Det finns små barn som firar semestern i år med sina familjer, tack vare de 3D-printade medicinska enheterna som skapats i Georgia Tech-forskaren Scott Hollisters labb. I mer än 10 år har Hollister och hans medarbetare utvecklat livräddande, patientspecifika luftvägsskenor för spädbarn med sällsynta fosterskador.
Dessa personliga luftvägsstödenheter är gjorda av en biokompatibel polyester som kallas polykaprolakton (PCL), som har fördelen att vara godkänd av Food and Drug Administration. Forskare använder selektiv lasersintring för att värma den pulveriserade polyestern, som binder samman som en fast struktur. Enheter gjorda av PCL har ett utmärkt säkerhetsregister när de implanteras i patienter.
Tyvärr har PCL nackdelen att ha relativt styva och linjära mekaniska egenskaper, vilket innebär att detta lovande biomaterial ännu inte har applicerats funktionellt för vissa andra kritiska biomedicinska behov, såsom mjukvävnadsteknik. Hur gör man en fast termoplast till något flexibelt och möjligen kan växa med patienten? Hollisters labb har listat ut hur.
"3D auxetic design", säger Jeong Hun Park, en forskare i Hollisters labb som ledde lagets senaste studie som visar framgångsrik 3D-utskrift av PCL för mjukvävnadsteknik. Ett auxetiskt material har, till skillnad från vanliga vanliga resårer, ett negativt Poisson-förhållande. Det betyder att om du sträcker ett auxetiskt material i längdriktningen kommer det också att expandera i sidled, medan de flesta material blir tunnare i sidled (eftersom de har ett positivt Poisson-förhållande).
Så en auxetisk struktur kan expandera i båda riktningarna, vilket är användbart när man överväger biomedicinska tillämpningar för människor, vars kroppar och delar kan förändras i storlek och form över tiden och omfatta många olika texturer och densiteter. Hollisters team satte sig för att ge vanligtvis fast PCL några nya auxetiska egenskaper.
"Även om de mekaniska egenskaperna och beteendet hos 3D-strukturen beror på basmaterialets inneboende egenskaper - i det här fallet PCL - kan det också justeras avsevärt genom intern arkitekturdesign," förklarade Park.
Park styrde utformningen av 3D-printade strukturer som består av små strävor, arrangerade i rät vinkel - föreställ dig benen av mycket små skyskrapor. Teamet började med att skapa kubformade strukturer först, för att testa den auxetiska designens flexibilitet, styrka och permeabilitet.
Verket publiceras i tidskriften Advanced Functional Materials .
Flexibelt beteende
I grund och botten är ett auxetiskt material en nätverksstruktur designad genom att montera enhetsceller. Dessa enhetsceller består av strävor och deras korsande leder, vilket är en viktig aspekt av en auxetisk enhets beteende. Rotationen av de korsande lederna inom nätverket, under kompression eller förlängning, orsakar negativt Poissons beteende. Det möjliggör också avancerad prestanda för en tryckt enhet, inklusive stötenergiabsorption, intryckningsmotstånd och hög flexibilitet.
"När man tittar på siffrorna, baserat på Jeong Huns arbete, är den nya strukturen ungefär 300 gånger mer flexibel än den typiska solida strukturen vi gör av PCL i vårt labb", säger Hollister, professor vid Wallace H. Coulter Department of Biomedicinsk teknik vid Georgia Tech och Emory University, där han också innehar Patsy och Alan Dorris ordförande i Pediatric Technology och fungerar som avdelningens biträdande ordförande för translationell forskning.
Kombinationen av flexibilitet och styrka i en enhet är särskilt viktig här, sade Park, eftersom det slutliga målet med forskningen är att "tillämpa denna struktur för att utveckla ett bröstrekonstruktionsimplantat som har jämförbara biomekaniska egenskaper som inhemsk bröstvävnad. För närvarande donerar vi inte har ett biologiskt nedbrytbart bröstimplantationsalternativ i den kliniska miljön."
Han förklarade att dessa biologiskt nedbrytbara bröstrekonstruktionsimplantat fungerar som en slags ställning. Tanken är att det biokompatibla materialet (PCL) så småningom bryts ned och absorberas i kroppen, samtidigt som de bibehåller liknande mekaniska egenskaper som inhemsk bröstvävnad.
"Vi förväntar oss att inhemsk vävnad först kommer att infiltreras i porerna på det biologiskt nedbrytbara implantatet," sa Park. "Vävnadsvolymen kommer sedan att öka i implantatet när det bryts ned och så småningom ersätts själva enheten med vävnaden efter fullständig nedbrytning av implantatet."
I huvudsak är det 3D-printade bröstimplantatet utformat för att ge rekonstruktivt stöd samtidigt som det underlättar tillväxten av ny vävnad.
Utrymmet mellan de små stöttorna gör hela skillnaden för den större enheten, vilket ger den en mjukhet och smidighet som annars skulle ha varit omöjlig. Dessa utrymmen kan så småningom fyllas med hydrogel som hjälper till att främja cell- och vävnadstillväxt.
Teamets utformade auxetik inkluderar också designen av inre tomrum och utrymmen inuti stöttorna, vilket skapar en sorts mikroporositet som möjliggör masstransport av syre, näringsämnen och metaboliter för att främja expansionen och tillväxten av ett cellulärt nätverk.
Park samarbetar med Emory-kirurgen Angela Cheng för att lämna in ett anslag för ytterligare forskning och testning av bröstimplantatet. Och teamet håller redan på att anpassa tekniken för andra applikationer. En av samarbetspartnerna i denna forskning är till exempel Mike Davis, vars labb vid Emory är fokuserat på hjärtregenerering.
"På grund av den stora flexibiliteten använder de det för att rekonstruera infarkt eller nekrotisk myokardvävnad," sa Hollister.
Och Park har utvecklat en auxetisk version av den pediatriska trakeal skenan. "Fördelen är att med den här designen kan den expandera i två riktningar", sa han. "Så, när unga patienter växer, kommer den nya enheten att växa med dem."
Mer information: Jeong Hun Park et al, 3D-utskrift av poly‐ε‐kaprolakton (PCL) auxetiska implantat med avancerad prestanda för mjukvävnadsteknik i stora volymer, avancerade funktionella material (2023). DOI:10.1002/adfm.202215220
Journalinformation: Avancerat funktionsmaterial
Tillhandahålls av Georgia Institute of Technology
