破碎散装水凝胶并加工成颗粒状水凝胶，用于生物医学应用
2022年5月17日
这项工作描述了通过挤出破碎制造微凝胶，将微凝胶加工成可注射的颗粒水凝胶，并将颗粒水凝胶用作生物医学应用的挤出印刷油墨的简单，适应性强且低成本的方法。
颗粒水凝胶是一类令人兴奋的新型生物材料，具有许多有利的特性。我们希望通过分享这些方法，我们可以增加用于生物医学应用的颗粒水凝胶的获取和创新。这种技术简单，成本低，易于适应许多化学品，几乎可以在任何实验室中实施。
将3毫升注射器与水凝胶前体溶液一起加载。从空的3毫升注射器背面取下柱塞，并在注射器桶的顶部添加一个吸头盖。使用1， 000微升移液器将水凝胶前体溶液转移到带有吸头盖的注射器桶中。
一只手握住装有水凝胶前体溶液的注射器桶，尖端盖朝下，桶的开口端朝上。将注射器柱塞放回注射器筒背面的开口处。轻轻地将注射器柱塞推入注射器柱塞，刚好足以密封注射器枪管背面的开口，小心地将柱塞和注射器枪管固定在一起，以确保注射器枪管的背面与柱塞密封。
反转注射器，使柱塞朝下，尖端盖现在朝上。取下吸头盖，轻轻地将柱塞推入注射器筒中，直到所有空气从注射器中排出。将吸头盖重新连接到注射器上。
确保将水凝胶前体溶液固定在带有吸头盖的3毫升注射器内。在打开紫外线灯之前，请确保采取适当的个人防护装备和防护措施。将装有水凝胶前体溶液的3毫升注射器置于UV点固化灯下所需的时间，以完全光交联。
关闭紫外线灯并取下注射器。确保水凝胶现在在注射器内光交联。从空的3毫升注射器背面取下柱塞。
将尖端盖固定在鲁尔锁上。从含有光交联散装水凝胶的注射器中取出吸头盖。将水凝胶注射器的顶部与空注射器上的桶的开口对齐。
将散装水凝胶通过注射器开口挤出到空注射器的桶中。握住含有挤出水凝胶的注射器，使吸头盖朝下，桶开口朝上。使用1， 000微升移液器，向注射器桶中加入1.5微升PBS。
将注射器柱塞与枪管的开口对齐，只需将柱塞推入足以形成密封即可。反转注射器，使柱塞现在朝下，尖端盖朝上，确保将柱塞和注射器桶固定到位，以免水凝胶或PBS泄漏。多次倒置以将碎片水凝胶与加入PBS混合。
握住注射器，使吸头盖朝上，柱塞朝下。取下吸头盖。非常轻轻地向上推柱塞以从注射器内部除去任何空气。
通过一系列针挤出碎片水凝胶溶液以产生碎片微凝胶。将钝尖18号针头固定在装有碎片水凝胶和PBS的注射器顶部。从新鲜的3毫升注射器中取出柱塞，并将吸头盖固定在空注射器桶上。
将碎片水凝胶溶液通过18号针头挤出到空注射器桶的背面。将空的注射器和针头丢弃到适当的锐器废物流中。用23，27和30号针重复水凝胶溶液的挤出。
在最后一个挤出步骤中，将碎片状微凝胶溶液挤出到微量离心管中。洗涤并分离破碎的微凝胶悬浮液。使用微量离心机，将碎片状微凝胶溶液以5， 000倍g旋转5分钟。
使用移液器除去上清液。向每个含有碎片微凝胶的微量离心管中加入1毫升PBS，涡旋5至10秒。将20微升的碎片微凝胶悬浮液与180微升的PBS混合，形成稀释的碎片微凝胶悬浮液。
涡旋彻底混合。将50微升稀释的碎片微凝胶悬浮液转移到玻璃显微镜载玻片上。使用落射荧光显微镜以4倍或10倍变焦获取荧光标记微凝胶的图像。
使用真空驱动的过滤堵塞碎片微凝胶。组装并测试真空驱动的过滤装置。将布赫纳漏斗固定在过滤瓶内。
使用管道将过滤瓶连接到真空管路。将膜过滤器放入巴克纳漏斗杯中。通过打开拨阀打开真空管路。
通过将大约0.5毫升PBS移液到膜过滤器上来测试连接，并观察所有PBS是否通过过滤器并收集在过滤瓶的底部。打开真空管线并确保完全密封后，涡旋破碎的微凝胶溶液。使用1， 000微升移液器，将碎片状微凝胶溶液转移到膜过滤器上。
等待大约30秒钟，让真空将PBS从微凝胶溶液中拉出。关闭真空管路。获得新鲜的3毫升注射器并取下柱塞。
使用金属刮刀从过滤器中舀出碎片颗粒状水凝胶，并将其转移到空注射器桶的背面。将柱塞放回注射器。将碎片状颗粒水凝胶装入注射器中，现在可以使用了。
取下吸头盖，然后用所选的针头代替。将注射器装入所选的打印平台。将规划阶段准备好的 G 代码文件加载到 3D 打印软件中。
导航到"打印预览"面板，然后按"打印"。一旦印刷沉积完成，将碎片状的颗粒状水凝胶构建体暴露在紫外光下，以进行光交联和稳定。挤出破碎产生具有锯齿状多边形的微凝胶，直径范围为10至300微米。
圆度范围从 0.2 到几乎 1，纵横比范围从 1 到 3。这些参数描述了由碎裂过程形成的不规则和锯齿状微凝胶形状。当使用离心或真空过滤包装在一起时，组装的颗粒水凝胶是剪切变稀和自愈合的。
碎片状颗粒水凝胶具有高形状保真度和机械完整性，适用于可注射的水凝胶。除了使用碎片状颗粒水凝胶进行3D打印外，这些系统还可以用作体外细胞培养平台，以及用于组织修复和药物递送的注射系统。这些简单且低成本的方法将颗粒水凝胶生物材料的优势带给更多的研究人员，从而可以增加颗粒水凝胶制造的机会以及生物材料领域的创新。
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概述
这项工作描述了一种简单、适应性强且低成本的方法，通过挤出碎片法来制造微凝胶。微凝胶被加工成可注射的颗粒状水凝胶，可以用作生物医学应用的挤出打印墨水。
关键研究组成部分
科学领域
- 生物医学工程
- 材料科学
- 生物材料
背景
- 颗粒状水凝胶是一类新型的生物材料。
- 它们具有许多适用于生物医学应用的优势特性。
- 获得创新方法可以增强该领域的研究。
- 技术简单且低成本，使其适用于各种实验室。
研究目的
- 分享增加颗粒状水凝胶获取途径的方法。
- 促进这些材料在生物医学应用中的创新。
- 提供制造这些水凝胶的简单方法。
所用方法
- 通过挤出碎片法制造微凝胶。
- 将微凝胶加工成可注射的颗粒状水凝胶。
- 使用颗粒状水凝胶作为挤出打印墨水。
- 在各种实验室环境中实施。
主要结果
- 展示了低成本的水凝胶制造方法。
- 展示了对不同化学物质的适应性。
- 提供了加载水凝胶前体溶液的协议。
- 鼓励在研究中更广泛地获取颗粒状水凝胶。
结论
- 可以使用简单的方法有效地生产颗粒状水凝胶。
- 这些技术可以促进生物医学应用。
- 增加的可获取性可能会导致该领域的进一步创新。
常见问题
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
