze merkten op dat, in tegenstelling tot de op water gebaseerde aanpak, deze netwerken konden worden gecreëerd met behulp van snelle fotopolymerisatie en commercieel verkrijgbare chemicaliën.

Complexe structuren

De beslissing om 3D-printers te gebruiken was een belangrijke stap die de weg vrijmaakte voor complexere en nuttigere ontwerpmogelijkheden. Het team merkte ook op dat ze de structuren in ingewikkelde patronen kunnen veranderen door simpelweg de UV-lampen aan te passen.

Opvallend is dat ze verschillende structuren creëerden, elk met unieke voordelen. Sommige structuren waren stijf, andere konden worden uitgerekt of gebogen. Het is belangrijk om te vermelden dat ze allemaal gemaakt waren van oplosmiddelvrije elastomeren, wat hun aanpasbaarheid vergrootte.

Opvouwbare flessenborstel

De ingenieurs concludeerden dat lineaire ketens niet de beste optie waren. In plaats daarvan introduceerden ze een opvouwbare borstelconstructie. Dit ontwerp maakt gebruik van interne structuren om mechanische mogelijkheden zoals draaien, strekken en buigen toe te voegen.

De borstelstructuur zorgde ervoor dat de motoren kristallisatie konden voorkomen. Dit verbeterde op zijn beurt de duurzaamheid van de structuur. Dit nieuwe, zeer sterke polymeer kan als een accordeon worden uitgerekt zonder aan sterkte in te boeten. De ingenieurs concludeerden dat de borstelstructuur breed compatibel zou moeten zijn met de meeste PEG-gebaseerde polymeersystemen, waardoor het potentiële toepassingsgebied in de biomedische en technische sector aanzienlijk wordt uitgebreid.

gelaagdheid

Keenly bouwde de structuur op met behulp van een gelaagde aanpak. Elke laag werd onder UV-licht aangebracht, uitgehard en de volgende laag werd er bovenop geprint. Het proces duurde slechts enkele seconden en omvatte het printen van complexe geometrieën.

Testen van biocompatibiliteit en structurele prestaties

Tijdens de testfase controleerden de ingenieurs of de PEG celcompatibel was, wat een belangrijk aandachtspunt was voor gebruik in weefselsteigers. Als onderdeel van deze test creëerde het team celculturen die ze in de steiger brachten en vervolgens observeerden op reacties.

De onderzoekers onderzochten ook het vermogen van de processen om complexe structuren te ondersteunen. Zo printten ze bijvoorbeeld celcompatibele, orgaanachtige geometrieën.

Resultaten mechanische sterkte en biocompatibiliteit

Hun testresultaten waren inspirerend. Het team merkte op dat hun PEG-netwerk zowel mechanisch veerkrachtig als biocompatibel was. De test toonde aan dat de gekweekte cellen hun activiteiten voortzetten zonder nadelige reactie op het PEG-netwerk, wat de weg opent naar mogelijke medische toepassingen.

De test bracht ook aan het licht hoe veel duurzamer de structuren waren in vergelijking met hun voorgangers. De hydrogels en elastomeren hadden moduli variërend van ≈1 tot ≈100 kPa. Ook de treksterkte was met 1500% verbeterd.

Veeg om te scrollen →

Geavanceerde architectuur

Uit het onderzoek bleek dat 3D-printen de meeste flexibiliteit biedt op het gebied van structureel ontwerp. Elke structuur werd doelgericht geprint zonder verlies van rekbaarheid. Bovendien werd het hele proces bij kamertemperatuur uitgevoerd.

Belangrijkste voordelen van 3D-printbare PEG-materialen

3D-printbare PEG-materialen bieden diverse voordelen. Zo zijn ze bijvoorbeeld milieuvriendelijker. Het productieproces bij kamertemperatuur verlaagt de kosten en complexiteit, waardoor grootschalige productie in de toekomst mogelijk wordt.

Veelzijdigheid

De veelzijdigheid van 3D-printen mag niet worden onderschat. Het gebruik van 3D-printers stelt ingenieurs in staat om complexere structuren te creëren, die op een dag een cruciaal onderdeel zouden kunnen vormen van kunstmatig gekweekte organen en andere geavanceerde medische technologieën.

Praktische toepassingen en tijdlijn voor 3D-printbare PEG

De lijst met toepassingen voor fotohardende PEG-netwerken met borstelstructuur omvat diverse industrieën. Deze microscopische netwerken zouden kunnen dienen als basis voor micro-geconstrueerde metalen, functionele biomimetische vaatnetwerken en meer. Hieronder volgen enkele mogelijke toepassingen voor deze technologie.

MedTech

De belangrijkste en meest significante toepassing van deze technologie ligt op het gebied van regeneratieve geneeskunde. De wachtlijst voor organen blijft groeien. Helaas zullen mensen nooit het orgaan ontvangen dat nodig is voor een transplantatie om hun leven te verbeteren. De mogelijkheid om menselijke organen te kweken zou dit probleem echter wereldwijd kunnen verlichten en een nieuw tijdperk in de medische zorg inluiden.

Batterijtechnologie

Een andere veelbelovende toepassing voor deze technologie is de ontwikkeling van krachtigere en lichtere batterijen. Deze structuren zouden als cellen kunnen fungeren, waardoor ultra-hoogwaardige solid-state elektrolyten mogelijk worden.

Commercialiseringsplanning voor Bottlebrush PEG

Deze technologie zou binnen de komende 5 jaar op de markt kunnen komen. Er is een grote vraag naar lichtere en robuustere batterijen, en deze technologie zou kunnen helpen om dat doel te bereiken.

Het kan nog wel 10 jaar of langer duren voordat de technologie voldoende is ontwikkeld om te worden gebruikt voor het kweken van kunstmatige organen. Er is nog meer onderzoek nodig, waaronder testen en goedkeuring door regelgevende instanties, wat het proces verder zou kunnen vertragen.

Onderzoekers naar 3D-geprinte polymeren

Het Soft Biomatter Laboratory van de Universiteit van Virginia leidde dit onderzoek. In het artikel worden Baiqiang Huang, Myoeum Kim, Pu Zhang, Emmanuel Oduro, Daniel A. Rau en Li-Heng Cai genoemd als de belangrijkste medewerkers. Opvallend is dat dit werk voortbouwt op andere projecten waarin dit team ultraduurzame synthetische polymeren heeft ontwikkeld.

Het onderzoek werd gefinancierd door de UVA LaunchPad for Diabetes, de National Science Foundation, de National Institutes of Health en het Commonwealth Commercialization-fonds van de Virginia Innovation Partnership Corporation.

De toekomst van 3D-geprinte polymeren

De ingenieurs gaan nu andere structuren en materialen onderzoeken. Hun doel is om andere 3D-printbare materialen te ontwikkelen die specifieke taken ondersteunen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor lichtere en duurzamere producten, behandelingen en meer.

Investeren in innovaties in de medische technologie

Verschillende biotechnologiebedrijven blijven de grenzen verleggen op het gebied van weefselcreatie en andere medische technologieën. Deze bedrijven investeren jaarlijks miljoenen in onderzoek naar manieren om bestaande methoden te verbeteren of betere technieken te ontwikkelen. Hier is een voorbeeld van een bedrijf dat de innovatie in de biotechnologiesector blijft stimuleren.

United Therapeutica

Het in Maryland gevestigde United Therapeutics betrad de markt in 1996. De oprichtster, Martine Rothblatt, zag een grote behoefte aan betere behandelingen nadat bij haar dochter pulmonale arteriële hypertensie (PAH) was vastgesteld. Ze bouwde het bedrijf op rond de ontwikkeling van levensreddende therapieën voor deze zeldzame en vaak fatale ziekte.

United Therapeutics heeft diverse behandelingen en medicijnen die wereldwijd worden gebruikt. Hun belangrijkste product is Remodulin (treprostinil). Van dit medicijn is gebleken dat het kan helpen bij pulmonale arteriële hypertensie (PAH) en andere hartgerelateerde aandoeningen. Wie op zoek is naar een gevestigd medisch-technologisch bedrijf met een duidelijke missie, zou zich verder moeten verdiepen in United Therapeutics.

Het laatste nieuws en de prestaties van het aandeel United Therapeutics (UTHR).

3D-geprint polymeer | Conclusie

Het werk van deze ingenieurs zal de komende tien jaar een grote impact hebben op de medische sector en de batterij-industrie. Bovendien zal het innovatie in diverse sectoren stimuleren, wat mogelijk kan leiden tot levensreddende medische doorbraken tijdens ons leven. Daarom verdienen deze ingenieurs een staande ovatie.

Ontdek andere interessante doorbraken in de biotechnologie. Hier.

Referenties

^{1. Huang, B., Kim, M., Zhang, P., Oduro, E., Rau, DA, & Cai, H. Additieve productie van rekbare polyethyleenglycolhydrogels en -elastomeren met moleculaire architectuurcodering. Advanced Materials, e12806. https://doi.org/10.1002/adma.202512806}