Die Mikrogel-Technologie hat sich zu einem leistungsstarken und vielseitigen Werkzeug für Anwendungen in der regenerativen Medizin und im Tissue Engineering entwickelt1. Genau wie ihre Pendants in der Masse zeichnen sich Mikrogele durch einen hohen Wassergehalt, einstellbare physikalisch-chemische Eigenschaften und die Nachahmung der nativen extrazellulären Umgebung aus. Dank der Fortschritte in der Herstellungstechnik können Mikrogele in verschiedenen Formen und Größen aus einer Reihe von natürlichen und synthetischen Polymeren hergestellt werden. Sie können auch zur kontrollierten Verkapselung von Zellen und Therapeutika verwendet werden. Einer der Hauptvorteile von Mikrogelen im Vergleich zu herkömmlichen Bulk-Hydrogelen besteht darin, dass sie leicht injizierbar sind und so eine minimalinvasive Verabreichung von Zellfracht, Medikamenten oder biologischem Gerüst für die Gewebereparatur ermöglichen. Darüber hinaus sind modulare Mikrogelsysteme leicht zu erreichen, indem Mikrogelpopulationen mit unterschiedlichen Eigenschaften gemischt werden, während die Einbettung von Mikrogelen in herkömmliche Hydrogele einen Weg zu Kompositen aus weicher Materie ebnet. Wenn viele Mikrogele in einen gestauten Zustand verpackt werden, entstehen granulare Gele, Schüttgüter mit dynamischen makroskaligen Eigenschaften, die entweder als Stützbad für den eingebetteten dreidimensionalen (3D) Druck oder als 3D-Druckfarben genutzt werden können. Diese Sammlung von Artikeln untersucht eine breite Palette von Methoden für die Formulierung und Herstellung von Mikrogelen sowie deren Verwendung für potenzielle biomedizinische Anwendungen.
Kostengünstige, emulsionsfreie und technologisch anspruchslose Ansätze für die Herstellung von Mikrogelen in großen Mengen sind dringend erforderlich. Um dieses Problem zu lösen, demonstrierten Muir et al. ein elegantes Protokoll für die Erzeugung von Norbornen-modifizierten Hyaluronsäure (HA)-Mikrogelen mittels Extrusionsfragmentierung2. Photovernetzte Bulk-Hydrogele wurden durch eine Reihe von Nadeln mit sequenziell kleineren Durchmessern extrudiert. Die resultierenden fragmentierten Mikrogelpartikel wurden dann durch vakuumgetriebene Filtration zu einem dicht gepackten körnigen Hydrogel gestaut, das als Tinte für den extrusionsbasierten 3D-Druck verwendet werden kann. Stager et al. stellten einen weiteren Fragmentierungsansatz vor, bei dem ein vernetztes Chitosan-Hydrogel durch einen Mesh-Filter extrudiert wurde, um Mikrogelpartikel mit kontrollierter Größe3 zu erzeugen. Es wurde dann gezeigt, dass fragmentierte Hydrogele die Regeneration des Knorpelgewebes fördern, wenn sie in einem Rattenmodell mit Wachstumsfugenverletzung eingesetzt werden.
Durch die Vernetzung von gestauten Mikrogelpartikeln entstehen geglühte körnige Hydrogele und poröse Bulk-Gerüste mit einzigartigen Mikroarchitekturen. Anderson et al. stellten ein Protokoll für die mikrofluidische Erzeugung von photovernetzten HA-Mikrogelen zur Verfügung, die anschließend gefriergetrocknet werden, ohne das Polymernetzwerkzu beschädigen 4. Die kontrollierte Rehydrierung der lyophilisierten Mikrogele und die anschließende Vernetzung über ein biorthogonales Vernetzungsschema führt zur Bildung von porösen HA-Gerüsten mit kontrollierter Partikelfraktion, von denen die Autoren zeigten, dass sie die Zellinfiltration und -migration signifikant beeinflussen. Roosa et al. beschrieben ein Verfahren zur mikrofluidischen Hochdurchsatzsynthese großer Volumina von Polyethylenglykol (PEG)-Mikrogelen5. Die Autoren demonstrieren dann Ansätze für die Mikrogelreinigung, die grundlegende Charakterisierung von Mikropartikeln und das Partikelglühen auf der Grundlage eines sekundären Vernetzungsmechanismus, um ein mikroporöses Gerüst zu bilden. Rommel et al. präsentierten einen Ansatz zur Erzeugung von geglühten Gerüsten mit erhöhter Porosität unter Verwendung anisotroper Mikrogelpartikel6. Sie nutzten die strömungsfokussierende Mikrofluidik, um Mikrogelstäbchen aus Stern-PEG-Polymeren mit kontrollierbaren Aspektverhältnissen herzustellen. Getemperte Mikrogel-Stabgerüste können als 3D-Umgebung für Zellexperimente verwendet werden. Luo et al. demonstrierten eine Methode zur Erzeugung von hochoffenen porösen Mikrosphären über einen einfachen mikrofluidischen Ansatz, die für die Verabreichung von Zellen oder Biologika verwendet werden könnte7.
Die einzigartigen rheologischen Eigenschaften von granularen Gelen machen sie zu idealen Trägern für den eingebetteten 3D-Druck von weichen Hydrogelen und Zellen8. Machour et al. kombinierten einen Ansatz für den eingebetteten 3D-Druck in gelatinekörnigen Gelen mit einem auf Opferformen basierenden 3D-Druck, um technische Gewebelappen herzustellen9. Diese Hybridmethode wurde genutzt, um ein hierarchisches Gefäßnetzwerk aus kollagenbasierter Tinte zu erzeugen, die mit Endothelzellen gemischt ist. Der konstruierte Lappen wurde dann direkt in eine Oberschenkelarterie der Ratte implantiert. Jalandhra et al. demonstrierten einen Ansatz für die Herstellung von knochenähnlichen Konstrukten durch eingebetteten 3D-Druck einer Keramiktinte auf Calciumphosphatbasis in zellbeladenem körnigem Gel, das aus Gelatinemethacrylat (GelMA)-Mikrogelen hergestellt wurde10. Der körnige Träger wurde nach dem Druck geglüht, um das Zellwachstum um die künstlich hergestellten knochenähnlichen Strukturen zu unterstützen. Kajtez et al. setzten eingebetteten 3D-Druck ein, um auf menschlichen Stammzellen basierende neuronale Gewebekonstrukte zu erstellen11. Sie entwickelten ein zusammengesetztes Druckträgermaterial, das Alginat-Mikrogele und extrazelluläre Matrixlösung auf Kollagenbasis kombiniert. Die sanfte Vernetzung von Kollagen glüht den Druckträger, um ein günstiges Umfeld für die Differenzierung von neuralen Stammzellen in funktionsfähige Neuronen zu schaffen. Senior et al. nutzten die Vorteile der Scherverarbeitung während des Gelierungsansatzes, um ein Agarose-basiertes Stützbad für den eingebetteten 3D-Druckzu generieren 12. Die thermischen Eigenschaften von Agarose ermöglichen es, gedruckte zellbeladene Hydrogel-Konstrukte zu kultivieren, ohne das Stützbad zu schmelzen.
Gestaute Mikrogel-Tinten stellen einen Weg für den kontrollierbaren 3D-Druck von möglicherweise jedem Hydrogel dar, das ansonsten aufgrund seiner niedrigen Viskosität oder schwer zu kontrollierenden Vernetzungsdynamik nur schwer zu drucken wäre13. Als Mikrogel-Tinten können Hydrogele auf traditionelle Weise Schicht für Schicht oder in einem Suspensionsbad gedruckt werden. Sie können auch Zellen aufnehmen, um körnige Biotinten zu bilden. Als solche bieten körnige Biotinten eine Lösung für das Bioprinting von Materialien, die mit herkömmlichen Methoden nicht kompatibel sind und möglicherweise Additive oder Vernetzungsbedingungen erfordern, die für Zellen schädlich sind. Zaman et al. stellen eine Methode zur Verfügung, die die Druckbarkeit dieser Tinten weiter verbessert, indem GelMA-Hydrogele mit reversibler Grenzflächen-Nanopartikel-Selbstorganisationprogrammiert werden 14. Aufgrund veränderter Wechselwirkungen zwischen den Partikeln können die resultierenden nanotechnologisch hergestellten granularen Biotinten bei geringerer Packungsdichte gedruckt werden, was die Formulierung von granularen Biotinten mit erhöhter Mikroporosität ermöglicht, die während des gesamten Druckprozesses gut erhalten bleiben. Darüber hinaus beschreiben die Autoren eine Methodik zur Erzeugung von mikrofluidischen Hydrogel-Mikropartikeln mit hohem Durchsatz, zur Umwandlung in Mikro-Aerogele und zum granulären Tintenglühen unter Verwendung von Transglutaminase.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Artikelsammlung eine detaillierte praktische Anleitung für eine Vielzahl von Anwendungen der Mikrogeltechnologie bietet. Die Sammlung beschreibt nicht nur die Verwendung verschiedener Hydrogelmaterialien und Vernetzungsmechanismen, sondern stellt auch verschiedene Herstellungstechniken für die Erzeugung von Hydrogel-Mikropartikeln vor. Am wichtigsten ist, dass die Sammlung nützliche Informationen über den Einsatz von Hydrogel-Mikropartikeln für den 3D-Druck und die regenerative Medizin liefert, vielversprechende Anwendungen von Mikrogel- und granularen Geltechnologien.