3D-utskrivbart PEG-polymer kan förändra MedTech

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.

Polyetylenglykol (PEG)-nätverk

Detta arbete fokuserar på polyetylenglykol (PEG)-nätverk. Dessa strukturer har fått ökad användning inom biomedicinska området, där de är avgörande för vävnadsengineerering, läkemedelsleverans och andra livräddande tillämpningar.
Polyetylenglykol producerades först 1859, när den portugisiska kemisten A.V. Lourenço och den franska kemisten Charles Adolphe Wurtz oberoende rapporterade polyetylenglykolprodukter. PEG:s biomedicinska användning expanderade kraftigt efter att den införlivades i stora farmakopéer omkring mitten av 1900-talet. Sedan dess har PEG förbättrats i sin design och utveckling. På senare tid har den även undersökts som ett genomförbart sätt att skapa battericeller.

Problem med PEG

Trots dess växande tillämpningar finns flera nackdelar som måste övervinnas för att ytterligare förbättra dess användbarhet. För det första är den nuvarande produktionsmetoden dyr och besvärlig.

Den använder ett vattenbaserat system som stödjer korsbindning av linjära polymerer. Vattnet fungerar som stöd för strukturen när den kristalliseras. Efter att polymernätverket har bildats dräneras vattnet, vilket lämnar den färdiga strukturen.

Denna metod är tidskrävande, dyr och inte skalbar. Dessutom är de resulterande PEG-nätverken mycket bräckliga. Dessa spröda kristallina strukturer saknar flexibilitet, vilket begränsar deras användningsområden, särskilt när man diskuterar biomedicinska tillämpningar.

Studie om 3D-utskriven polymer

Ett team av ingenjörer har precis låst upp ett sätt att producera PEG-nätverk enklare, vilket ger mer flexibla alternativ än dagens lösningar. Den nyligen publicerade studien Additive Manufacturing of Molecular Architecture Encoded Stretchable Polyethylene Glycol Hydrogels and Elastomers¹ introducerar ett helt nytt tillvägagångssätt för PEG-nätverk som har potential att driva adoptionen framåt.

Källa- Advanced Materials

Varför töjbarhet är viktig i PEG-nätverk

Kärnan i denna forskning är en önskan att göra PEG-nätverk mer flexibla. Töjbara PEG-nätverk kan utföra fler uppgifter. Till exempel kan de användas i fler medicinska tillämpningar och i större skala, med slutmålet att använda dessa strukturer som stöd för syntetisk organodling.

Immunosäker

Som en del av denna studie behövde teamet säkerställa att deras förändringar av PEG-nätverksmaterialet inte skulle framkalla någon immunreaktion. Immunsystemet upptäcker främmande inkräktare och avlägsnar dem från kroppen, vilket blir ett problem när man diskuterar implantat. Därför började ingenjörerna processen med att utforska och syntetisera immunosäkra material och strukturer.

3D-utskrivbar

Nästa steg var att säkerställa att materialet var 3D-utskrivbart. Denna forskning ledde så småningom teamet till mycket töjbara PEG-baserade hydrogeler som integrerade lösningsmedelsfria elastomerer. De noterade att, till skillnad från den vattenbaserade metoden, kunde dessa nätverk skapas med snabb fotopolymerisation och tillgängliga kommersiella kemikalier.

Komplexa strukturer

Beslutet att förlita sig på 3D-skrivare var ett stort steg som öppnade dörren för mer invecklade och användbara designparametrar. Teamet noterade också att de kan förändra strukturerna till invecklade mönster genom att bara justera UV-ljuset.
Speciellt skapade de flera olika strukturer som var och en erbjöd sina unika fördelar. Vissa av strukturerna var styva, medan andra kunde sträckas eller böjas. Speciellt skapades varje struktur med lösningsmedelsfria elastomerer, vilket förbättrade deras justerbarhet.

Vikbar flaska-borste

Ingenjörerna fastslog att linjära kedjor inte var det bästa alternativet. Istället introducerade de en vikbar flaska-borste-arkitektur. Denna design använder interna strukturer för att lägga till mekaniska egenskaper såsom vridning, töjning och böjning.
Flaska-borste-arkitekturen gjorde det möjligt för motorerna att förhindra kristallisation. Detta förbättrade i sin tur hållbarheten hos strukturen. Detta nya högstyrkepolymer kan göras så att det expanderar som en dragspel utan att kompromissa med styrkan. Ingenjörerna drog slutsatsen att flaska-borste-arkitekturen bör vara brett kompatibel med de flesta PEG-baserade polymersystem, vilket avsevärt utökar dess potentiella räckvidd inom biomedicinska och ingenjörsmässiga tillämpningar.

Lagerläggning

Noggrant byggde teamet upp strukturen med en lagerläggningsmetod. Varje lager skapades under UV-ljus, härdades, och nästa lager byggdes ovanpå. Processen tog sekunder att slutföra och inkluderade utskrift av komplexa geometrier.

Testning av biokompatibilitet och strukturell prestanda

Testfasen såg ingenjörer kontrollera att PEG var cellkompatibel, vilket var en huvudfråga för användning i vävnadsstödjande tillämpningar. Som en del av detta test skapade teamet cellkulturer som de introducerade till stödet och sedan övervakade för reaktioner.
Forskarna undersökte också processens förmåga att stödja komplexa strukturer. Till exempel skrev de ut cytokompatibla organliknande geometrier.

Mekanisk styrka & biokompatibilitet resultat

Deras testresultat var inspirerande. Teamet noterade att deras PEG-nätverk var både mekaniskt motståndskraftigt och biokompatibelt. Testet visade att de odlade cellerna fortsatte sina aktiviteter utan negativ reaktion på PEG-nätverket, vilket öppnar dörren för möjliga medicinska användningar.

Testet avslöjade också hur mycket mer hållbara strukturerna var jämfört med sina föregångare. Specifikt hade hydrogelerna och elastomererna moduli som varierade från ≈1 till ≈100 kPa. De förbättrade också den dragbrottspänningens töjningsstyrka med 1500%.

Svep för att rulla →

Avancerad arkitektur

Studien visade att 3D-utskriftsmetoden ger mest flexibilitet när det gäller strukturell design. Varje struktur skrevs ut på ett målmedvetet sätt utan någon förlust av töjbarhet. Dessutom genomfördes hela processen vid rumstemperatur.

Viktiga fördelar med 3D-utskrivbara PEG-material

Det finns flera fördelar som 3D-utskrivbara PEG-material ger till marknaden. För det första är de mer miljövänliga. Processen vid rumstemperatur minskar kostnader och komplikationer, vilket möjliggör storskalig produktion i framtiden.

Mångsidighet

Mångsidigheten i den 3D-utskrivna metoden kan inte förbises. Användningen av 3D-skrivare gör det möjligt för ingenjörer att skapa mer avancerade strukturer, vilka en dag kan bli en kritisk komponent i artificiellt odlade organ och andra avancerade medicinska teknologier.

Verkliga tillämpningar & tidslinje för 3D-utskrivbar PEG

Listan över tillämpningar för fotokurerbara flaska-borste PEG-nätverk omfattar flera industrier. Dessa mikroskopiska nätverk kan fungera som bas för mikroarkitekturerade metaller, funktionella biomimetiska vaskulära nätverk och mer. Här är några potentiella tillämpningar för denna teknik.

MedTech

Den primära och mest betydelsefulla tillämpningen av denna teknik är inom regenerativ medicin. Listan över väntande organ fortsätter att växa. Tyvärr kommer människor aldrig att få det organ som behövs för att genomgå en transplantation för att förbättra sina liv. Dock kan förmågan att odla mänskliga organ lindra detta problem globalt och inleda en ny era av medicinsk vård.

Batteriteknik

En annan lovande användning av denna teknik är i skapandet av kraftfullare och lättare batterier. Dessa strukturer kan fungera som celler, vilket möjliggör ultrahögpresterande fastfaselektrolyter.

Kommersialiserings tidslinje för flaska-borste PEG

Denna teknik kan nå marknaden inom de kommande 5 åren. Det finns en stark efterfrågan på lättare, mer hållbara batterialternativ, och denna teknik kan hjälpa till att förverkliga det målet.
Det kan ta 10 år eller mer innan tekniken är tillräckligt avancerad för att användas för att odla artificiella organ. Det finns fortfarande mer forskning, inklusive tester och regulatoriskt godkännande, vilket kan fördröja processen ytterligare.

Forskare inom 3D-utskriven polymer

University of Virginias Soft Biomatter Laboratory ledde denna studie. Artikeln listar Baiqiang Huang, Myoeum Kim, Pu Zhang, Emmanuel Oduro, Daniel A. Rau och Li-Heng Cai som huvudbidragsgivare. Speciellt bygger detta arbete på andra projekt där teamet skapade ultrahållbara syntetiska polymerer.
Studien fick finansiering från UVA LaunchPad för Diabetes, National Science Foundation, National Institutes of Health och Virginia Innovation Partnership Corporations Commonwealth Commercialization-fond.

Framtiden för 3D-utskriven polymer

Ingenjörerna kommer nu att undersöka andra strukturer och material. Deras mål är att utveckla andra 3D-utskrivbara material som stödjer specifika uppgifter, vilket öppnar dörren för lättare och mer hållbara produkter, behandlingar och mer.

Investera i MedTech-innovationer

Flera biotekföretag fortsätter att tänja på gränserna när det gäller vävnadsskapande och andra medtech-utvecklingar. Dessa företag spenderar miljontals varje år på att forska i olika sätt att förbättra nuvarande metoder eller utveckla bättre metoder. Här är ett företag som fortsätter att driva innovation på biotekmarknaden.

United Therapeutics

Det Maryland-baserade företaget United Therapeutics (UTHR ) gick in på marknaden 1996. Dess grundare, Martine Rothblatt, såg ett akut behov av bättre behandlingar efter att hennes dotter diagnostiserades med pulmonell arteriell hypertension (PAH), och hon byggde företaget kring att utveckla livräddande terapier för denna sällsynta och ofta dödliga sjukdom.

United Therapeutics har flera behandlingar och mediciner som används globalt. Specifikt är deras huvudprodukt Remodulin (treprostinil). Denna medicin har visat sig hjälpa vid PAH och andra hjärtrelaterade sjukdomar. De som söker ett etablerat medtech-företag som byggts med ett tydligt syfte bör göra ytterligare forskning om United Therapeutics.

Senaste United Therapeutics (UTHR) aktienyheter och prestanda

3D-utskriven polymer | Slutsats

Det arbete som dessa ingenjörer har presenterat kommer att ha en stark inverkan på de medicinska och batteriområdena under det kommande decenniet. Dessutom kommer det att inspirera innovation över flera industrier, vilket kan leda till livräddande medicinska genombrott under denna livstid. På så sätt förtjänar dessa ingenjörer en stående ovation.

Lär dig om andra intressanta BioTech-genombrott Här.

Referenser

^{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}