تجزئة المواد الهلامية السائبة ومعالجتها إلى هيدروجيل حبيبي للتطبيقات الطبية الحيوية
مايو 17, 2022
يصف هذا العمل طرقا مباشرة وقابلة للتكيف ومنخفضة التكلفة لتصنيع الهلاميات الدقيقة مع تجزئة البثق ، ومعالجة الهلاميات الدقيقة في هيدروجيل حبيبي قابل للحقن ، وتطبيق الهلاميات المائية الحبيبية كأحبار طباعة البثق للتطبيقات الطبية الحيوية.
الهلاميات المائية الحبيبية هي فئة جديدة ومثيرة من المواد الحيوية مع العديد من الخصائص المفيدة. نأمل أن نتمكن من خلال مشاركة هذه الأساليب من زيادة الوصول والابتكار في المواد الهلامية المائية الحبيبية للتطبيقات الطبية الحيوية. هذه التقنية بسيطة ومنخفضة التكلفة وقابلة للتكيف بسهولة مع العديد من المواد الكيميائية ويمكن تنفيذها في أي مختبر تقريبا.
قم بتحميل حقنة 3 ملليلتر بمحلول سلائف الهيدروجيل. قم بإزالة المكبس من الجزء الخلفي من حقنة فارغة سعة 3 ملليلتر وأضف غطاء طرف إلى الجزء العلوي من برميل المحقنة. استخدم ماصة سعة 1000 ميكرولتر لنقل محلول سلائف الهيدروجيل إلى برميل المحقنة مع غطاء الطرف.
امسك برميل المحقنة بمحلول سلائف الهيدروجيل بيد واحدة مع توجيه غطاء الطرف لأسفل والطرف المفتوح للبرميل متجها لأعلى. أعد مكبس المحقنة إلى فتحة الجزء الخلفي من برميل المحقنة. ادفع مكبس المحقنة برفق إلى داخل البرميل بما يكفي لإغلاق الفتحة الموجودة في الجزء الخلفي من برميل المحقنة ، مع الاحتفاظ بعناية بالمكبس وبرميل المحقنة معا لضمان إغلاق الجزء الخلفي من برميل المحقنة باستخدام المكبس.
قم بعكس المحقنة بحيث يكون المكبس متجها لأسفل وغطاء الطرف متجها الآن لأعلى. قم بإزالة غطاء الطرف وادفع المكبس برفق إلى برميل المحقنة حتى تتم إزالة كل الهواء من المحقنة. أعد توصيل غطاء الطرف بالحقنة.
تأكد من تأمين محلول سلائف الهيدروجيل داخل حقنة 3 ملليلتر مع غطاء طرف. تأكد من أخذ معدات الحماية الشخصية المناسبة والضمانات قبل تشغيل مصباح الأشعة فوق البنفسجية. ضع المحقنة سعة 3 ملليلتر المحملة بمحلول السلائف الهيدروجيلية تحت مصباح علاج البقع بالأشعة فوق البنفسجية لفترة زمنية مطلوبة للربط المتقاطع للصور بالكامل.
أطفئ مصباح الأشعة فوق البنفسجية وأزل المحقنة. تأكد من أن الهيدروجيل أصبح الآن متشابكا ضوئيا داخل المحقنة. قم بإزالة المكبس من الجزء الخلفي من حقنة فارغة سعة 3 ملليلتر.
قم بتثبيت غطاء طرف على قفل luer. قم بإزالة غطاء الطرف من المحقنة التي تحتوي على الهيدروجيل السائب المتقاطع ضوئيا. اصطف الجزء العلوي من حقنة الهيدروجيل مع فتح البرميل على المحقنة الفارغة.
قذف الهيدروجيل السائب من خلال فتحة المحقنة في برميل المحقنة الفارغة. امسك المحقنة التي تحتوي على الهيدروجيل المبثوق بحيث يكون غطاء الطرف متجها لأسفل وفتحة البرميل متجهة لأعلى. باستخدام ماصة 1000 ميكرولتر ، أضف 1.5 ميكرولتر من PBS إلى برميل المحقنة.
قم بمحاذاة مكبس المحقنة مع فتحة البرميل ، وبالكاد دفع المكبس إلى الداخل بما يكفي لإنشاء ختم. قم بعكس المحقنة بحيث يكون المكبس الآن متجها لأسفل وغطاء الطرف متجها لأعلى ، مع التأكد من تثبيت المكبس وبرميل المحقنة معا في مكانه بحيث لا يتسرب أي هيدروجيل أو PBS. عكس عدة مرات لخلط هيدروجيل مجزأة مع PBS المضافة.
أمسك المحقنة بحيث يكون غطاء الطرف متجها لأعلى والمكبس متجها لأسفل. قم بإزالة غطاء الحافة. بلطف شديد ، ادفع المكبس لأعلى لإزالة أي هواء من داخل المحقنة.
قذف محلول الهيدروجيل المجزأ من خلال سلسلة من الإبر لإنشاء microgels مجزأة. قم بتثبيت إبرة حادة ذات 18 مقياسا في الجزء العلوي من المحقنة التي تحتوي على الهيدروجيل المجزأ و PBS. قم بإزالة المكبس من حقنة جديدة سعة 3 ملليلتر وقم بتثبيت غطاء طرف على برميل المحقنة الفارغ.
بثق محلول الهيدروجيل المجزأ من خلال إبرة قياس 18 في الجزء الخلفي من برميل المحقنة الفارغة. تخلص من المحقنة والإبرة الفارغة في تيار نفايات الأدوات الحادة المناسب. كرر بثق محلول الهيدروجيل بإبرة قياس 23 و 27 و 30.
عند خطوة البثق الأخيرة ، قم ببثق محلول microgel المجزأ في أنابيب الطرد المركزي الدقيق. اغسل وعزل تعليق microgel المجزأ. باستخدام جهاز طرد مركزي دقيق ، قم بتدوير محلول microgel المجزأ عند 5000 مرة جم لمدة 5 دقائق.
استخدم ماصة لإزالة السوبرناتانت. أضف 1 ملليلتر من PBS إلى كل أنبوب طرد مركزي دقيق يحتوي على ميكروجيل مجزأ ودوامة لمدة 5 إلى 10 ثوان. اجمع بين 20 ميكرولتر من تعليق ميكروجيل مجزأ مع 180 ميكرولتر من PBS لإنشاء تعليق ميكروجيل مجزأ مخفف.
دوامة لخلط جيدا. نقل 50 ميكرولتر من تعليق ميكروجيل مجزأ مخفف إلى شريحة مجهر زجاجية. استخدم مجهرا epifluorescent للحصول على صور للهلام المجهري الموسوم بالفلورسنت عند تكبير/تصغير 4x أو 10x.
مربى microgels مجزأة باستخدام الترشيح القائم على الفراغ. قم بتجميع واختبار جهاز الترشيح المدفوع بالفراغ. قم بتأمين قمع Buchner داخل قارورة مرشح.
استخدم الأنابيب لتوصيل قارورة المرشح بخط فراغ. ضع مرشح غشاء في كوب قمع Buckner. قم بتشغيل خط التفريغ عن طريق فتح صمام الطلب.
اختبر الاتصال عن طريق سحب ما يقرب من 0.5 ملليلتر من PBS على مرشح الغشاء ولاحظ أن جميع PBS تمر عبر المرشح وتتجمع في الجزء السفلي من قارورة المرشح. بعد تشغيل خط التفريغ وضمان ختم كامل ، دوامة محلول microgel المجزأة. باستخدام ماصة 1000 ميكرولتر ، انقل محلول microgel المجزأ إلى مرشح الغشاء.
انتظر لمدة 30 ثانية تقريبا حتى يقوم الفراغ بسحب PBS من محلول microgel. قم بإيقاف تشغيل خط التفريغ. احصل على حقنة جديدة سعة 3 ملليلتر وقم بإزالة المكبس.
استخدم ملعقة معدنية لسحب الهيدروجيل الحبيبي المجزأ من المرشح ونقله إلى الجزء الخلفي من برميل المحقنة الفارغ. أعد المكبس إلى المحقنة. قم بتحميل الهيدروجيل الحبيبي المجزأ في المحقنة وهو الآن جاهز للاستخدام.
قم بإزالة غطاء الطرف واستبدله بإبرة من اختيارك. قم بتحميل المحقنة في منصة الطباعة التي تختارها. قم بتحميل ملف G-code المعد من مرحلة التخطيط إلى برنامج الطباعة 3D.
انتقل إلى لوحة معاينة الطباعة واضغط على طباعة. بمجرد اكتمال ترسب الطباعة، قم بتعريض تركيبات الهيدروجيل الحبيبية المجزأة للأشعة فوق البنفسجية للربط الضوئي والاستقرار. ينتج عن تجزئة البثق هلاميات دقيقة ذات أشكال مضلع خشنة بأقطار تتراوح من 10 إلى 300 ميكرومتر.
يتراوح التدوير من 0.2 إلى 1 تقريبا وتتراوح نسبة العرض إلى الارتفاع من 1 إلى 3. تصف هذه المعلمات أشكال microgel غير المنتظمة والخشنة التي شكلتها عملية التجزئة. عند تعبئتها معا إما باستخدام الطرد المركزي أو الترشيح المدفوع بالتفريغ ، فإن الهيدروجيل الحبيبي المجمع يخفف القص ويشفي ذاتيا.
يتميز الهيدروجيل الحبيبي المجزأ بدقة عالية الشكل وسلامة ميكانيكية لهيدروجيل قابل للحقن. بالإضافة إلى استخدام الهلاميات المائية الحبيبية المجزأة للطباعة 3D ، يمكن أيضا استخدام هذه الأنظمة كمنصات لزراعة الخلايا في المختبر ، بالإضافة إلى أنظمة الحقن لإصلاح الأنسجة وتوصيل الأدوية. تجلب هذه الطرق البسيطة والمنخفضة التكلفة مزايا المواد الحيوية الهيدروجيل الحبيبي لمزيد من الباحثين مما يسمح بزيادة الوصول إلى تصنيع الهيدروجيل الحبيبي بالإضافة إلى الابتكار في مجال المواد الحيوية.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
نظرة عامة
يصف هذا العمل أساليب مباشرة، قابلة للتكيف، ومنخفضة التكلفة لتصنيع الميكروجل مع تجزئة البثق. يتم معالجة الميكروجل إلى هياكل هيدروجيل حبيبية قابلة للحقن، والتي يمكن تطبيقها كحبر طباعة بثق لتطبيقات طبية حيوية.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- الهندسة الطبية الحيوية
- علم المواد
- المواد الحيوية
الخلفية
- الهياكل الهيدروجيلية الحبيبية هي فئة جديدة من المواد الحيوية.
- تمتلك العديد من الخصائص المفيدة للتطبيقات الطبية الحيوية.
- الوصول إلى أساليب مبتكرة يمكن أن يعزز البحث في هذا المجال.
- التقنيات بسيطة ومنخفضة التكلفة، مما يجعلها في متناول مختلف المختبرات.
هدف الدراسة
- مشاركة أساليب لزيادة الوصول إلى الهياكل الهيدروجيلية الحبيبية.
- تعزيز الابتكار في استخدام هذه المواد للتطبيقات الطبية الحيوية.
- توفير نهج مباشر لتصنيع هذه الهياكل الهيدروجيلية.
الأساليب المستخدمة
- تجزئة البثق لتصنيع الميكروجل.
- معالجة الميكروجل إلى هياكل هيدروجيل حبيبية قابلة للحقن.
- استخدام الهياكل الهيدروجيلية الحبيبية كحبر طباعة بثق.
- التنفيذ في إعدادات مخبرية مختلفة.
النتائج الرئيسية
- تم توضيح أساليب منخفضة التكلفة لتصنيع الهياكل الهيدروجيلية.
- تم عرض التكيف مع كيميائيات مختلفة.
- تم توفير بروتوكول لتحميل محاليل سابقة الهياكل الهيدروجيلية.
- تم تشجيع الوصول الأوسع إلى الهياكل الهيدروجيلية الحبيبية في البحث.
الاستنتاجات
- يمكن إنتاج الهياكل الهيدروجيلية الحبيبية بشكل فعال باستخدام أساليب بسيطة.
- يمكن أن تسهل التقنيات التطبيقات الطبية الحيوية.
- قد يؤدي زيادة الوصول إلى ابتكارات أخرى في المجال.
الأسئلة الشائعة
Executive Industry Relevance
Granular hydrogels fabricated via extrusion fragmentation offer scalable, low-cost access to tunable biomaterials for early-stage biopharma R&D. Their injectability, microscale porosity, and adaptability to diverse chemistries position them as versatile platforms for assay development, 3D bioprinting, and advanced in vitro modeling. This method enables broader innovation and standardization in biomaterials workflows, supporting portfolio-wide translational research.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables rapid prototyping of biologically relevant matrices for mechanistic studies.
- Facilitates functional validation of cell-matrix interactions in disease-relevant systems.
- Supports predictive confidence in early-stage target assessment by providing tunable microenvironments.
Screening & Assay Development
- Provides standardized, reproducible hydrogel platforms for quantitative cell-based assays.
- Enables preparation of injectable and printable matrices for high-throughput screening formats.
- Supports assay scalability and platform reuse across compound evaluation campaigns.
Translational & Preclinical Research
- Offers adaptable hydrogel systems for in vitro modeling of tissue repair and drug delivery scenarios.
- Facilitates continuity from discovery through preclinical validation by supporting 3D culture and injectable delivery studies.
- Reduces translational risk by enabling physiologically relevant testing environments.
Pipeline & Workflow Integration
This extrusion fragmentation method integrates from early discovery through assay development and preclinical modeling, supporting iterative hypothesis testing and platform standardization.
- Discovery Biology: Accelerates hypothesis testing by enabling rapid fabrication of tunable microenvironments.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative hydrogel matrices for robust assay outputs.
- Analytics: Supports measurement of microgel size, shape, and mechanical properties for condition comparison.
- Translational Research: Aligns with preclinical needs for injectable and 3D-printable biomaterials.
- Enterprise Reuse: Establishes a broadly adaptable platform for diverse R&D teams and applications.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in cell-matrix studies.
- Operational Value: Enables standardized, scalable, and low-cost hydrogel fabrication across teams.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision quality and capital efficiency by supporting robust assay development.
- Portfolio Impact: Facilitates risk-adjusted prioritization and advancement of biomaterial-enabled programs.
Implementation Considerations
- Requires basic laboratory skills and standard syringes, needles, and filtration equipment.
- Needs access to UV crosslinking and microscopy for hydrogel characterization.
- Demands cross-team agreement on microgel size and mechanical property standards.
- Adaptable to a wide range of hydrogel chemistries and model systems.
- Limitations include variability in microgel shape and size inherent to fragmentation.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:33
Fabricating Bulk Hydrogels Inside of a Syringe Using Photocrosslinking
2:35
Fabricating Microgels Using Extrusion Fragmentation
5:37
Imaging Fragmented Microgels in Suspension Using Epifluorescent Microscope
6:15
Assembling Fragmented Microgels into Granular Hydrogels
7:56
Extrusion Printing with Fragmented Granular Hydrogels Inks
8:36
Results: Characterizing Fragmented Microgel Particles Using ImageJ
9:31
Conclusion
