Новый тип материала, совместимого с иммунной системой организма и доступного для 3D-печати, разработанный исследовательской группой из Университета Вирджинии, может привести к созданию более безопасных медицинских технологий для трансплантации органов и систем доставки лекарств. Он также может улучшить технологии аккумуляторов.

Этому прорыву посвящена новая статья в журнале Advanced Materials , основанная на работе, проделанной Лабораторией мягкой биоматерии Университета Вирджинии под руководством Лихэна Цая, доцента кафедры материаловедения, инженерии и химической инженерии. 

Первым автором статьи является Байцян Хуан, аспирант Школы инженерии и прикладных наук.

Их исследование показывает способ изменения свойств полиэтиленгликоля для создания растяжимых сетей. ПЭГ, как его называют, — материал, уже используемый во многих биомедицинских технологиях, таких как тканевая инженерия, но существующий способ производства сетей ПЭГ — создание их в воде путём сшивания линейных полимеров ПЭГ с последующим удалением воды — приводит к образованию хрупкой кристаллизованной структуры, которая не может растягиваться без потери целостности. 

Прорыв в области эластичности является важной особенностью, поскольку растяжимость позволит использовать сети ПЭГ в более крупных структурах или в структурах, требующих определенной гибкости и движения, например, в качестве каркасов, которые когда-нибудь понадобятся для создания синтетических человеческих органов. 

Растягивающиеся лежанки в складной конструкции

Чтобы добиться такой эластичности, команда опиралась на уже существующие наработки лаборатории Цая, где уже был разработан способ создания очень прочных синтетических полимеров. Этот подход был заимствован из методов, используемых для создания эластичной и прочной резины: сохранение длины во внутренних структурах на молекулярном уровне. 

Эти внутренние структуры, называемые «складной ёршик для бутылок», позволяют создавать материал, который может быть одновременно очень прочным и очень эластичным. Полимерные молекулы имеют множество гибких боковых цепей, расходящихся от центральной цепи, которая может складываться подобно гармошке, сохраняя дополнительную длину, которую можно расправить.

«Наша группа открыла этот полимер и использовала его архитектуру, чтобы показать, что любые материалы, изготовленные таким образом, очень эластичны», — сказал Цай.

Для создания нового материала, описанного в журнале Advanced Materials, Хуан применил концепцию полимера, похожего на складной ёршик для бутылок, к ПЭГ. Он облучал исходную смесь ультрафиолетом в течение нескольких секунд, что запускает полимеризацию с образованием сетки, напоминающей ёршик для бутылок. В результате были получены пригодные для 3D-печати, высокоэластичные гидрогели на основе ПЭГ и эластомеры без растворителей. 

«Мы можем изменять форму ультрафиолетового излучения, создавая множество сложных структур», — сказал Хуан, включая структуры, которые могут быть как мягкими, так и жёсткими, но при этом сохраняют эластичность. Такая универсальность дизайна может в будущем позволить создать новые методы создания искусственных органов или доставки лекарств. 

В статье также показано, что эластичные материалы ПЭГ, пригодные для 3D-печати, биологически безопасны. Исследователи культивировали клетки рядом с материалами, чтобы убедиться в их совместимости, и, по словам Хуана, они оказались совместимыми. Это хорошая новость для потенциального использования материала для внутренних материалов, например, в качестве каркаса для органов. 

Будущие приложения

В будущем может также появиться возможность комбинировать ПЭГ с другими материалами для создания пригодных для 3D-печати материалов с различным химическим составом, что откроет двери к многочисленным возможным вариантам использования. 

Например, по сравнению с существующими материалами для твердотельных полимерных электролитов новые материалы демонстрируют большую электропроводность и значительно более высокую растяжимость при комнатной температуре. 

«Это свойство характеризует новый материал как перспективный высокопроизводительный твердотельный электролит для современных аккумуляторных технологий», — сказал Цай. «Наша команда продолжает изучать потенциальные возможности расширения исследований в области твердотельных аккумуляторных технологий».