通过反应挤出、微流体、自组装和电纺丝制备多长尺度可降解 Thermoresponsive 水凝胶

该协议的总体目标是制造具有受控长度尺度和几何形状的可降解版本的热响应水凝胶。这种方法可以帮助解决生物医学材料场景中的关键挑战，例如促进长期、微创局部药物递送、为组织工程创建响应支架或设计靶向纳米治疗剂。我们技术的主要优点是快速反向生物腙化学，这使我们能够通过改变聚合物前驱体混合几何形状来控制可降解水凝胶的大小和形状。

这种灵活性使我们能够使用相同的起始材料制造叶状凝胶、微凝胶、纳米凝胶和纳米纤维。首先，制备浓度在 5% 至 40%（按重量计）和 10 毫摩尔磷酸盐缓冲盐水的酰肼和醛官能化热反应前体聚合物溶液各约 2 毫升。使用单桶注射器将前体聚合物溶液加载到 2.5 毫升 1：1 双桶注射器的单独桶中。

接下来，将 1.5 英寸静态混合器连接到 2.5 毫升 1：1 双桶注射器。如果需要，将 18 号或 20 号的 1.5 英寸针头连接到静态混合器上。然后，从所需厚度的柔软硅橡胶板上切割下来。

一块大约标准显微镜载玻片大小的碎片。使用冲头组在硅橡胶板上打出至少一个所需形状的孔。将硅橡胶模具放在干净的载玻片上，确保所有孔都由玻璃支撑。

轻轻地将模具压在滑轨上以将其固定到位。硅橡胶板也可用作背衬，以确保良好的基材附着力。通过静态混合器将酰肼和醛官能化聚合物溶液共挤出到模具孔中，直到孔完全填充。

用第二张干净的载玻片盖住模具，等待凝胶化完成。然后，取下顶部载玻片，用刮刀将水凝胶与硅橡胶模具分离。从载玻片上提起模具以回收水凝胶。

在该程序之前，制造用于微粒生成的微流体芯片。合成酰肼和醛官能化聚 NIPAM。首先，在去离子水中制备 6% 重量的酰肼和醛官能化聚 NIPAM 溶液各两毫升。

将聚合物前体溶液装入单独的 5 毫升注射器中。接下来，在重石蜡油中制备 150 毫升 1% 重量的失水山梨糖醇单油酸酯溶液。将此溶液装入两个标准 60 毫升注射器中。

将四个注射器安装在单独的输液注射泵中。接下来，将 45 厘米长的硅管连接到微流体芯片出口。将出口管的末端放入废液容器中。

将聚合物溶液注射器连接到具有 30 厘米长硅管的微流体芯片上的聚合物入口通道。将一个石蜡油溶液注射器连接到带有硅胶管的上游进油通道。使用硅胶管和 U 形注射器接头将另一个注油针连接到两个下游进油通道。

将配备油注射器的泵的流速设置为每小时 1.1 至 5.5 毫升之间。让油流过微流体芯片至少 30 分钟，以灌注芯片并确认芯片没有缺陷。然后，以每小时 03 mL 的速度同时将两种聚合物溶液输送到灌注芯片中。

让聚合物和油的流动平衡 30 分钟到一个小时。为了防止前驱体聚合物在微流体喷嘴处过早凝胶化，必须小心地灌注管道并同时启动聚合物流动，以防止回流到任一聚合物储液罐中。一旦在微流控芯片的喷嘴处形成均匀的凝胶微粒，将颗粒收集在带有主动磁力搅拌棒的塑料离心管中。

当油用完时，停止注射泵和搅拌电机。凝胶微粒沉降在试管中后，用移液管倒出石蜡油。向培养瓶中每 5 mL 微粒加入 10 mL戊烷。

用力混合甜米约一分钟。让颗粒沉淀 1 到 2 小时，然后用移液管倾析戊烷。重复此戊烷洗涤至少五次。

将洗涤后的凝胶微粒转移到一个小的玻璃闪烁瓶中。将颗粒重悬于 1 至 2 mL 的去离子水中。要开始此程序，请在去离子水中制备 1% 酰肼和醛官能化聚 NIPAM 溶液各 5 毫升。

5 毫升酰肼官能化聚乙烯 NIPAM 溶液加热至 70 摄氏度。当溶液变得不透明时对其进行监测，并确认没有可见的沉淀物形成。然后，在 5 到 10 秒的过程中，将 0.25 毫升醛官能化聚 NIPAM 溶液逐滴加入加热的酰肼官能化聚 NIPAM 溶液中。

在 15 摄氏度下搅拌混合物 70 分钟。然后，从油浴中取出混合物，使其冷却至室温过夜，以获得用于纯化的纳米凝胶。将纳米凝胶混合物置于分子量为 3500 道尔顿的截断透析膜中。

在 6 小时的循环中用离子水透析纳米凝胶 6 次，以去除非交联聚合物。如果需要，将纯化的纳米凝胶冻干以储存。要开始凝胶纳米纤维制造程序，请在去离子水中制备 1 毫升 15% 重量的酰肼和醛官能化 POEGMA 溶液。

然后，在去离子水中制备两毫升 5% 重量的 5% 聚环氧乙烷溶液。将每种 POEGMA 前体溶液与一毫升聚环氧乙烷溶液混合。将前体溶液装入双桶注射器的单独桶中。

接下来，将 1.5 英寸静态混合器和钝头 18 号针头连接到 2.5 毫升 1：1 双桶注射器。将双针筒注射器安装在输液注射泵上。然后，在距离针头末端 10 厘米处安装一个铝盘静电纺丝收集器。

将集电极上的高压电源接地，并将电源连接到针。将注射泵设置为每小时 0.48 毫升，将电源设置为 10 千伏。同时启动注射泵和电源以启动静电纺丝。

继续作，直到达到所需的厚度或前驱体耗尽。纳米纤维生产完成后，关闭并断开静电纺丝组件。将收集的凝胶纳米纤维浸泡在去离子水中 24 小时，以去除聚环氧乙烷。

双桶注射器递送产生了腙交联 POEGMA 块状氢凝胶，其力学、凝胶时间和透明度范围取决于前体聚合物浓度、反应性官能团密度和单体上环氧乙烷重复单元的数量。石蜡油和聚合物前驱体溶液的流速都会影响用微流控装置制造的水区交联聚乙烯 NIPAM 凝胶微粒的大小。用热台光学显微镜观察到可逆的温度依赖性肿胀。

随着时间的推移，凝胶微粒降解为它们的低聚前体。自组装的腙交联聚乙烯 NIPAM 纳米凝胶的尺寸随醛与酰肼官能化聚合物前驱体质量比的变化而变化，但仍然是高度单分散的。随着质量比的增加，观察到的热溶胀较少。

与凝胶微粒一样，纳米凝胶会随着时间的推移降解为寡聚前体。通过反应静电纺丝生产了直径约为 300 纳米的 Hydrazone 交联 POEGMA 水凝胶纳米纤维。纳米纤维水合比具有相同聚合物成分的块状凝胶的水合快约两个数量级。

纳米纤维在生理条件下降解之前保持了其纳米纤维形态八周以上。在酸性环境中发生更快的降解。纳米纤维在干燥和膨胀状态下均具有机械强度。

观看此视频后，我们希望您对如何通过控制凝胶前驱体聚合物的几何形状来制造可降解的热响应性水凝胶有很好的了解。请记住确保聚合物前驱体的凝胶化时间与每个颗粒的需要相匹配。太快的凝胶化会抑制微凝胶和纳米纤维的制造。

太慢的凝胶化会导致完全凝固的形态。这些技术为药物递送和组织工程领域的研究人员铺平了道路。并设计定义明确的水凝胶支架，用于控制药物释放或刺激组织再生的速率或位置。