Fotopolymeriserbara biomaterial har på senare år blivit en central komponent inom 3D-utskrift för medicinska tillämpningar, särskilt för vävnadsregenerering, cellinkapsling och läkemedelsleverans. Dessa material kännetecknas av sin biokompatibilitet och nedbrytbarhet, vilket gör dem lämpliga för användning i olika biologiska sammanhang. För att skapa hållbara och funktionella 3D-strukturer som efterliknar de naturliga vävnaderna, har en mängd olika fotopolymeriserbara biomaterial utvecklats, såsom metakrylerade polysackarider och extrakt från extracellulära matrix (ECM). En av de mest användbara klasserna av dessa material är alginat och hyaluronsyra, som är kända för sina utmärkta biologiska egenskaper och förmåga att skapa vävnadsanalogiska strukturer.

Metakrylerat alginat (MAA) är ett exempel på ett fotopolymeriserbart biomaterial som kan syntetiseras genom reaktion med metakrylsyraanhydrid eller metakrylat. Dessa MAA-baserade material har dock begränsad mångsidighet när det gäller mekaniska egenskaper och långvariga 3D-strukturer, vilket gör att de ofta kombineras med andra polymerer eller nanopartiklar för att skapa robustare 3D-utskrivna strukturer via fotopolymerisation. Ett exempel på en sådan tillämpning är användningen av MAA för att förbereda sammansatta ställningar för 3D-bioprinting av höggradigt alignerat muskelvävnad. En annan användning är för att skapa 3D-utskrivna ställningar för broskvävnadsregenerering, där MAA och grafenoxid används i kombination.

En annan klass av fotopolymeriserbara biomaterial är hyaluronsyra, en viktig komponent i ECM som finns i många vävnader i kroppen. Hyaluronsyra har blivit ett attraktivt alternativ för vävnadsställningar tack vare sina biokompatibla, nedbrytbara och icke-immunogena egenskaper. För att skapa fotopolymeriserbara former av hyaluronsyra kan den modifieras med metakrylsyraanhydrid, norbornen eller tyramin. Dessa modifierade versioner används i cellinlindade hydrogeler och 3D-bioprinting, där komplexa kanaler kan skapas för att efterlikna blodkärl eller andra funktionella strukturer inom vävnader. Specifikt används norbornen-modifierad hyaluronsyra tillsammans med thiol-innehållande molekyler för att skapa stabila 3D-strukturer via fotopolymerisation.

Cellulosa, som är den mest abundanta biopolymeren i naturen, är också ett användbart fotopolymeriserbart material inom läkemedelsindustrin. Methakrylerad cellulosa har använts för att producera sammansatta ställningar för 3D-bioprinting av muskelvävnad. Tyramin-funktionaliserad karboxymetylcellulosa har också använts för att skapa 3D-utskrivna vävnadshäftare med synligt ljus som korslänkare.

Metakrylerade polysackarider, såsom pektin och pullulan, har också använts i olika tillämpningar för att skapa 3D-strukturer för cellställningar och dermal vävnadsregenerering. Pektin kan modifieras med metakrylsyraanhydrid och används för att designa bio-ink som binder integrin-motiv och för att skapa hydrogeler via UV-fotopolymerisation och jonisk geleringsprocess.

En annan intressant utveckling är användningen av decellulära ECM-material för att skapa fotopolymeriserbara precursormaterial. Genom att använda decellulära ECM-extrakt från specifika vävnader, såsom njure och lever, kan man skapa biomaterial som liknar det naturliga ECM. Detta har visat sig vara användbart i 3D-bioprinting för att accelerera vävnadsbildning. Till exempel har metakrylerad njure-ECM-bioink använts för att bilda njur-liknande hydrogeler, vilket påskyndar renal vävnadsbildning. På samma sätt har metakrylerad lever-ECM-bioink använts för att skapa levermikrovävnad som potentiellt kan återställa hepatocytfunktioner.

Acrylatmonomer-baserade fotopolymeriserbara förberedelser har använts för att efterlikna de komplexa strukturerna hos organ, såsom njure, hjärna och hjärta. Trots framstegen inom dessa teknologier, är det fortfarande långt kvar tills man kan återskapa de taktila och fysiologiska egenskaperna hos naturliga vävnader, som elasticitet, smörjning och substansutbyte.

Vikten av att använda dessa material för 3D-utskrift ligger i deras förmåga att skapa biomimetiska strukturer som efterliknar både de mekaniska och fysiologiska egenskaperna hos vävnader. Denna teknik gör det möjligt att skapa vävnader som inte bara ser ut som naturliga vävnader, utan också fungerar på liknande sätt, vilket kan leda till genombrott inom regenerativ medicin. Det är också viktigt att förstå att för att optimera dessa material och teknologier, behöver ytterligare forskning göras för att säkerställa deras långsiktiga hållbarhet och funktionalitet i biologiska tillämpningar.

Hur kan 3D- och 4D-utskrift av biologiskt nedbrytbara fotopolymerer förändra biomedicinska tillämpningar?

De senaste åren har framstegen inom 3D-utskrift lett till utvecklingen av 4D-utskrift, där den fjärde dimensionen, tiden, tillåter utskrivna objekt att förändra form som svar på externa stimuli. Denna teknik har särskilt blivit lovande för skapandet av flexibla elektroniska komponenter och medicinska implantat, där det fjärde elementet – förändring i tid – ger nya möjligheter. De stimuli som kan påverka dessa objekt inkluderar temperatur, pH, ljus, fukt och magnetism. En särskild inriktning har varit på formminnespolymerer (SMP) som gör det möjligt för material att återgå till en förutbestämd form efter att de har utsatts för ett stimuli.

Detta har öppnat vägen för utvecklingen av biologiskt nedbrytbara SMP:er som har potential att användas i biomedicinska tillämpningar, som till exempel bioresorberbara implantat. Den största fördelen med dessa material är att de kan brytas ner i kroppen utan att orsaka skadliga effekter, vilket gör dem särskilt användbara för implantat som behöver försvinna när de inte längre behövs.

Men även om den tekniska utvecklingen inom 3D- och 4D-utskrift har lett till stora framsteg, finns det fortfarande en rad utmaningar som måste övervinnas innan dessa teknologier kan bli allmänt tillämpliga för medicinska produkter, särskilt när det gäller biologiskt nedbrytbara fotopolymerer.

En av de största utmaningarna i 3D-utskrift av biologiskt nedbrytbara fotopolymerer är resins viskositet. För att kunna skapa högupplösta utskrifter måste resinerna ha en låg viskositet, vilket gör att de kan separeras effektivt från vattskärmen utan att skada den utskrivna strukturen. De flesta biologiskt nedbrytbara fotopolymerer kämpar dock med att uppnå denna egenskap eftersom de ofta har för hög viskositet. För att åtgärda detta tillsätts lösningsmedel och utspädningsmedel som kan sänka viskositeten. Detta är dock inte utan problem – vissa lösningsmedel kan orsaka förtida tvärbindning av polymeren och därmed påverka kvaliteten på de utskrivna objekten. Vidare kan användningen av reaktiva utspädningsmedel medföra att den tvärbundna strukturen ändras och att materialet blir mer sprött.

För att skapa hållbara biologiskt nedbrytbara material som kan användas i medicinska tillämpningar är det också avgörande att överväga deras mekaniska egenskaper. De utskrivna objekten måste ha tillräcklig styrka för att kunna fungera som implantat eller ställningar i vävnader, men samtidigt måste de kunna brytas ner inom en kontrollerad tidsram för att förhindra negativa effekter i kroppen. Det har visat sig att låg molekylvikt i polymererna leder till material med svag mekanisk hållfasthet, vilket innebär att de kanske inte är tillräckligt hållbara för användning där strukturell integritet är avgörande.

För att förbättra de mekaniska egenskaperna hos biologiskt nedbrytbara fotopolymerer måste forskare ta itu med problemen med viskositet och molekylvikt. En lösning kan vara att justera polymerernas struktur, exempelvis genom att använda förgreningar eller stjärnstrukturer för att minska viskositeten samtidigt som styrkan bibehålls. Trots dessa ansträngningar förblir viskositeten och de mekaniska egenskaperna en av de största hindren för att göra dessa material mer effektiva i medicinska applikationer.

Förutom viskositet och mekaniska egenskaper är också biologisk nedbrytbarhet en viktig faktor. För implantat och ställningar som är avsedda att försvinna inom kroppen efter en viss tid är det avgörande att materialets nedbrytningstakt kan kontrolleras. Detta är särskilt viktigt för bioresorberbara material, som inte bara ska brytas ner i rätt hastighet utan också säkerställa att inga skadliga restprodukter frigörs under nedbrytningen.

Sammanfattningsvis ger utvecklingen av 3D- och 4D-utskrift av biologiskt nedbrytbara fotopolymerer lovande möjligheter för framtidens medicinska produkter, särskilt för bioresorberbara implantat och flexibla elektronikkomponenter. De största utmaningarna ligger i att hitta lösningar på problem relaterade till viskositet, mekaniska egenskaper och nedbrytbarhet, men med fortsatt forskning och innovation kommer dessa teknologier sannolikt att få en allt större betydelse inom biomedicinska tillämpningar.

Hur påverkar fordonets dämpning och hastighet broens modformer?
Hur fungerar partikelbaserade simuleringar av vattenflöde i två dimensioner?
Hur förståelsen av ytors egenskaper påverkar deras funktionalitet
Hur Modulationstekniker Förbättrar Akustisk Kommunikation och Ökar Dataöverföringshastigheter