La tecnología de microgel se ha convertido en una herramienta poderosa y versátil para aplicaciones de medicina regenerativa e ingeniería de tejidos1. Al igual que sus contrapartes a granel, los microgeles se caracterizan por un alto contenido de agua, propiedades fisicoquímicas sintonizables y mimetismo del entorno extracelular nativo. Debido a los avances en las técnicas de fabricación, los microgeles se pueden producir en diferentes formas y tamaños a partir de una variedad de polímeros naturales y sintéticos. También se pueden utilizar para la encapsulación controlada de células y terapias. Una de las principales ventajas de los microgeles en comparación con los hidrogeles a granel tradicionales es que son fácilmente inyectables, lo que permite la administración mínimamente invasiva de carga celular, medicamentos o andamios biológicos para la reparación de tejidos. Además, los sistemas modulares de microgeles se pueden obtener fácilmente mezclando poblaciones de microgeles con propiedades distintas, mientras que la incorporación de microgeles en hidrogeles convencionales proporciona una ruta hacia compuestos de materia blanda. Cuando muchos microgeles se empaquetan en un estado atascado, dan lugar a geles granulares, materiales a granel con propiedades dinámicas a macroescala que se pueden aprovechar como un baño de soporte para la impresión tridimensional (3D) incrustada o como tintas de impresión 3D. Esta colección de artículos explora una amplia gama de métodos para la formulación y fabricación de microgeles, así como su utilización para posibles aplicaciones biomédicas.
Se necesitan enfoques rentables, sin emulsión y tecnológicamente no exigentes para la generación de microgeles en grandes cantidades. Para abordar esto, Muir et al. demostraron un protocolo elegante para la generación de microgeles de ácido hialurónico (HA) modificados con norborneno mediante fragmentación por extrusión2. Los hidrogeles a granel fotoreticulados se extruyeron a través de una serie de agujas con diámetros secuencialmente más pequeños. Las partículas de microgel fragmentadas resultantes se atascaron mediante filtración al vacío para formar un hidrogel granular compacto que se puede usar como tinta para la impresión 3D basada en extrusión. Stager et al. presentaron otro enfoque de fragmentación en el que se extruyó un hidrogel de quitosano reticulado a través de un filtro de malla para generar partículas de microgel con tamaño3 controlado. Luego se demostró que los hidrogeles fragmentados promueven la regeneración del tejido cartilaginoso cuando se emplean en un modelo de rata con lesión de la placa de crecimiento.
La interconexión de partículas de microgel atascadas da lugar a hidrogeles granulares recocidos y andamios porosos a granel con microarquitecturas únicas. Anderson et al. proporcionaron un protocolo para la generación microfluídica de microgeles de HA fotoreticulables que posteriormente se liofilizan sin dañar la red de polímeros4. La rehidratación controlada de los microgeles liofilizados y la posterior interconexión a través de un esquema de reticulación biortogonal conduce a la formación de andamios de HA porosos con fracción de partículas controlada, que los autores han demostrado que influye significativamente en la infiltración y migración celular. Roosa et al. describieron un método para la síntesis microfluídica de alto rendimiento de grandes volúmenes de microgeles de polietilenglicol (PEG)5. Luego, los autores demuestran enfoques para la purificación de microgeles, la caracterización básica de micropartículas y el recocido de partículas basados en un mecanismo de reticulación secundario para formar un andamio microporoso. Rommel et al. mostraron un enfoque para generar andamios recocidos con mayor porosidad mediante la utilización de partículas de microgel anisotrópicas6. Aprovecharon la microfluídica de enfoque de flujo para crear varillas de microgel a partir de polímeros de estrella-PEG con relaciones de aspecto controlables. Los andamios de varillas de microgel recocidos se pueden utilizar como entorno 3D para experimentos celulares. Luo et al. demostraron un método para la generación de microesferas porosas altamente abiertas a través de un enfoque microfluídico simple que podría usarse para la administración de células o productos biológicos7.
Las propiedades reológicas únicas de los geles granulares los convierten en soportes ideales para la impresión 3D incrustada de hidrogeles blandos y células8. Machour et al. combinaron un enfoque para la impresión 3D incrustada dentro de geles granulares de gelatina con la impresión 3D basada en moldes de sacrificio para crear colgajos de tejido de ingeniería9. Este método híbrido se aprovechó para crear una red vascular jerárquica a partir de tinta a base de colágeno mezclada con células endoteliales. Luego, el colgajo diseñado se implantó directamente en una arteria femoral de rata. Jalandhra et al. demostraron un enfoque para la creación de construcciones que imitan los huesos mediante la impresión 3D incrustada de una tinta cerámica a base de fosfato de calcio dentro de un gel granular cargado de células hecho de microgeles de metacrilato de gelatina (GelMA)10. El soporte granular se recoció después de la impresión para dar soporte al crecimiento celular alrededor de las estructuras que imitan los huesos diseñadas. Kajtez et al. emplearon la impresión 3D integrada para crear construcciones de tejido neural basadas en células madre humanas11. Desarrollaron un material de soporte de impresión compuesto que combina microgeles de alginato y una solución de matriz extracelular a base de colágeno. La reticulación suave del colágeno recoce el soporte de impresión para proporcionar un entorno favorable para la diferenciación de las células madre neurales en neuronas funcionales. Senior et al. aprovecharon el procesamiento por cizallamiento durante el enfoque de gelificación para generar un baño de soporte a base de agarosa para la impresión 3D incrustada12. Las propiedades térmicas de la agarosa hacen posible que las construcciones de hidrogel impresas cargadas de células se cultiven sin derretir el baño de soporte.
Las tintas de microgel atascadas presentan una ruta para la impresión 3D controlable de posiblemente cualquier hidrogel que de otro modo sería difícil de imprimir debido a su baja viscosidad o dinámica de reticulación difícil de controlar13. Como tintas de microgel, los hidrogeles se pueden imprimir de manera tradicional capa por capa o en un baño de suspensión. También pueden acomodar células para formar biotintas granulares. Como tal, las biotintas granulares proporcionan una solución para la bioimpresión de materiales no compatibles con los métodos tradicionales que pueden requerir aditivos o condiciones de reticulación dañinas para las células. Zaman et al. proporcionan un método que mejora aún más la capacidad de impresión de estas tintas mediante la programación de hidrogeles GelMA con autoensamblaje de nanopartículas interfaciales reversibles14. Debido a las interacciones alteradas entre partículas, las biotintas granulares de nanoingeniería resultantes se pueden imprimir a una densidad de empaque más baja, lo que permite la formulación de biotintas granulares con una mayor microporosidad bien conservada durante todo el proceso de impresión. Además, los autores describen una metodología para la generación de micropartículas de hidrogel microfluídico de alto rendimiento, la conversión a microaerogeles y el recocido de tinta granular utilizando transglutaminasa.
En resumen, esta colección de artículos proporciona una guía práctica detallada para una amplia gama de aplicaciones de la tecnología de microgeles. La colección no solo describe el uso de diferentes materiales de hidrogel y mecanismos de reticulación, sino que también presenta varias técnicas de fabricación para la generación de micropartículas de hidrogel. Lo más importante es que la colección proporciona información útil sobre cómo emplear micropartículas de hidrogel para la impresión 3D y la medicina regenerativa, aplicaciones muy prometedoras de las tecnologías de microgel y gel granular.