3D-printbare PEG-polymeer kan MedTech transformeren

University of Virginia engineers have made a significant breakthrough in polymer technology. Their new design offers greater resilience and flexibility than predecessors. Additionally, it’s 3D printable and human safe, opening the door for innovations across several industries. Here’s what you need to know.

Polyethyleenglycol (PEG) netwerken

Dit onderzoek richt zich op Polyethyleenglycol (PEG) netwerken. Deze structuren worden steeds vaker toegepast in de biomedische sector, waar ze cruciaal zijn voor weefselengineering, geneesmiddelafgifte en andere levensreddende toepassingen.
Polyethyleenglycol werd voor het eerst geproduceerd in 1859, toen de Portugese chemicus A.V. Lourenço en de Franse chemicus Charles Adolphe Wurtz onafhankelijk polyethyleenglycol-producten rapporteerden. Het biomedische gebruik van PEG breidde zich aanzienlijk uit nadat het in de midden van de 20e eeuw in belangrijke farmacopeeën werd opgenomen. Sindsdien is PEG verbeterd in ontwerp en ontwikkeling. Recentelijk is het ook onderzocht als een levensvatbare manier om batterijen te maken.

Problemen met PEG

Ondanks de groeiende toepassingen blijven er verschillende nadelen die overwonnen moeten worden om het nut verder te vergroten. Ten eerste is de huidige productiemethode duur en omslachtig.

Het maakt gebruik van een op water gebaseerd systeem dat de crosslinking van lineaire polymeren ondersteunt. Het water fungeert als steun voor de structuur tijdens het kristalliseren. Nadat het polymeer netwerk is gevormd, wordt het water afgevoerd, waardoor de afgewerkte structuur overblijft.

Deze aanpak is tijdrovend, duur en niet schaalbaar. Bovendien zijn de resulterende PEG-netwerken zeer fragiel. Deze broze kristallijne structuren missen flexibiliteit, waardoor hun toepassingen beperkt worden, vooral bij biomedische toepassingen.

3D-geprint Polymeeronderzoek

Een team ingenieurs heeft zojuist een manier ontdekt om PEG-netwerken gemakkelijker te produceren, waardoor flexibelere alternatieven ontstaan dan de huidige opties. De recent gepubliceerde studie Additive Manufacturing of Molecular Architecture Encoded Stretchable Polyethylene Glycol Hydrogels and Elastomers¹ introduceert een geheel nieuwe benadering van PEG-netwerken die de adoptie kan versnellen.

Bron- Advanced Materials

Waarom rekbaarheid belangrijk is in PEG-netwerken

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

Immuunveilig

Als onderdeel van deze studie moest het team ervoor zorgen dat hun aanpassingen aan het PEG-netwerkmateriaal geen immuunrespons zouden veroorzaken. Het immuunsysteem detecteert vreemde indringers en verwijdert ze uit het lichaam, wat problematisch is bij implantaten. Daarom begonnen de ingenieurs met het verkennen en synthetiseren van immuunveilige materialen en structuren.

3D-printbaar

De volgende stap was te garanderen dat het materiaal 3D-printbaar was. Dit onderzoek leidde uiteindelijk tot zeer rekbare PEG-gebaseerde hydrogel die oplosmiddelvrije elastomeren integreerden. Ze merkten op dat, in tegenstelling tot de watergebaseerde aanpak, deze netwerken konden worden gecreëerd met snelle fotopolymerisatie en beschikbare commerciële chemicaliën.

Complexe structuren

De beslissing om 3D-printers te gebruiken was een belangrijke stap die de deur opende voor meer ingewikkelde en bruikbare ontwerpparameters. Het team merkte ook op dat ze de structuren in complexe patronen kunnen omzetten door simpelweg de UV-lichten aan te passen.
Opmerkelijk is dat ze verschillende structuren hebben gecreëerd, elk met unieke voordelen. Sommige structuren waren stijf, andere konden worden uitgerekt of gebogen. Elk werd gemaakt met oplosmiddelvrije elastomeren, wat hun aanpasbaarheid verbeterde.

Opvouwbare bottlebrush

De ingenieurs bepaalden dat lineaire ketens niet de beste optie waren. In plaats daarvan introduceerden ze een opvouwbare bottlebrush-architectuur. Dit ontwerp maakt gebruik van interne structuren om mechanische mogelijkheden toe te voegen zoals draaien, rekken en buigen.
De bottlebrush-architectuur stelde de motoren in staat kristallisatie te voorkomen. Hierdoor werd de duurzaamheid van de structuur verbeterd. Dit nieuwe hogesterktepolymeer kan worden uitgerekt als een accordeon zonder aan sterkte in te boeten. De ingenieurs concludeerden dat de bottlebrush-architectuur breed compatibel moet zijn met de meeste PEG-gebaseerde polymeersystemen, waardoor het potentieel voor biomedische en technische toepassingen aanzienlijk wordt uitgebreid.

Lagen

Het team bouwde de structuur zorgvuldig op met een gelaagde aanpak. Elke laag werd onder UV-licht gecreëerd, uitgehard, en de volgende laag werd erbovenop gebouwd. Het proces duurde enkele seconden en omvatte het printen van complexe geometrieën.

Testen van biocompatibiliteit en structurele prestaties

In de testfase controleerden de ingenieurs of het PEG celcompatibel was, wat een belangrijk aandachtspunt was voor gebruik in weefsel-scaffold-toepassingen. Als onderdeel van deze test creëerde het team celculturen die ze aan het scaffold toevoegden en vervolgens monitoren op reacties.
De onderzoekers onderzochten ook het vermogen van de processen om complexe structuren te ondersteunen. Ze printten bijvoorbeeld cytocompatibele, orgaanachtige geometrieën.

Mechanische sterkte & biocompatibiliteit resultaten

De 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 negatieve reactie op het PEG-netwerk, waardoor de deur wordt geopend naar mogelijke medische toepassingen.

De test toonde ook aan hoe veel duurzamer de structuren waren vergeleken met hun voorgangers. Specifiek hadden de hydrogel en elastomeren een modulus variërend van ≈1 tot ≈100 kPa. Ze verbeterden ook de trekbreukspanning met 1500%.

Veeg om te scrollen →

Geavanceerde architectuur

De studie toonde aan dat de 3D-printmethode de meeste flexibiliteit biedt qua structureel ontwerp. Elke structuur werd gericht geprint zonder verlies van rekbaarheid. Bovendien werd het gehele proces uitgevoerd bij kamertemperatuur.

Belangrijkste voordelen van 3D-printbare PEG-materialen

Er zijn verschillende voordelen die 3D-printbare PEG-materialen op de markt brengen. Ten eerste zijn ze milieuvriendelijker. Het proces bij kamertemperatuur verlaagt kosten en complicaties, waardoor grootschalige productie in de toekomst mogelijk wordt.

Veelzijdigheid

De veelzijdigheid van de 3D-printbenadering kan niet worden over het hoofd gezien. Het gebruik van 3D-printers stelt ingenieurs in staat meer geavanceerde structuren te creëren, die op een dag een cruciaal onderdeel kunnen worden van kunstmatig gekweekte organen en andere geavanceerde medische technologieën.

Toepassingen in de praktijk & tijdlijn voor 3D-printbare PEG

De lijst met toepassingen voor fotogeregelde bottlebrush PEG-netwerken omvat verschillende sectoren. Deze microscopische netwerken kunnen dienen als basis voor micro-gestructureerde metalen, functionele biomimetische vasculaire netwerken en meer. Hieronder staan enkele potentiële 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 veel mensen nooit het benodigde orgaan ontvangen voor een transplantatie om hun leven te verbeteren. Echter, het vermogen om menselijke organen te laten groeien kan dit wereldwijde probleem verlichten en een nieuw tijdperk van medische zorg inluiden.

Batterijtechnologie

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

Commercialisatietijdlijn voor Bottlebrush PEG

Deze technologie zou binnen de komende 5 jaar op de markt kunnen komen. Er is een sterke vraag naar lichtere, meer veerkrachtige batterijopties, en deze technologie kan helpen dat doel te realiseren.
Het kan 10 jaar of langer duren voordat de technologie voldoende ontwikkeld is om te worden gebruikt voor het kweken van kunstmatige organen. Er is nog meer onderzoek nodig, inclusief testen en regelgevende goedkeuring, wat het proces verder kan vertragen.

3D-geprint Polymeeronderzoekers

Het Soft Biomatter Laboratory van de Universiteit van Virginia leidde dit onderzoek. Het artikel vermeldt Baiqiang Huang, Myoeum Kim, Pu Zhang, Emmanuel Oduro, Daniel A. Rau en Li-Heng Cai als de belangrijkste bijdragers. Opmerkelijk is dat dit werk voortbouwt op andere projecten waarin dit team ultra-duurzame synthetische polymeren heeft gecreëerd.
Het onderzoek kreeg financiering van 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.

Toekomst van 3D-geprint Polymeer

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

Investeren in MedTech-innovaties

Verschillende biotechbedrijven blijven de grenzen verleggen op het gebied van weefselcreatie en andere medtech-ontwikkelingen. Deze bedrijven besteden jaarlijks miljoenen aan onderzoek naar verschillende manieren om huidige benaderingen te verbeteren of betere methoden te ontwikkelen. Hier is één bedrijf dat innovatie in de biotechmarkt blijft stimuleren.

United Therapeutics

United Therapeutics, gevestigd in Maryland, betrad de markt in 1996. Oprichter Martine Rothblatt zag een dringende behoefte aan betere behandelingen nadat haar dochter de diagnose pulmonale arteriële hypertensie (PAH) kreeg, en zij richtte het bedrijf op om levensreddende therapieën te ontwikkelen voor deze zeldzame en vaak dodelijke ziekte.

United Therapeutics heeft verschillende behandelingen en medicijnen die wereldwijd worden gebruikt. Hun belangrijkste product is Remodulin (treprostinil). Dit medicijn blijkt te helpen bij PAH en andere hartgerelateerde aandoeningen. Wie op zoek is naar een gevestigd medtech-bedrijf dat met een duidelijk doel is opgericht, zou verder onderzoek moeten doen naar United Therapeutics.

Laatste United Therapeutics (UTHR) aandelennieuws en prestaties

3D-geprint Polymeer | Conclusie

Het werk van deze ingenieurs zal de komende decennium een sterke impact hebben op de medische en batterijsectoren. Bovendien zal het innovatie in verschillende industrieën stimuleren, wat kan leiden tot levensreddende medische doorbraken in dit leven. Daarom verdienen deze ingenieurs een staande ovatie.

Leer meer over andere interessante biotechdoorbraken Here.

Referenties

^{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}