3D‑printbart PEG‑polymer kan transformere MedTech

Ingeniører ved University of Virginia har oppnådd et betydelig gjennombrudd innen polymerteknologi. Den nye konstruksjonen er mer robust og fleksibel enn tidligere løsninger. Den kan dessuten 3D-printes og er trygg for mennesker, noe som åpner for innovasjon i en rekke bransjer. Her er det du trenger å vite.

Polyetylenglykol (PEG)‑nettverk

Arbeidet dreier seg om nettverk av polyetylenglykol (PEG). Disse strukturene brukes stadig mer innen biomedisin, der de er avgjørende for blant annet vevsteknologi, legemiddellevering og andre livreddende anvendelser.

Polyetylenglykol ble først fremstilt i 1859, da den portugisiske kjemikeren A. V. Lourenço og den franske kjemikeren Charles Adolphe Wurtz uavhengig av hverandre beskrev polyetylenglykolprodukter. Den biomedisinske bruken av PEG økte kraftig etter at stoffet ble tatt inn i sentrale farmakopeer rundt midten av 1900-tallet. Siden den gang har utformingen og utviklingen av PEG blitt forbedret. I nyere tid er materialet også undersøkt som en mulig måte å lage battericeller på.

Problemer med PEG

Til tross for stadig flere bruksområder gjenstår flere ulemper som må løses for å øke nytten ytterligere. Dagens produksjonsmetode er blant annet dyr og tungvint.

Metoden bruker et vannbasert system som støtter kryssbindingen av lineære polymerer. Vannet fungerer som støtte mens strukturen krystalliserer. Når polymernettverket er dannet, tappes vannet ut, og den ferdige strukturen blir stående igjen.

Fremgangsmåten er tidkrevende, kostbar og vanskelig å skalere. PEG-nettverkene som dannes, er dessuten svært skjøre. De sprø, krystallinske strukturene mangler fleksibilitet, noe som begrenser bruksområdene, særlig innen biomedisin.

3D‑printet polymerstudie

Et ingeniørteam har nå funnet en enklere måte å produsere PEG-nettverk på, med mer fleksible alternativer enn dagens løsninger. Den nylig publiserte studien Additiv produksjon av strekkbare polyetylenglykolhydrogeler og -elastomerer med kodet molekylarkitektur¹ presenterer en helt ny tilnærming til PEG-nettverk som kan bidra til økt utbredelse.

Kilde- Advanced Materials

Hvorfor strekkbarhet er viktig i PEG‑nettverk

Kjernen i forskningen er ønsket om å gjøre PEG-nettverk mer fleksible. Strekkbare nettverk kan fylle flere funksjoner og brukes i flere medisinske anvendelser og i større skala. Det langsiktige målet er å bruke strukturene som stillas for dyrking av syntetiske organer.

Immunosikker

Som en del av studien måtte teamet sikre at endringene i materialet ikke utløste en immunreaksjon. Immunsystemet oppdager fremmede elementer og fjerner dem fra kroppen, noe som skaper problemer ved implantater. Ingeniørene startet derfor med å undersøke og syntetisere materialer og strukturer som er trygge for immunsystemet.

3D‑printbar

Neste trinn var å sikre at materialet kunne 3D-printes. Forskningen førte til svært strekkbare PEG-baserte hydrogeler med løsemiddelfrie elastomerer. Forskerne påpekte at nettverkene, i motsetning til den vannbaserte metoden, kunne fremstilles ved rask fotopolymerisering og med tilgjengelige kommersielle kjemikalier.

Komplekse strukturer

Beslutningen om å bruke 3D-printere var et viktig steg som åpnet for mer avanserte og nyttige konstruksjonsparametere. Teamet fant også at strukturene kunne formes til innviklede mønstre ganske enkelt ved å justere UV-lyset.

Forskerne laget flere ulike strukturer med hver sine fordeler. Noen var stive, mens andre kunne strekkes eller bøyes. Alle ble fremstilt med løsemiddelfrie elastomerer, noe som økte tilpasningsevnen.

Foldbar flaske‑børste

Ingeniørene konkluderte med at lineære kjeder ikke var det beste alternativet. I stedet innførte de en sammenleggbar flaskebørstearkitektur. Konstruksjonen bruker interne strukturer til å gi mekaniske egenskaper som vridning, strekking og bøying.

Flaskebørstearkitekturen gjorde det mulig å hindre krystallisering og dermed forbedre strukturens holdbarhet. Den nye, svært sterke polymeren kan strekkes som et trekkspill uten å miste styrke. Ingeniørene konkluderte med at arkitekturen bør være kompatibel med de fleste PEG-baserte polymersystemer, noe som utvider mulige biomedisinske og tekniske bruksområder betydelig.

Lagdeling

Teamet bygget opp strukturen lag for lag. Hvert lag ble dannet under UV-lys og herdet før neste lag ble lagt oppå. Prosessen tok bare noen sekunder og omfattet utskrift av komplekse geometrier.

Testing av biokompatibilitet og strukturell ytelse

I testfasen undersøkte ingeniørene om PEG-materialet var kompatibelt med celler, noe som er avgjørende ved bruk som vevsstillas. De laget cellekulturer, plasserte dem i stillaset og overvåket deretter eventuelle reaksjoner.

Forskerne undersøkte også om prosessen kunne støtte komplekse strukturer. De printet blant annet cellekompatible, organlignende geometrier.

Mekanisk styrke og biokompatibilitet – resultater

Testresultatene var lovende. Teamet fant at PEG-nettverket både var mekanisk robust og biokompatibelt. De dyrkede cellene fortsatte aktiviteten uten negative reaksjoner på nettverket, noe som åpner for mulige medisinske bruksområder.

Testene viste også at strukturene var langt mer holdbare enn forgjengerne. Hydrogelene og elastomerene hadde moduler fra omtrent 1 til 100 kPa. Bruddforlengelsen ved strekk ble dessuten forbedret med 1500 %.

Sveip for å rulle →

Avansert arkitektur

Studien viste at 3D-printmetoden gir størst fleksibilitet i den strukturelle utformingen. Hver struktur ble printet målrettet uten tap av strekkbarhet. Hele prosessen ble dessuten gjennomført ved romtemperatur.

Nøkkelfordeler med 3D‑printbare PEG‑materialer

3D-printbare PEG-materialer gir flere fordeler. De er blant annet mer miljøvennlige. Prosessen ved romtemperatur reduserer kostnader og kompleksitet og kan muliggjøre produksjon i stor skala i fremtiden.

Allsidighet

Allsidigheten ved 3D-printmetoden er en viktig fordel. Med 3D-printere kan ingeniører lage mer avanserte strukturer som en dag kan bli sentrale komponenter i kunstig dyrkede organer og annen avansert medisinsk teknologi.

Virkelige anvendelser og tidslinje for 3D‑printbar PEG

Fotoherdende PEG-nettverk med flaskebørstearkitektur kan brukes i flere bransjer. De mikroskopiske nettverkene kan danne grunnlag for mikroarkitekterte metaller, funksjonelle biomimetiske karnettverk og mye mer. Her er noen mulige bruksområder.

MedTech

Det viktigste bruksområdet for teknologien er regenerativ medisin. Ventelistene for organer fortsetter å vokse, og mange får aldri organet de trenger til en transplantasjon som kan forbedre livet deres. Muligheten til å dyrke menneskelige organer kan redusere problemet globalt og innlede en ny æra innen medisinsk behandling.

Batteriteknologi

Et annet lovende bruksområde er utvikling av kraftigere og lettere batterier. Strukturene kan fungere som celler og muliggjøre faststoffelektrolytter med svært høy ytelse.

Kommercialiseringstidslinje for flaske‑børste‑PEG

Teknologien kan komme på markedet i løpet av de neste fem årene. Etterspørselen etter lettere og mer robuste batteriløsninger er stor, og denne teknologien kan bidra til å gjøre målet til virkelighet.

Det kan ta ti år eller mer før teknologien er avansert nok til å brukes til dyrking av kunstige organer. Det gjenstår fortsatt forskning, testing og regulatoriske godkjenninger, noe som kan forsinke prosessen ytterligere.

3D‑printede polymerforskere

Studien ble ledet av Soft Biomatter Laboratory ved University of Virginia. Artikkelen oppgir Baiqiang Huang, Myoeum Kim, Pu Zhang, Emmanuel Oduro, Daniel A. Rau og Li-Heng Cai som hovedbidragsytere. Arbeidet bygger på andre prosjekter der teamet utviklet svært holdbare syntetiske polymerer.

Studien fikk finansiering fra UVA LaunchPad for Diabetes, National Science Foundation, National Institutes of Health og Commonwealth Commercialization Fund hos Virginia Innovation Partnership Corporation.

Fremtiden for 3D‑printede polymerer

Ingeniørene vil nå undersøke andre strukturer og materialer. Målet er å utvikle flere 3D-printbare materialer for bestemte oppgaver og dermed åpne for lettere og mer holdbare produkter, behandlinger og andre løsninger.

Investering i MedTech‑innovasjoner

Flere bioteknologiselskaper fortsetter å flytte grensene for vevsproduksjon og annen medisinsk teknologi. De bruker hvert år millioner på å undersøke hvordan dagens tilnærminger kan forbedres eller erstattes med bedre metoder. Følgende selskap fortsetter å drive innovasjon i bioteknologimarkedet.

United Therapeutics

Maryland-baserte United Therapeutics (UTHR ) kom på markedet i 1996. Grunnlegger Martine Rothblatt så et akutt behov for bedre behandlinger etter at datteren fikk diagnosen pulmonal arteriell hypertensjon (PAH). Hun bygget selskapet rundt utviklingen av livreddende behandlinger for denne sjeldne og ofte dødelige sykdommen.

United Therapeutics tilbyr flere behandlinger og legemidler som brukes globalt. Hovedproduktet er Remodulin (treprostinil), som har vist seg å hjelpe ved PAH og andre hjertelidelser. Investorer som søker et etablert medisinsk teknologiselskap med et tydelig formål, bør undersøke United Therapeutics nærmere.

Siste United Therapeutics (UTHR) aksjenyheter og -ytelse

3D‑printet polymer | Konklusjon

Ingeniørenes arbeid vil få stor betydning for medisin og batteriteknologi i det kommende tiåret. Det vil også inspirere til innovasjon i flere bransjer og kan føre til livreddende medisinske gjennombrudd. Teamet fortjener derfor stor anerkjennelse.

Les om andre interessante gjennombrudd innen bioteknologi her.

Referanser

^{1. Huang, B., Kim, M., Zhang, P., Oduro, E., Rau, D. A., & Cai, H. Additiv produksjon av strekkbare polyetylenglykolhydrogeler og -elastomerer med kodet molekylarkitektur. Advanced Materials, e12806. https://doi.org/10.1002/adma.202512806}