Nowy rodzaj polimeru, który można wydrukować w 3D, opracowany przez naukowców z Uniwersytetu Wirginii stanowi znaczący postęp w dziedzinie materiałów biokompatybilnych i ma potencjalne zastosowania, od bezpieczniejszych przeszczepów narządów po bardziej wydajne baterie. Wyjątkowa elastyczność i biokompatybilność materiału rozwiązują krytyczne ograniczenia istniejących polimerów stosowanych w technologiach biomedycznych i energetycznych.
Problem z istniejącymi polimerami
Glikol polietylenowy (PEG), materiał powszechnie stosowany w inżynierii tkankowej i dostarczaniu leków, staje się kruchy podczas tworzenia sieci. Tradycyjne sieci PEG, powstałe w wyniku sieciowania w wodzie, a następnie suszenia, krystalizują, tracąc elastyczność i integralność strukturalną. Ta sztywność ogranicza ich zastosowanie w większych, elastycznych konstrukcjach, takich jak narządy syntetyczne lub dynamiczne implanty medyczne.
Projekt „składanej szczotki do butelek”.
Przełom polega na adaptacji projektu „składanej szczotki do butelek”, inspirowanej strukturą elastycznej gumy. Architektura ta obejmuje długie, elastyczne łańcuchy boczne rozchodzące się promieniście od centralnego grzbietu, dzięki czemu materiał może przechowywać długość wewnętrznie, jak akordeon. Po rozciągnięciu łańcuchy te rozwijają się, zapewniając wyjątkową elastyczność bez utraty wytrzymałości.
Jak to działa: rozciąganie na poziomie molekularnym
Naukowcy pod kierunkiem Liheng Cai, adiunkta nauk o materiałach i inżynierii na Uniwersytecie Wirginii, zastosowali tę koncepcję do PEG. Wystawiając mieszaninę prekursorów na działanie światła ultrafioletowego, zapoczątkowali polimeryzację, tworząc sieć o architekturze „szczoteczki do butelek”. Powstały materiał jest bardzo rozciągliwy, podatny na druk 3D i zachowuje swoją integralność po odkształceniu.
Biokompatybilność i zastosowania medyczne
Nowy materiał wykazuje doskonałą biokompatybilność. Hodowle komórkowe umieszczone obok polimeru nie wykazały żadnych działań niepożądanych, co potwierdza jego przydatność do wewnętrznych zastosowań medycznych, takich jak rusztowania narządów lub systemy kontrolowanego uwalniania leków. Ta zgodność ma kluczowe znaczenie dla ograniczenia odrzucenia immunologicznego i zapewnienia długoterminowego bezpieczeństwa implantu.
Potencjał magazynowania energii
Oprócz zastosowań biomedycznych polimer ma obiecujące właściwości w zakresie zaawansowanych technologii akumulatorów. W porównaniu z istniejącymi elektrolitami polimerowymi w stanie stałym, nowy materiał wykazuje doskonałą przewodność elektryczną i rozciągliwość w temperaturze pokojowej. To połączenie może zaowocować bardziej wydajnymi, elastycznymi i trwalszymi akumulatorami.
Dalsze badania i rozwój
Naukowcy badają możliwość łączenia polimeru z innymi materiałami w celu stworzenia drukowanych w 3D kompozytów o dostosowanym składzie chemicznym. Otwiera to możliwość tworzenia niestandardowych implantów, elastycznych czujników lub wysokowydajnych urządzeń magazynujących energię. Zespół w dalszym ciągu bada możliwości rozszerzenia badań nad technologią akumulatorów półprzewodnikowych.
Ten przełom stanowi odpowiedź na krytyczne zapotrzebowanie na biokompatybilne, rozciągliwe materiały, torując drogę bezpieczniejszym i wydajniejszym technologiom medycznym oraz zaawansowanym rozwiązaniom w zakresie magazynowania energii.
