Современная 3D-печать, несмотря на свою революционность, сталкивается с серьезной проблемой: традиционные фотополимерные смолы, являющиеся основой для многих технологий, токсичны, не разлагаются биологически и производятся из невозобновляемых нефтепродуктов. Это делает широкое распространение 3D-печати менее устойчивым и потенциально вредным для окружающей среды и здоровья человека.
Однако, ученые из Университета Висконсина под руководством профессора Эй Джея Бойдстона (Department of Chemistry) и профессора Одри Жирард (Department of Food Science) нашли инновационное решение, предложив принципиально новый подход к 3D-печати, основанный на денатурации белков. Этот метод, получивший название Additive Manufacturing via Protein Denaturation (AMPD), открывает двери к созданию экологически чистых и биоразлагаемых 3D-печатных материалов.
В основе AMPD лежит технология "Heating at a Patterned Photothermal Interface" (HAPPI 3D) printing, разработанная доктором Чан-Ук Ли из исследовательской группы Бойдстона совместно с самим профессором Бойдстоном. HAPPI 3D использует фототермическое преобразование света в тепло для избирательного затвердевания белкового раствора. Суть процесса заключается в том, что сфокусированный свет направляется на фототермический интерфейс, который преобразует световую энергию в тепло. Это тепло, в свою очередь, вызывает денатурацию белков в водном растворе, что приводит к их агрегации и затвердеванию в заданную 3D-структуру.
Уникальность метода AMPD заключается в использовании белков в качестве основного материала для 3D-печати. В отличие от традиционных фотополимеров, белки являются природными, возобновляемыми ресурсами, а изделия из них – нетоксичными и полностью биоразлагаемыми. Ключевым преимуществом является то, что для обеспечения печатаемости белка не требуется никакой химической модификации, что напрямую влияет на биоразлагаемость конечного продукта.
Исследования показали, что механические свойства 3D-печатных деталей из белка вполне сопоставимы с характеристиками некоторых распространенных видов пластмасс. Это открывает широкие перспективы для применения белковых материалов в различных областях, где ранее использовались традиционные, но менее экологичные полимеры.
Интересно отметить, что пористость 3D-печатных белковых изделий можно регулировать, изменяя концентрацию белка в исходном растворе. Эта возможность контроля структуры материала делает его еще более универсальным и применимым для разнообразных задач. В исследовательскую группу также входили студент бакалавриата Сунг Джун Ким и постдокторант доктор Рейчел Дитрих, которые внесли свой вклад в разработку и исследование новой технологии.
Данная инновация не только имеет научную ценность, но и защищена патентом США номер 11,597,145, выданным 7 марта 2023 года. Патент принадлежит Wisconsin Alumni Research Foundation (WARF), что подчеркивает значимость и перспективность разработки. Метод HAPPI 3D printing, лежащий в основе AMPD, представляет собой запатентованную технологию, готовую к дальнейшему развитию и коммерциализации.
Результаты исследований, демонстрирующие потенциал AMPD, были опубликованы в авторитетном научном журнале Green Chemistry, специализирующемся на «зеленой химии» и устойчивом развитии. Выбор журнала подчеркивает экологическую направленность и значимость разработки для создания более устойчивых технологий.
В дальнейшем исследователи планируют расширить спектр используемых белковых источников, исследовать возможности применения белковых материалов в различных устойчивых приложениях и, что особенно важно, разработать биорезорбируемые тканевые скаффолды для использования в медицине и здравоохранении. Возможность создания биоразлагаемых медицинских имплантатов и конструкций для регенеративной медицины является одним из наиболее перспективных направлений развития AMPD.
Таким образом, метод AMPD, основанный на денатурации белков, представляет собой значительный шаг вперед в развитии устойчивой 3D-печати. Он предлагает реальную альтернативу токсичным и небиоразлагаемым традиционным смолам, открывая путь к созданию экологически чистых, биоразлагаемых и функциональных материалов для широкого спектра применений, от повседневных изделий до передовых медицинских разработок.
Изображение носит иллюстративный характер
Однако, ученые из Университета Висконсина под руководством профессора Эй Джея Бойдстона (Department of Chemistry) и профессора Одри Жирард (Department of Food Science) нашли инновационное решение, предложив принципиально новый подход к 3D-печати, основанный на денатурации белков. Этот метод, получивший название Additive Manufacturing via Protein Denaturation (AMPD), открывает двери к созданию экологически чистых и биоразлагаемых 3D-печатных материалов.
В основе AMPD лежит технология "Heating at a Patterned Photothermal Interface" (HAPPI 3D) printing, разработанная доктором Чан-Ук Ли из исследовательской группы Бойдстона совместно с самим профессором Бойдстоном. HAPPI 3D использует фототермическое преобразование света в тепло для избирательного затвердевания белкового раствора. Суть процесса заключается в том, что сфокусированный свет направляется на фототермический интерфейс, который преобразует световую энергию в тепло. Это тепло, в свою очередь, вызывает денатурацию белков в водном растворе, что приводит к их агрегации и затвердеванию в заданную 3D-структуру.
Уникальность метода AMPD заключается в использовании белков в качестве основного материала для 3D-печати. В отличие от традиционных фотополимеров, белки являются природными, возобновляемыми ресурсами, а изделия из них – нетоксичными и полностью биоразлагаемыми. Ключевым преимуществом является то, что для обеспечения печатаемости белка не требуется никакой химической модификации, что напрямую влияет на биоразлагаемость конечного продукта.
Исследования показали, что механические свойства 3D-печатных деталей из белка вполне сопоставимы с характеристиками некоторых распространенных видов пластмасс. Это открывает широкие перспективы для применения белковых материалов в различных областях, где ранее использовались традиционные, но менее экологичные полимеры.
Интересно отметить, что пористость 3D-печатных белковых изделий можно регулировать, изменяя концентрацию белка в исходном растворе. Эта возможность контроля структуры материала делает его еще более универсальным и применимым для разнообразных задач. В исследовательскую группу также входили студент бакалавриата Сунг Джун Ким и постдокторант доктор Рейчел Дитрих, которые внесли свой вклад в разработку и исследование новой технологии.
Данная инновация не только имеет научную ценность, но и защищена патентом США номер 11,597,145, выданным 7 марта 2023 года. Патент принадлежит Wisconsin Alumni Research Foundation (WARF), что подчеркивает значимость и перспективность разработки. Метод HAPPI 3D printing, лежащий в основе AMPD, представляет собой запатентованную технологию, готовую к дальнейшему развитию и коммерциализации.
Результаты исследований, демонстрирующие потенциал AMPD, были опубликованы в авторитетном научном журнале Green Chemistry, специализирующемся на «зеленой химии» и устойчивом развитии. Выбор журнала подчеркивает экологическую направленность и значимость разработки для создания более устойчивых технологий.
В дальнейшем исследователи планируют расширить спектр используемых белковых источников, исследовать возможности применения белковых материалов в различных устойчивых приложениях и, что особенно важно, разработать биорезорбируемые тканевые скаффолды для использования в медицине и здравоохранении. Возможность создания биоразлагаемых медицинских имплантатов и конструкций для регенеративной медицины является одним из наиболее перспективных направлений развития AMPD.
Таким образом, метод AMPD, основанный на денатурации белков, представляет собой значительный шаг вперед в развитии устойчивой 3D-печати. Он предлагает реальную альтернативу токсичным и небиоразлагаемым традиционным смолам, открывая путь к созданию экологически чистых, биоразлагаемых и функциональных материалов для широкого спектра применений, от повседневных изделий до передовых медицинских разработок.
