Jak 3D drukowanie zmienia inżynierię tkanek, systemy dostarczania leków i medycynę?

3D drukowanie oparte na fotopolimeryzacji staje się coraz bardziej zaawansowaną i obiecującą technologią w dziedzinie inżynierii tkanek, medycyny oraz dostarczania leków. Dzięki precyzyjnemu sterowaniu geometrią i porowatością wydruków, możliwe stało się tworzenie struktur, które mogą wspierać funkcje biologiczne lub umożliwiać dostosowanie uwalniania leków, co otwiera nowe horyzonty w leczeniu chorób i regeneracji tkanek. Jednakże technologia ta wciąż boryka się z pewnymi wyzwaniami, które wymagają dalszych badań i rozwoju.

Wykorzystanie bioinków opartych na macierzy pozakomórkowej wytwarzanych z ECM wątroby do tworzenia mikrostrukturalnych tkanek wątroby stanowi doskonały przykład zastosowania tej technologii w inżynierii tkanek. Bioink w postaci metakrylowanej macierzy ECM wątroby, wykorzystywany w procesie drukowania DLP, wspomaga rozprzestrzenianie się komórek hiHep, umożliwiając im wykazywanie bardziej zaawansowanych funkcji hepatocytów. Tego typu biotkanka ma potencjał w odbudowie funkcji wątroby, co stawia ją w roli obiecującego produktu w inżynierii tkanek wątroby, mogącego wspomóc regenerację tego narządu.

W kontekście dostarczania leków, drukowanie 3D jest wykorzystywane do wytwarzania tabletek o precyzyjnej geometrii i porowatości, co pozwala na kontrolowanie szybkości ich rozpuszczania. Przykładem są tabletki oparte na PEGDA, które umożliwiają dostarczanie leków trudno rozpuszczalnych, takich jak karwedilol. Badania wykazały, że geometria tabletki ma istotny wpływ na tempo uwalniania substancji aktywnej. Cienkie tabletki uwalniają lek najszybciej, podczas gdy geometrie pierścieniowe, siatkowe i cylindryczne charakteryzują się wolniejszym procesem uwalniania.

Kolejną przełomową aplikacją jest produkcja wysoce rozciągliwych, przewodzących hydrożeli, które charakteryzują się doskonałą odpornością na zmęczenie, co jest kluczowe w przypadku sensorów noszonych na ciele. Drukowanie tych materiałów w technologii fotopolimeryzacji pozwala na osiągnięcie wysokiej rozdzielczości i złożoności strukturalnej, co umożliwia ich wykorzystanie do detekcji dużych ruchów ciała oraz subtelnych ruchów mięśniowych, a także monitorowania sygnałów EKG w czasie rzeczywistym. Dodatkowo, dzięki nowym technologiom fotopolimeryzacji, możliwe stało się opracowanie materiałów o lepszych właściwościach mechanicznych i wysokiej czułości, które mogą znaleźć zastosowanie w produkcji sensorów do monitorowania stanu zdrowia.

W obliczu tych wyzwań, fotopolimeryzacja w technologii druku 3D oferuje zupełnie nowe możliwości w dziedzinie inżynierii tkanek, biomateriałów i urządzeń medycznych, które mogą zrewolucjonizować sposób leczenia oraz regeneracji narządów. Jednakże, aby te możliwości stały się powszechnie dostępne, konieczne jest dalsze doskonalenie technologii oraz opracowanie nowych, bardziej wydajnych materiałów fotoczułych.

Jak aminy i sole jodoniowe wpływają na efektywność systemów fotoinicjacyjnych w druku 3D?

Aminy, szczególnie te o strukturze fenylaminowej, wykazują interesujące właściwości fotoinicjujące w kompleksach CTC. Na przykład, w badaniach nad 3D printingiem, aminy takie jak Am1 czy Am2, używane w połączeniu z jodoniowymi solami, jak Iod, wykazują charakterystyczny efekt przesunięcia w czerwonym kierunku (redshift) w widmie absorpcyjnym. To zjawisko jest wynikiem obniżenia różnicy energii HOMO-LUMO (Highest Occupied Molecular Orbital - Lowest Unoccupied Molecular Orbital), co umożliwia absorpcję światła o dłuższej długości fali, przechodzącą z zakresu UV do niebieskiego i zielonego światła. Takie zmiany w widmach absorpcyjnych mają kluczowe znaczenie dla zastosowania tych kompleksów w inicjowaniu polimeryzacji światłem nieultrafioletowym, np. za pomocą diod LED emitujących światło o długości fali 405 nm.

W badaniach eksperymentalnych, aminy takie jak Am1 oraz Am2 wykazują wysoką efektywność w polimeryzacji żywic 3D, przy czym zjawisko redshiftu ułatwia ich zastosowanie w technologii druku 3D, umożliwiając wykorzystanie światła o długości fali od 400 nm do 550 nm, co z kolei zmniejsza czas potrzebny na utwardzenie materiałów. Badania pokazują również, że odpowiedni dobór aminy oraz soli jodoniowej ma kluczowe znaczenie dla efektywności całego procesu. Zatem, kompleksy CTC mogą być skutecznym narzędziem w poprawie wydajności polimeryzacji żywic, w tym także w obszarze druku 3D.

Zauważono także, że pewne zmienne strukturalne, takie jak obecność grup elektronodonorowych (EDG) w pierścieniu aromatycznym aminy, mogą wpływać na wydajność kompleksu CTC. Na przykład, grupa esterowa (EWG) w Am3 powoduje zmniejszenie efektywności tego kompleksu poprzez osłabienie efektu redshiftu. Najwyższą efektywność w polimeryzacji wykazują aminy o wysokiej energii HOMO, takie jak Am1 i Am2, które zapewniają najmniejszą różnicę między HOMO a LUMO i są najbardziej efektywne w procesie inicjacji fotopolimeryzacji.

W kontekście rozwoju nowych systemów fotoinicjacyjnych, nie tylko aminy, ale i inne związki, takie jak fosfiny, zaczynają zyskiwać na znaczeniu. Fosfiny, podobnie jak aminy, mogą działać jako donory elektronów w kompleksach CTC, przy czym ich zastosowanie może umożliwić jeszcze szerszy zakres fotopolimeryzacji, przesuwając spektrum absorpcji w kierunku widzialnego światła. Badania pokazują, że fosfiny, takie jak 4-(difenylofosfino)styren, w połączeniu z solami jodoniowymi, umożliwiają skuteczne inicjowanie polimeryzacji w szerszym zakresie długości fali, co może przyspieszyć procesy druku 3D i fotopolimeryzacji żywic.

Ostatecznie, technologia fotoinicjacji oparta na kompleksach CTC stanowi obiecujący kierunek w rozwoju materiałów i procesów związanych z drukiem 3D, szczególnie w kontekście szybkości i głębokości fotopolimeryzacji. Przyszłość tych technologii będzie zależała od dalszych badań nad optymalizowaniem systemów fotoinicjacyjnych, a także od rozwinięcia nowych strategii, które pozwolą na jeszcze efektywniejsze wykorzystanie tych systemów w przemysłowych zastosowaniach druku 3D.