Zusatzstoff Herstellungstechnik für die einfache und schnelle Herstellung von Hydrogel-basierte Micromachines mit magnetisch reagieren Komponenten
18. Juli 2018
Eine additive Fertigung für die Verarbeitung von UV-vernetzbarem Hydrogele hat entwickelt. Diese Strategie ermöglicht die Schicht für Schicht Montage Microfabricated Hydrogel Strukturen sowie die Montage von unabhängigen Komponenten mit integrierten Geräte mit beweglichen Komponenten, die auf magnetischen Betätigung reagieren.
Dieses Verfahren demonstriert eine Herstellungsstrategie zur Herstellung anspruchsvoller, biokompatibler Mikrobauelemente auf Hydrogelbasis, die mit beweglichen Komponenten ausgestattet sind, die magnetisch betätigt werden können. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass es sich um eine schnelle und einfache Methode zur Mikroherstellung komplexer Geräte aus PET-basierten Hydrogelen handelt, die von der FDA für den Einsatz am Menschen zugelassen sind. Das Ergebnis ist ein vollständig biokompatibles und implantierbares Gerät.
Überprüfen Sie zunächst das begleitende Textprotokoll und verwenden Sie es, um die PDMS-Kammer herzustellen und die Fotomasken zu entwerfen, wie im begleitenden Textprotokoll beschrieben. Erstellen Sie als Nächstes den oberen Deckel für die PDMS-Kammer mit einem unbehandelten Stück eines Glasdeckglases mit der Nummer zwei. Ausgehend von der Nullebene des Geräts senken Sie das untere Substrat mit dem Mikrometerkopf auf die gewünschte Höhe ab.
Tragen Sie ein kleines Volumen des PEGDA-Prepolymers auf, das ausreicht, um das untere Substrat zu bedecken, und legen Sie dann das obere Substrat auf die PDMS-Kammer. Es ist darauf zu achten, dass keine Luftblasen zwischen dem oberen und unteren Substrat eingeschlossen sind. Luftblasen führen dazu, dass sich große Poren oder Defekte im polymerisierten Hydrogel bilden.
Platzieren Sie als Nächstes eine Fotomaske mit dem gewünschten Design auf dem oberen Substrat. Stellen Sie sicher, dass die Maske in vollem Kontakt mit dem oberen Substrat steht und an der Unterseite des Substrats ausgerichtet ist. Setzen Sie eine schützende UV-Schutzbrille auf.
Setzen Sie dann das Hydrogel-Präpolymer durch die Fotomaske UV-Licht aus. Die Stärke und Dauer der UV-Belichtung hängt von der Art des Systems und der PEGDA-Formulierung ab. Nachdem die Hydrogelschicht polymerisiert wurde, heben Sie das obere Substrat von der PDMS-Kammer ab.
Die polymerisierten Schichten sollten auf das obere Substrat geklebt werden. Befeuchten Sie diese polymerisierte Schicht mit überschüssigem, unvernetztem Prepolymer und lagern Sie es lichtgeschützt und um ein Austrocknen und Reißen der Schicht zu verhindern. Bewahren Sie es für die spätere Verwendung auf, um das zusammengebaute Gerät zu versiegeln.
Um die unteren Stützstrukturen zu erstellen, nehmen Sie zunächst ein PDMS-beschichtetes Glasdeckglas und verwenden Sie es als oberes Substrat der PDMS-Kammer. Tragen Sie mehr Hydrogel-Prepolymer auf das untere Substrat auf und decken Sie das PDMS gut mit dem PDMS-beschichteten Glasdeckglas ab. Dadurch soll sichergestellt werden, dass die polymerisierten Schichten auf dem unteren Substrat verbleiben, so dass der Benutzer Schichten nach oben aufbauen kann.
Legen Sie eine Fotomaske auf die Probe und achten Sie darauf, dass sie richtig ausgerichtet ist. Setzen Sie die Probe dann erneut UV-Licht aus. Entfernen Sie nach der Belichtung das obere Substrat, fügen Sie mehr PEGDA-Prepolymer hinzu und senken Sie das untere Substrat mit dem Mikrometerkopf auf das gewünschte Niveau ab.
Dieser Wert sollte der Dicke der zweiten Schicht des zu polymerisierenden Hydrogels entsprechen. Decken Sie an dieser Stelle die Vertiefung wieder mit dem PDMS-beschichteten Glassubstrat ab und richten Sie die Fotomaske richtig aus. Setzen Sie die Probe dann UV-Licht aus.
Wiederholen Sie diesen Vorgang so oft wie nötig, um die gewünschte Anzahl von Hydrogelschichten aufzubauen. Um das Gerät zu montieren und abzudichten, entfernen Sie zunächst das obere PDMS-beschichtete Deckglas und platzieren Sie mit einer Pinzette die vorgeformten Hydrogel-Komponenten, einschließlich Zahnräder und eisendotierte Komponenten, auf den Stützstrukturen. Um das Gerät abzudichten, bringen Sie zunächst das untere Substrat mit dem Mikrometer-Schraubenmessgerät auf die gewünschte endgültige Höhe des montierten Geräts.
Dies sollte die endgültige Höhe des Geräts sein, unter Berücksichtigung der Dicke der Schichten, der Innenteile und der für bewegliche Komponenten angegebenen Abstände. Legen Sie anschließend die vorgeformte Hydrogelschicht, die auf den unbehandelten Glasdeckglas geklebt ist, auf das teilweise montierte Gerät. Platzieren Sie die vorgeformte Schicht vorsichtig so, dass sie korrekt zu den darunter liegenden Strukturen ausgerichtet ist.
Platzieren Sie dann eine Fotomaske, die die Decke des Geräts abdeckt, aber die sich im Inneren bewegenden Komponenten vor UV-Strahlung schützt. Bei der Decke des Geräts ist es wichtig, die richtige Ausrichtung der Fotomaske sicherzustellen, damit das Gerät abgedichtet ist und gleichzeitig die Exposition der beweglichen Komponenten gegenüber UV-Licht vermieden wird. Dadurch wird verhindert, dass die beweglichen Bauteile auf den Stützstrukturen polymerisiert werden.
Sobald sie richtig ausgerichtet ist, setzen Sie die gesamte Struktur UV-Licht aus. Heben Sie den Glasabdeckschirm aus der Fertigungsphase an. Das versiegelte Gerät sollte auf dem oberen Untergrund haften.
Wenn das Gerät auf dem unteren Substrat kleben bleibt, heben Sie das Gerät vorsichtig mit einer Pinzette mit flacher Spitze an. Überschüssiges unpolymerisiertes PEGDA vorsichtig durch Vakuumsaugen entfernen. Heben Sie dann das Gerät mit einer flachen Pinzette vorsichtig von der Glasabdeckfolie ab.
Legen Sie das Gerät für mindestens 30 Minuten in Kochsalzlösung oder DI-Wasser, um das Gerät und die inneren Komponenten zu stabilisieren und auszudehnen. Um das Gerät zu betätigen, platzieren Sie einen Neodym-Magneten unterhalb oder über dem Gerät in einem Abstand von ein bis zwei Zentimetern zum Gerät. Während der Bewegung des Magneten wird die Bewegung der Eisenoxid-dotierten Komponenten die Bewegung des Magneten abschatten.
Dieses funktionale, eingetriebene Gerät wurde in weniger als 15 Minuten hergestellt. Das Gerät kann mit einem Magneten betätigt werden, und Abbildung 7B zeigt die verschiedenen Positionen des Eisenoxidsegments, wenn es mit einem Magneten betätigt wird. Diese Strategie kann für die Herstellung verschiedener Arten von Hydrogel-basierten Mikrobauelementen verwendet werden.
Hier ist zum Beispiel ein einfacher Absperrschieber, der die Freisetzung von Medikamenten aus einem einzigen Reservoir steuert. Die lineare Bewegung der Eisenoxid-dotierten Hydrogelkomponente verhindert die Diffusion eines hypothetischen Arzneimittels durch einen Auslass. Und hier steuert ein gesteuerter linearer Verteiler die Freisetzung von Medikamenten aus mehreren Reservoiren.
Jedes Reservoir enthält hypothetische Wirkstoffe, und die Bewegung der Eisenoxid-dotierten Komponente führt zu einer Gates, die die Bewegung der Arzneimittel aus diesen Reservoiren durch ein Fenster aus Hydrogel ermöglicht, das die Diffusion dieser Wirkstoffe aus dem Äußeren heraus ermöglicht. Darüber hinaus kann eine ausgeklügelte Konstruktion auf Basis des Genfer Antriebs eine intermittierende Bewegung erzeugen. Ein Antriebsrad mit dem Stift ist in der Lage, ein größeres angetriebenes Zahnrad zu aktivieren und bei jeder vollen Umdrehung des Antriebsrads eine 60-Grad-Drehung des Zahnrads durch das Zahnrad zu erzeugen.
Diese Herstellungsstrategie ist eine vielseitige Methode zur Herstellung verschiedener Arten von Hydrogel-basierten Bauelementen. Obwohl wir ihre Verwendung bei der Herstellung von PEG-basierten Bauelementen demonstriert haben, kann diese Strategie für jede Art von photopolymerisierbarem Hydrogel verwendet werden. Diese Technik schafft das, was wir für die nächste Generation implantierbarer Geräte halten: hochentwickelte, vollständig biokompatible Geräte, die magnetisch gesteuert und betätigt werden können, ohne dass eine integrierte Stromquelle erforderlich ist.
Übersicht
Dieser Artikel stellt eine neuartige additivfertigungstechnische Strategie zur Herstellung biokompatibler, hydrogelbasierter Mikrogeräte mit beweglichen Komponenten vor, die magnetisch angesteuert werden können. Die Methode ermöglicht die schnelle und einfache Mikrofertigung komplexer Vorrichtungen unter Verwendung von FDA-zugelassenen, PET-basierten Hydrogelen.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Neurowissenschaften
- Biomedizinische Technik
- Mikrofertigung
Hintergrund
- Hydrogels sind vielseitige Materialien, die in verschiedenen biomedizinischen Anwendungen eingesetzt werden.
- Die magnetische Aktuierung bietet eine nicht-invasive Methode zur Steuerung von Gerätekomponenten.
- Bestehende Verfahren zur Herstellung von Hydrogelen können komplex und zeitaufwendig sein.
- Ziel dieser Studie ist es, den Herstellungsprozess zu vereinfachen, während gleichzeitig die Biokompatibilität gewährleistet bleibt.
Zweck der Studie
- Entwicklung einer schnellen Methode zur Herstellung hydrogelbasierter Mikrogeräte.
- Integration beweglicher Komponenten in diese Geräte zur Verbesserung der Funktionalität.
- Sicherstellung der Biokompatibilität der Geräte und ihrer Eignung für eine mögliche Anwendung am Menschen.
Verwendete Methoden
- Schichtweiser Aufbau von Hydrogelstrukturen mittels UV-Vernetzung.
- Verwendung von PDMS-Kammern und Fotomasken zur präzisen Herstellung.
- Magnetische Aktuierung zur Steuerung der Bewegung von Hydrogelkomponenten.
- Stabilisierung der Geräte in Salzlösung nach der Herstellung.
Hauptergebnisse
- Erfolgreiche Herstellung von Hydrogel-Vorrichtungen mit integrierten beweglichen Komponenten.
- Nachweis der Fähigkeit, die Bewegung der Vorrichtung mittels eines Magneten zu steuern.
- Erreichung der Vorrichtungsherstellung in weniger als 15 Minuten.
- Entwicklung verschiedener Vorrichtungskonzepte, einschließlich Mechanismen zur Arzneimittelfreisetzung.
Schlussfolgerungen
- Die vorgeschlagene Methode vereinfacht die Herstellung komplexer Hydrogel-Bauelemente.
- Die Bauelemente sind biokompatibel und können für verschiedene biomedizinische Anwendungen eingesetzt werden.
- Diese Strategie eröffnet neue Wege für die Entwicklung responsiver Mikrobauelemente.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Diese additiven Fertigungstechnik ermöglicht die schnelle, schichtweise Herstellung biokompatibler Hydrogel-Mikromaschinen mit magnetisch ansprechenden Komponenten und trägt so der Notwendigkeit Rechnung, implantierbare Geräte zu entwickeln, die ohne integrierte Energiequellen funktionieren. Durch die Integration von superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln in PEGDA-Hydrogelen erlaubt das Verfahren eine berührungslose Aktuierung und präzise Bewegungssteuerung und bietet damit einen Vorhersagewert für therapeutische Gerätekonzepte in frühen Entwicklungsstadien. Der Ansatz verringert mechanistische Unschärfen in Drug-Delivery- und mikrofluidischen Systemen, indem er die reproduzierbare, mit den Vorgaben der FDA kompatible Prototypherstellung von Bauteilen mit beweglichen Elementen ermöglicht.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Überprüfung therapeutischer Hypothesen durch physikalische Aktivierung von Arzneimittelfreisetzungssystemen und unterstützt die Zielvalidierung mittels funktioneller Messungen.
- Operativer Wert: Erleichtert das schnelle Prototyping von hydrogelbasierten Vorrichtungen zur Beurteilung der biologischen Machbarkeit, bevor aufwändige Entwicklungswege eingeschlagen werden.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Erzeugt standardisierte Hydrogel-Vorrichtungen mit quantifizierbaren Bewegungsschwellen für eine konsistente Wirkstoffprüfung in mikrofluidischen Umgebungen.
- Operativer Wert: Unterstützt die Reproduzierbarkeit von Assays durch ausgerichtete, UV-vernetzte Schichten und magnetische Aktivierungssteuerung, wodurch die Variabilität der Messergebnisse verringert wird.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die krankheitsrelevante Untersuchung von Freisetzungsprofilen von Wirkstoffen unter physiologischen Bedingungen mithilfe von Schieberventilen und linearen Verteilern.
- Operativer Wert: Bietet eine Plattform für die Vorklinische Kontinuität, indem sie eine iterative Optimierung beweglicher Komponenten vor In-vivo-Studien ermöglicht.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode fügt sich in den Entdeckungsprozess von der hypothesengetriebenen Konzeption bis zur Identifizierung von Leitsubstanzen ein und ermöglicht eine schnelle Iteration hydrogelbasierter Gerätekonzepte vor der präklinischen Validierung.
- Entdeckungsbiochemie: Unterstützt die mechanistische Risikominderung, indem physikalische Tests von Diffusionshypothesen für Wirkstoffe mithilfe magnetisch gesteuerter Komponenten ermöglicht werden.
- Screening: Stellt bereit, assaysfähige Geräte mit reproduzierbarer Aktivierung und quantifizierbaren Freisetzungsfenstern zur Evaluierung von Wirkstoffen.
- Analytik: Erzeugt messbare Ausgabewerte wie Rotationswinkel (z. B. 60° pro Antriebszyklus) und lineare Wegschwellwerte für die vergleichende Analyse.
- Translationale Forschung: Ermöglicht den Anschluss an präklinische Arbeiten durch biokompatible, von der FDA zugelassene PEGDA-Konstrukte, die für Implantationsstudien geeignet sind.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Schafft eine wiederverwendbare Fertigungsplattform zur Erzeugung unterschiedlicher Hydrogel-Mikromaschinen-Designs über mehrere Projekte hinweg.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Steigert die Vorhersagesicherheit, indem die direkte Beobachtung der Komponentenbewegung und der Freisetzungskinetik von Wirkstoffen unter magnetischer Steuerung ermöglicht wird.
- Operativer Wert: Gewährleistet Standardisierung durch lichtmikroskopisch geführte Schichtfertigung und Stabilisierung nach der Fertigung in Kochsalzlösung.
- Strategischer Wert: Verbessert die Entscheidungsfindung zwischen Fortführung und Abbruch, indem eine frühzeitige Beurteilung der Gerätefunktionalität ohne Integration einer elektrischen Stromversorgung möglich ist.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt die risikoadjustierte Weiterentwicklung, indem die mechanische Zuverlässigkeit beweglicher Teile validiert wird, bevor in chronische Implantationsstudien investiert wird.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in der Fotolithographie, Hydrogelchemie und Dispersion magnetischer Nanopartikel.
- Benötigt UV-Belichtungssysteme, mikrometergesteuerte Stufen und Fähigkeiten zur Herstellung von PDMS-Kammern.
- Setzt eine Abstimmung zwischen den Arbeitsgruppen hinsichtlich der Konsistenz der Hydrogel-Zusammensetzung und der Standards für Fotomaske-Designs voraus.
- Beinhaltet Anpassungsüberlegungen beim Übertragen des Protokolls auf andere photopolymerisierbare Hydrogele außer PEGDA.
- Umfasst praktische Einschränkungen, wie beispielsweise die Vermeidung von UV-Belichtung dotierter Komponenten während des Versiegelns, um ungewollte Polymerisation zu verhindern.
