Name: Fabricación de hidrogeles degradables de interpenetrantes en múltiples escalas de la longitud mediante extrusión reactiva, microfluídica, uno mismo-Asamblea y Electrospinning (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-16T13:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 7 s
Description: Aprende a fabricar hidrogeles termorresponsivos degradables con escalas controladas mediante química de hidrazona. Este método permite crear microgeles, nanogeles y nanofibras para aplicaciones en liberación de fármacos e ingeniería de tejidos.

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Financiación de las ciencias naturales e Ingeniería investigación Consejo de Canadá (NSERC), el crear de NSERC-(diseño integrado de Matrices extracelulares) Programa 20/20: NSERC oftálmico red de investigación de biomateriales y el Ministerio de Ontario de la investigación y Programa de premios de investigador temprano de innovación se reconoce.

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Los autores no tienen nada que revelar.

Materiales inteligentes han atraído considerable atención debido a su potencial reversible "on-demand" las respuestas a las señales externas o ambientales. Materiales sensibles a la temperatura han atraído interés particular debido a su comportamiento de temperatura (LCST) solución crítica inferior, resultando en la precipitación basada en temperatura a las temperaturas T &gt; LCST1,2. En el contexto de los hidrogeles interpenetrantes, este comportamiento de temperatura de solución crítica inferior se manifiesta por reversibles inflamación/de-swelling eventos que resultan en tamaños de temperatura regulables a granel (más grande en T &lt; LCST)3, tamaños de poro (mayores a T &lt; LCST)4y las propiedades interfaciales (más hidrofílicos t &lt; LCST)5. Estas transiciones se han aplicado extensamente en el suministro de medicamentos (medicamento externo o medio ambiente-triggerable soltar4,6,7), cultura de la ingeniería y de la célula del tejido (para la adherencia de célula termoreversibles / delaminación8,9,10), separaciones (de porosidades de la membrana cambiable y permeabilidades o térmicamente reciclable apoya diagnóstico11,12, 13), procesos de microfluidos (para válvulas de cierre regulador flujo14,15) y modificadores reológicos (para viscosidades temperatura regulables16). Los más comúnmente investigada interpenetrantes hidrogeles se basan en poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM)17, aunque trabajo importante (y creciente) también se ha realizado en poli (metacrilato de glicol oligoetileno) (POEGMA)2 ,18 y poly(vinylcaprolactam) (PVCL)19,20. POEGMA ha suscitado particular interés reciente por su biocompatibilidad mejorada esperado21,22y su comportamiento LCST de fácil ajuste, que linealmente previsible mezclas de monómeros con diferentes números de unidades repetidas de óxido de etileno en sus cadenas laterales pueden alterar la LCST de ~ 20 ° C a &gt; 90 ° C2,23. Sin embargo, cada uno de estos polímeros es preparado por polimerización de radicales libres y por lo tanto contiene un esqueleto de carbono, limita significativamente la utilidad potencial y traducción de estos polímeros en el contexto de aplicaciones biomédicas en las que degradación (o al menos la capacidad de separación por filtración renal) es típicamente un requisito.
En respuesta a esta limitación, recientemente hemos informado ampliamente acerca de la aplicación de la hidrazona química (es decir., la reacción entre hidrazida y prepolímeros funcionalizados aldehino) preparar análogos degradables de interpenetrantes hidrogeles24,25,26,27,28,29. La reacción rápida y reversible entre grupos aldehido e hidrazida sobre la mezcla de los polímeros funcionalizados precursor del30 permite tanto congelación en situ (permitiendo fácil inyección de estos materiales sin necesidad de cirugía implantación o cualquier tipo de estímulo externo polimerización como iniciación de irradiación o químico UV) así como de degradación hidrolítica de la red a una velocidad controlada por la química y la densidad de los sitios de entrecruzamiento. Además, manteniendo el peso molecular de los polímeros previa para preparar hidrogeles por debajo del límite de filtración renal, hidrogeles constituidos este enfoque se degradan en los polímeros de los precursores que pueden eliminarse del cuerpo de la25 ,27,28. Junto con la baja citotoxicidad y respuesta bajo tejido inflamatorio inducido por estos materiales25,26,27, este enfoque ofrece un método potencialmente traducible para el uso de interpenetrantes hidrogeles inteligentes en medicina, sobre todo si pueden fabricarse bien controlados degradables análogos de estos hidrogeles en todas las escalas de longitud (a granel, micro y nano).
En este protocolo, se describen métodos para la fabricación sintética interpenetrantes pre polímeros funcionalizados con números controlados de hidrazida y aldehino grupos así como métodos para aplicar estos polímeros para crear hidrogeles con dimensiones bien definidas en varias escalas de longitud. En concreto, este manuscrito describe cuatro enfoques distintos que se han desarrollado para controlar la mezcla de la hidrazida reactiva y prepolímeros aldehído funcionalizados y así crear interpenetrantes redes de hidrogel con geometrías bien definidas y morfologías:
Para crear hidrogeles degradables a granel con tamaños definidos, se describe una estrategia de plantillas por el cual se cargan los prepolímeros reactivos en barriles separadas de una jeringa de doble cañón equipa a su salida de un mezclador estático y posteriormente coestruida en un molde de silicona con el hidrogel deseada forma y dimensiones21,27 (figura 1).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig1.jpg"> Figura 1 : Esquema de formación de hidrogel a granel. Hidrazida y soluciones de polímeros funcionalizados de aldehído (en agua o tampón acuoso) se cargan en barriles separadas de una jeringa de doble barril y co extrusión a través de un mezclador estático en un molde cilíndrico de silicón. Congelación rápida en situ sobre mezcla forma un hidrogel reticulado de hidrazona, que es libre (una vez retirado el molde) dentro de segundos a minutos, dependiendo de concentración y grupo funcional la densidad de los polímeros del precursor. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig1large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
Para crear las partículas de gel degradables en la escala del micrón, se describe un método de microfluídica reactiva en que precursor soluciones de polímeros son simultáneamente mezclado y emulsionado mediante un diseño de chip de microfluidos con plantilla litografía suave, lo que permite la formación de gotas de la mezcla polímero reactivo que posteriormente gel en situ para micropartículas de gel forma con tamaños con plantillas de la emulsión (figura 2)31,32.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig2.jpg"> Figura 2 : Esquema de formación de micropartículas de gel mediante microfluídica reactiva. (A, B) Hidrazida y soluciones de polímeros funcionalizados de aldehído (en agua o tampón acuoso) son alimentadas por la bomba de jeringa en depósitos separados que están conectados aguas abajo a través de una serie de zig-zag de canales diseñados para crear un gradiente de presión prevención de contraflujo. Los polímeros son mezclados antes de ser cortado por el aceite de parafina que sale de ambos lados (también impulsados por una bomba de jeringa) y forzados a través de un inyector, dando por resultado la producción de enfoque de flujo de acuoso gotitas (solución de polímero) en una fase de aceite continua parafina (véase (B) para una ilustración de la zona de la boquilla y el proceso de formación de la gotita). Un adicional dos entradas de aceite de parafina se colocan después de la boquilla que más separa las gotitas en el canal de recogida para permitir la completa gelificación antes de quitar la partícula de flujo laminar, después de lo cual el resultante particulada geles son recogidos en un vaso de precipitados agitada magnéticamente; (C) imagen de proceso de generación de gotas en la boquilla (Nota ese polímero de hidrazida es etiquetado como azul para ilustrar la mezcla)
Para crear las partículas de gel degradables en la nanoescala, térmicamente impulsado reactiva autoensamblaje es describir el método en el que una solución de uno de los polímeros reactivos precursores (el polímero de "semilla") se calienta por encima de su LCST para formar una nanoaggregate estable que es posteriormente reticulado por adición del polímero precursor reactivo complementario (el polímero de "crosslinking"); el nanogel de reticulado de hidrazona resultante tiene un tamaño de plantilla directamente por el nanoaggregate (figura 3)28.
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig3v2.jpg"> Figura 3 : Esquema de nanogel formación vía impulsado térmicamente reactiva uno mismo-Asamblea. Una solución acuosa que contiene el polímero de hidrazida funcionalizados (interpenetrantes) se calienta por encima de su temperatura de solución crítica inferior para crear un ámbito estable nanoaggregate. Un polímero funcionalizados de aldehído se agrega a la reticulación el nanoaggregate a través de la formación del enlace de hidrazona y estabilizar así la partícula nanogel por enfriamiento por debajo de la LCST. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig3v2large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
Para crear nanofibras degradables, se describe una técnica de Electrohilado reactiva en que una jeringa de barril doble equipada con un mezclador estático en su salida (como los utilizados para la fabricación de los hidrogeles a granel) se une a una plataforma de electrospinning estándar (figura 4 )33.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig4.jpg"> Figura 4 : Esquema de la formación de nanofibras de hidrogel mediante electrospinning reactivo. Una jeringa de doble cañón con un mezclador estático (cargado como se ha descrito para los hidrogeles a granel pero también incluyendo una fracción de alto peso molecular poly(ethylene oxide) como una ayuda de electrospinning) está montada en una bomba de jeringa con la aguja en el extremo de la jeringa conectada a una fuente de alimentación de alto voltaje. Hidrazona reticulación ocurre durante la fibra hilatura proceso para que cuando la corriente del colector (papel de aluminio o un disco giratorio de aluminio) se mantiene la morfología de nanofibras. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig4large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
La aplicación de tales métodos para la creación de redes degradable hidrogel inteligente se demuestra en el presente Protocolo mediante PNIPAM o POEGMA como el polímero de interés; sin embargo, los enfoques básicos descritos pueden ser traducidos a cualquier polímero soluble en agua, aunque con ajustes apropiados para la viscosidad y (en el caso de la uno mismo-Asamblea nanogel método de fabricación) la estabilidad del polímero previa en la formación de la semilla nanoaggregate.

<table><tbody><tr><td><fuerte>químicos</fuerte></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>2,2 - ácido azobisisobutílico dimetil éster</td><td>Wako Chemicals</td><td>101138</td><td></td></tr><tr><td>di(etilenglicol) metil éter metacrilato (M(EO)2MA)</td><td>Sigma Aldrich</td><td></td><td>447927 188,2 g/mol, n=2 unidades repetidas de óxido de etileno</td></tr><tr><td>Oligo (etilenglicol) metacrilato de éter metílico (OEGMA475)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>447943</td><td>475 g/mol, n=8-9 unidades de repetición de óxido de etileno</td></tr><tr><td>Ácido acrílico (AA), 99%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>147230</td><td></td></tr><tr><td>Ácido tioglicólico (TGA), 98%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>T3758</td><td></td></tr><tr><td>Dioxano, 99%</td><td>Caledon Labs</td><td>360481</td><td></td></tr><tr><td>Nitrógeno, grado UHP</td><td>Air Liquide</td><td>Alphagaz1 765A-44</td><td></td></tr><tr><td>Dihidazida de ácido adípico (ADH), 98%</td><td>Alfa Aesar</td><td>A15119</td><td></td></tr><tr><td>N'-etil-N-(3-dimetilaminopropilo)-carbodiimida (EDC, x%)</td><td>Carbosynth</td><td>FD05800</td><td></td></tr><tr><td>Ácido clorhídrico (HCl), 37%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>320331</td><td></td></tr><tr><td>Hidróxido de sodio (NaOH), 97%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>221465</td><td></td></tr><tr><td>Aminoacetil aldehído dimetil acetal, 99%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>121967</td><td></td></tr><tr><td>4-Hidroxi-TEMPO, 97%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>176141 Cloruro</td><td></td></tr> de <tr><td>metacriloilo,97x%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>523216</td><td></td></tr><tr><td>Éter de petróleo, 95%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>32047</td><td></td></tr><tr><td>Sulfato de magnesio, 99.5%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>M7506</td><td></td></tr><tr><td>éter metílico de terc-butilo, >99.0%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>443808</td><td></td></tr><tr><td>solución salina</td> <td>tamponada con fosfatoBioShop</td><td>PBS405.1</td><td>1x, pH 7.3-7.5</td></tr><tr><td>N-isopropilacrilamida, 99%</td><td>J& K Scientific</td><td>258717</td><td>Recristalizado a partir de 60% hexanos/40% tolueno</td></tr><tr><td>Etanol anhidro</td><td>Alcoholes comerciales</td><td>P016EAAN</td><td></td></tr><tr><td>de duración 80</td><td>Sigma Aldrich</td><td>S6760</td><td></td></tr><tr><td>Aceite de parafina pesada</td><td>Caledon Labs 1326197</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Pentano, grado reactivo</td><td>Caledon Labs</td><td>1/10/7800</td><td></td></tr><tr><td>Poli (óxido de etileno) promedio Mv 600,000</td><td>Sigma Aldrich</td><td>182028</td><td></td></tr><tr><td>Suministros esenciales para la síntesis y la fabricación de hidrogel</fuerte></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Evaporador rotativo</td><td>Heidolph</td><td>G3</td><td></td></tr><tr><td>Tubo de diálisis (corte de peso molecular de 3500 Da)</td><td>Spectrum Labs</td><td>28170-166</td><td>Vol/longitud= 6,4 mL/cm</td></tr><tr><td>Jeringa de doble barril</td><td>Medmix</td><td>L series</td><td>L serie, 2,5 mL, relación de volumen 1:1</td></tr><tr><td>Mezclador estático</td><td>Medmix</td><td>serie L</td><td>Serie L, 2,5 mL, relación de volumen 1:1, longitud de 1,5"</td></tr><tr><td>Lámina de caucho de silicona, 1/16" de espesor</td><td>McMaster-Carr</td><td>9010K12, 30A Durómetro (Súper Suave)</td><td></td></tr><tr><td>Bomba de jeringa</td><td>KD Scientific</td><td>KDS Legato 200</td><td>Infuse Only Doble Fuente</td></tr><tr>de<td>alimentación de alto voltaje Spellman</td><td></td><td>230-20R</td><td>0 a 20 kV</td></tr><tr><td><fuerte>Fabricación de chips microfluídicos</oblea ></td><td></td><td></td><td></td></tr> <tr><td>silicio</td> fuerte <td>University Wafer</td><td>2080</td><td>D = 76,2 mm; 380 &micro; m de espesor; Dopado con P; < 100> orientación&nbsp;</td></tr><tr><td>SU-8 100</td><td>MicroChem</td><td>Y131273</td><td></td></tr><tr><td>Revelador SU-8</td><td>MicroChem</td><td>Y020100</td><td></td></tr><tr><td>Spincoater personalizado de 2,5"</td><td>Construido internamente</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Alineador de máscaras</td><td>KARL SUSS</td><td>MJB3 UV400 (con una lámpara de 276 W)</td><td></td></tr><tr><td>Masterflex L/S 13 Tubo de silicona</td><td>Cole Parmer</td><td>OF-96400-13</td><td>Curado con</td></tr> <tr><td>peróxidoDow Corning Sygard 184 Base de elastómero de silicona&nbsp;</td><td>Adhesivos Ellsworth 4019862</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Dow Corning Sygard 184 Agente de curado de elastómero de silicona&nbsp;</td><td>Ellsworth Adhesives</td><td>4019862</td><td></td></tr><tr><td>limpiador de plasma de alta potencia&nbsp;</td><td>Harrick</td><td>PDC-002-HP</td><td></td></tr><<tr><td>strong>Caracterization Instruments</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Mach 1 probador micromecánico</td><td>Biomomentum</td><td>LB007-ES</td><td></td></tr><tr><td>Cellstar placa de cultivo de tejidos de 12 pocillos</td><td>Greiner Bio-one</td><td>665 180</td><td></td></tr><tr><td>Inserto de cultivo celular para placa de 12 pocillos</td><td>Corning</td><td>08-771-12</td><td>8 &micro; m tamaño de poro</td></tr><tr><td>Microscopio óptico</td><td>Olympus BX51 microscopio óptico</td><td>BX51</td><td></td></tr><tr><td>Platina de microscopio con control de temperatura</td><td>Linkam Scientific</td><td>THMS600</td><td></td></tr><tr><td>Cromatógrafo de permeación en gel (GPC)</td><td>Bomba</td> de <td>HPLC Waters 590 Columnas</td><td>Styragel de Waters (HR2, HR3, HR4; 30 cm x 7,8 mm (ID); partículas de 5 mm), Detector de índice de refracción Waters 410</td></tr><tr><td>Dispersión dinámica de la luz (DLS)</td><td>Analizador</td><td></td>de <td>tamaño de partículas Brookhaven 90Plus</td></tr><tr><td>Microscopía electrónica de transmisión (TEM</td><td>)TEMSCAN</td><td>JEOL 1200EX</td><td>Tensión de aceleración 100 kV</td></tr><tr><td>Microscopía electrónica de barrido (SEM)</td><td>Tescan</td><td>Vega II LSU</td><td>Tensión de aceleración Microsquisher 10 kV</td></tr><tr><td></td><td>CellScale Pruebas de biomateriales</td><td>MS-50M-01</td><td></td></tr></tbody></table>

fabricación de hidrogeles degradables de interpenetrantes en múltiples escalas de la longitud mediante extrusión reactiva, microfluídica, uno mismo-asamblea y electrospinning

Fabricating Degradable Thermoresponsive Hydrogels on Multiple Length Scales via Reactive Extrusion, Microfluidics, Self-assembly, and Electrospinning

Mientras que se han explorado diferentes materiales inteligentes para una variedad de aplicaciones biomédicas (por ejemplo, el suministro de medicamentos, ingeniería de tejidos, Bioimagen, etcetera), su último uso clínico ha sido obstaculizado por la falta de biológicamente relevantes degradación observada para materiales más inteligentes. Esto es particularmente cierto para hidrogeles sensibles a la temperatura, que se basan casi uniformemente en los polímeros que son funcionalmente no degradables (p. ej., poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) o poli (metacrilato de glicol oligoetileno) (POEGMA) ). Como tal, para traducir con eficacia el potencial de los hidrogeles interpenetrantes a los desafíos del control remoto o regulado por el metabolismo del fármaco, andamios con interacciones de material celular armoniosas, teranosis materiales con potencial de la célula para la proyección de imagen y entrega de la droga y otras tales aplicaciones, un método es necesario para procesar los hidrogeles (si no totalmente degradables) menos capaz de depuración renal después de la vida útil requerida del material. Para ello, este protocolo describe la preparación de hidrogeles degradables hidrolítico hidrazona-reticulado en múltiples escalas de la longitud basados en la reacción entre hidrazida y aldehído funcionalizados oligómeros PNIPAM o POEGMA molecular pesos por debajo del límite de filtración renal. Específicamente, métodos para fabricar interpenetrantes degradable a granel hidrogeles (utilizando una técnica de jeringa doble barril), las partículas de hidrogel (en ambos la microescala mediante el uso de una plataforma de microfluídica facilitando la mezcla simultánea y emulsificación de los polímeros del precursor y la nanoescala mediante el uso de una térmica basada en el uno mismo-Asamblea y método del cross-linking), y nanofibras de hidrogel (usando una estrategia reactiva electrospinning) se describen. En cada caso, los hidrogeles con temperatura sensible propiedades similares a los obtenidos vía convencional radical libre Cross-linking procesos pueden lograrse, pero la red entrelazada de hidrazona puede ser degradada en el tiempo para volver a formar las oligoméricas precursor de polímeros y habilitar espacio. Así, prevemos que estos métodos (que puede ser aplicado genéricamente a cualquier sintético polímero soluble en agua, no sólo inteligentes materiales) permitirá más fácil traducción de sintético materiales inteligentes para aplicaciones clínicas.

Hidrogeles a granel, sacados una jeringuilla de doble barril en un molde de silicona se ajustan a las dimensiones del molde y ser libre al retirar del molde; Gelación típicamente ocurre segundos a minutos siguiente Co-extrusión según precursores de polímero utilizado. Caracterización típica vía inflamación (medida gravimétricamente mediante una inserción de la cultura de célula para eliminar fácilmente el hidrogel de la solución de inflamación), thermoresponsivity (medido usando la misma técnica pero ciclismo la temperatura de incubación anterior y debajo de la temperatura de transición fase), degradación (medido usando la misma técnica pero sobre períodos más largos) y corte o módulo de resistencia a la compresión (medido usando muestras de 2 mm de espesor y 7 mm diámetro moldeado) demuestra la afinabilidad del hidrogel respuestas dependiendo de la química del polímero precursor (específicamente, para POEGMA, la relación de corto a los monómeros OEGMA de cadena larga usados para preparar el hidrogel), la fracción de grupos funcionales en los polímeros del precursor y la concentración de los precursor de polímeros (figura 5)27.
Microfluídica conduce a la formación de micropartículas de gel bien definidos en la escala de tamaño de 25-100 μm, con el tamaño controlable basado en las tasas de flujo de aceite o el polímero acuoso combinado fases (figura 6A)31. Microscopía óptica etapa caliente confirma que las micropartículas de gel mantengan la naturaleza interpenetrantes de los hidrogeles a granel, mostrando reversible dependiente de la temperatura inflamación-desinchazón con sólo una leve histéresis en el ciclo 1 (atribuible a formación irreversible de enlaces de hidrógeno entre grupos vecinos de amida en el colapsado estado34) consistente con lo observado en bulto PNIPAM hidrogeles (Figura 6B)32. Además, las micropartículas de gel se degradan a sus precursores los con el tiempo, permitiendo la depuración renal (figura 6)32.
Uno mismo-Asamblea impulsada por el nanoaggregation de un polímero PNIPAM hidrazida funcionalizados en una solución caliente seguido por reticulación con un aldehino-functionalized PNIPAM polímero resultado altamente monodispersa nanogels (polidispersidad &lt; 0.1) en el gama del tamaño de 180-300 nanómetro, dependiendo de las condiciones del proceso había utilizado (figura 7A)28. Las nanogels conservar el comportamiento típico interpenetrantes de nanogels PNIPAM convencional reticulado de radicales libres, con menores grados de térmica desinchazón observó como cross-linking más polímero fue agregado (figura 7B). La nanogels puede ser liofilizada y redispergidos sin un cambio en el tamaño de las partículas (figura 7C) y se degradan con el tiempo a través de hidrólisis para volver a formar los polímeros de los precursores utilizados para formular el nanogels (figura 7D).
Electrospinning reactivo crea un nanofibras hidrogel estructura (figura 8A), con diámetros de nanofibras orden del día de ~ 300 nm alcanzable sin partículas visibles electrosprayed presentan33. Remojo las nanofibras en base POEGMA en agua resulta en la rápida hidratación (aproximadamente dos órdenes de magnitud más rápidas que logra con un gel a granel de una misma composición, figura 8B) pero mantiene la morfología de nanofibras durante 8-10 semanas antes degradación hidrolítica en condiciones fisiológicas; degradación más rápida se observa en ambientes catalizada por ácido, como se esperaba debido al potencial de degradación de bonos de hidrazona catalizada por ácido (figura 8C). Las nanofibras estructuras son también mecánicamente robustas en los Estados seco e inflamados durante varios ciclos, lo que permite un manejo fácil y repetitivo filtra (figura 8D).
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig5v2.jpg"> Figura 5 : Propiedades de in situ -gelificación a granel hidrogeles degradables interpenetrantes. (A) POEGMA representante del gel red microestructuras y a granel hidrogel imágenes con los correspondientes tiempos de gelificación en función de la incorporación de % mol de OEGMA475 en los polímeros del precursor; (B-C) Módulo de almacenamiento de información de la PO100 hidrogeles por diferente concentración de polímero de precursor (B) y (C) mole % grupo funcional incorporación por polímero precursor; (D-F) Propiedades fisicoquímicas de los hidrogeles POEGMA en función de la incorporación de OEGMA475 mole %: Perfil de degradación de módulo (E) (D) almacenamiento en 1 M HCl y temperatura de transición de fase (F) volumen en respuesta a la temperatura cambian en el rango 20-60 ° C. Todas las barras de error representan la desviación estándar de n = 4 medidas replicadas. Adaptado de la referencia27 , con permiso de Elsevier. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig5v2large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig6.jpg"> Figura 6 : Propiedades de micropartículas de gel degradables de microfluídica reactiva. (A) efecto del caudal de aceite de parafina en gel (purificada) tamaño de micropartículas en el agua; (B) Thermoresponsivity de micropartículas de gel purificado en agua siguiendo un ciclo térmico solo por encima y por debajo de la temperatura de transición de fase de volumen; Evaluación (C) Visual (fotos) y gel de rastros de cromatografía de permeación (gráfico) confirma degradación de micropartículas de gel de nuevo a sus componentes de polímero precursor (aquí, en 1 M de HCl para facilitar la degradación acelerada en la escala de tiempo de la proyección de imagen); barra de escala = 100 μm. adaptado de referencia32. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig6large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig7v2.jpg"> Figura 7 : Propiedades de nanogels degradable de reactivo uno mismo-Asamblea. (A) distribución de tamaño de partícula de nanogels con cocientes masa del polímero de diferentes aldehídos: hidrazida de dispersión ligera dinámica (inserción: micrografía electrónica de transmisión confirmar la naturaleza esférica de la nanogels); (B) Thermosensitivity de uno mismo-montado partículas en función de la relación masa de polímero de aldehído: hidrazida para preparar el nanogels (de la dispersión ligera dinámica), con barras de error que representa la desviación estándar de n = 4 repeticiones; Confirmación Visual (C) la falta de agregación de nanogel pre y posterior liofilización; (D) confirmación visual de la degradación catalizada por ácido de nanogels (aquí en 1 M de HCl para la consistencia con otros estudios anteriores); (E) el gel permeación cromatógrafo los rastros de productos de degradación de nanogel indicando su semejanza a la hidrazida y polímeros funcionalizados aldehído precursor. Adaptado con permiso de referencia28. Derechos reservados 2015, American Chemical Society. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig7v2large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig8v2.jpg"> Figura 8 : Propiedades de nanofibras degradables de electrospinning reactivo. (A) microscopía electrónica de imágenes de nanofibras en el seco estado (izquierda), la mitad sumergido en agua (media, fina película) y completamente empapan en agua durante la noche (andamio derecha, grosor); (B) hinchamiento del hidrogel de nanofibras (rojo) en relación con un hidrogel a granel (azul) de la misma composición, con barras de error que representa la desviación estándar de n = 4 repeticiones; (C) exploración imágenes visuales la microscopia electrónica y (recuadro) seguimiento de la degradación catalizada por ácido de nanofibras en 1 M de HCl; (D) hinchadas (325 ciclos, 10% elongación/ciclo en 10 mM PBS) y ciclismo resistencia a la tracción de seco (80 ciclos, 20% elongación/ciclo) hidrogeles de nanofibras electrospun. Figura modificada de referencia33 y reproducido con permiso de la Real Sociedad de química. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig8v2large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>

Se describen los protocolos para la fabricación de hidrogeles degradables interpenetrantes basados en hidrazona Cross-linking de oligómeros poliméricos en la escala de a granel microescala, nanoescala y el último para la preparación de nanopartículas de gel y nanofibras.

Fabricación de hidrogeles degradables de interpenetrantes en múltiples escalas de la longitud mediante extrusión reactiva, microfluídica, uno mismo-Asamblea y Electrospinning

While various smart materials have been explored for a variety of biomedical applications (e.g., drug delivery, tissue engineering, bioimaging, etc.), ...

El objetivo general de este protocolo es fabricar versiones degradables de hidrogeles termosensibles con escalas de longitud y geometrías controladas. Este método puede ayudar a abordar desafíos clave en el escenario de los materiales biomédicos, como facilitar la administración local de fármacos mínimamente invasivos a largo plazo, crear andamios sensibles para la ingeniería de tejidos o diseñar nanoterapias dirigidas. La principal ventaja de nuestra técnica es una química rápida de biohidrazona inversa que nos permite controlar el tamaño y la forma de los hidrogeles degradables cambiando la geometría de mezcla del precursor del polímero.Esta flexibilidad nos permite fabricar geles fólicos, microgeles, nanogeles y nanofibras, todos con el mismo material de partida. En primer lugar, prepare unos dos mililitros de cada una de las soluciones de polímeros precursores termosensibles funcionalizados con hidazida y aldehído funcionalizado con concentraciones entre el cinco y el 40% en peso y solución salina tamponada con fosfato 10 milimolares. Utilice jeringas de un solo barril para cargar las soluciones de polímeros precursores en cilindros separados de una jeringa de doble cilindro 1:1 de 2,5 mililitros.A continuación, conecte un mezclador estático de 1,5 pulgadas a una jeringa de doble barril 1:1 de 2,5 mililitros. Si lo desea, conecte una aguja de 1.5 pulgadas de calibre 18 o calibre 20 al mezclador estático. Luego, corte de una lámina suave de caucho de silicona del grosor deseado.Una pieza del tamaño de un portaobjetos de microscopio estándar. Utilice un juego de punzones para perforar al menos un agujero de la forma deseada en la lámina de caucho de silicona. Coloque el molde de caucho de silicona en un portaobjetos de vidrio limpio, asegurándose de que todos los orificios estén respaldados por el vidrio.Presione suavemente el molde contra la corredera para fijarlo en su lugar. Las láminas de caucho de silicona también se pueden usar como respaldo para garantizar una buena adherencia del sustrato. Co extruya las soluciones de polímeros funcionalizados con hidrazida y aldehído a través del mezclador estático en los pocillos del molde hasta que los pocillos se llenen por completo.Cubra el molde con un segundo portaobjetos de vidrio limpio y espere a que termine la gelificación. Luego, retire la corredera superior y use una espátula para separar los hidrogeles del molde de caucho de silicona. Levanta el molde del portaobjetos para recuperar los hidrogeles.Antes del procedimiento, fabrique un chip microfluídico para la generación de micropartículas. Sintetizar poli NIPAM funcionalizado con hidrazida y aldehído. Para comenzar, prepare dos mililitros cada uno de soluciones de 6% en peso de hidrazida y poli NIPAM funcionalizado con aldehído en agua desionizada.Cargue las soluciones precursoras del polímero en jeringas separadas de cinco mililitros. A continuación, prepare 150 mililitros de una solución al 1% en peso de monooleato de sorbitán en aceite de parafina espesa. Cargue esta solución en dos jeringas estándar de 60 mililitros.Monte las cuatro jeringas en bombas de jeringa de infusión separadas. A continuación, conecte un tubo de silicona de 45 centímetros de longitud a la salida del chip microfluídico. Coloque el extremo del tubo de salida en un contenedor de residuos.Conecte las jeringas de solución de polímero a los canales de entrada de polímero en el chip microfluídico con tubos de silicona de 30 centímetros de longitud. Conecte una jeringa de solución de aceite de parafina al canal de entrada de aceite aguas arriba con un tubo de silicona. Conecte la otra jeringa de aceite a ambos canales de entrada de aceite aguas abajo mediante un tubo de silicona y una junta de jeringa en forma de U.Ajuste los caudales de las bombas equipadas con jeringas de aceite entre 1,1 y 5,5 mililitros por hora. Haga fluir el aceite a través del chip microfluídico durante al menos 30 minutos para cebar el chip y confirmar que el chip está libre de defectos. A continuación, suministre simultáneamente ambas soluciones poliméricas al chip cebado a 03 mL por hora.Deje que el flujo de polímero y aceite se equilibre durante 30 minutos a una hora. Para evitar la gelificación prematura de los polímeros precursores en la boquilla microfluídica, es esencial cebar cuidadosamente el tubo e iniciar el flujo de polímero exactamente al mismo tiempo para evitar el reflujo hacia cualquiera de los depósitos de polímero. Una vez que se formen micropartículas de gel uniformes en la boquilla del chip microfluídico, recoja las partículas en un tubo de centrífuga de plástico con una barra de agitación magnética activa.Detenga las bombas de jeringa y el motor de agitación cuando se haya consumido el aceite. Una vez que las micropartículas de gel se hayan asentado en el tubo, decantar el aceite de parafina con una pipeta. Añadir al matraz 10 mililitros de pentano por cada 5 mL de micropartículas.Mezcle vigorosamente la emolución durante aproximadamente un minuto. Deje que las partículas se asienten durante una o dos horas antes de decantar el pentano con una pipeta. Repita este lavado de pentano al menos cinco veces.Transfiera las micropartículas de gel lavadas a un pequeño frasco de centelleo de vidrio. Vuelva a suspender las partículas en uno o dos mililitros de agua desionizada. Para comenzar este procedimiento, prepare cinco mililitros cada uno de soluciones al 1% de hidrazida y poli NIPAM funcionalizado con aldehído en agua desionizada.Caliente cinco mililitros de la solución de poli NIPAM funcionalizada con hidrazida a 70 grados centígrados mientras revuelve. Monitoree la solución a medida que se vuelve opaca y confirme que no se forme ningún precipitado visible. A continuación, añada 0,25 mililitros de la solución de poli NIPAM funcionalizada con aldehído gota a gota a la solución de poli NIPAM funcionalizada con hidrazida calentada en el transcurso de cinco a 10 segundos.Remueve la mezcla durante 15 minutos a 70 grados centígrados. Luego, retire la mezcla del baño de aceite y deje que se enfríe a temperatura ambiente durante la noche para obtener los nanogeles para la purificación. Coloque la mezcla de nano gel en una membrana de diálisis cortada de 3500 kilodalton de peso molecular.Diálisis los nanogeles contra el agua dionizada seis veces durante ciclos de seis horas para eliminar los polímeros no reticulados. Si lo desea, liofililice los nanogeles purificados para su almacenamiento. Para comenzar el procedimiento de fabricación de nanofibras en gel, prepare un mililitro de soluciones al 15% en peso de hidrazida y POEGMA funcionalizado con aldehído en agua desionizada.Luego, prepare dos mililitros de una solución al 5% en peso de óxido de polietileno de alto peso molecular en agua desionizada. Combine cada solución precursora de POEGMA con un mililitro de la solución de óxido de polietileno. Cargue las soluciones precursoras en barriles separados de la jeringa de doble barril.A continuación, conecte un mezclador estático de 1,5 pulgadas y una aguja de calibre 18 con punta roma a una jeringa de doble cilindro 1:1 de 2,5 mililitros. Monte la jeringa de doble barril en una bomba de jeringa de infusión. Luego, monte un colector de electrospinning de disco de aluminio a 10 centímetros del extremo de la aguja.Conecte a tierra una fuente de alimentación de alto voltaje en el colector y conecte la fuente de alimentación a la aguja. Ajuste la bomba de jeringa a 0,48 mililitros por hora y la fuente de alimentación a 10 kilovoltios. Encienda simultáneamente la bomba de jeringa y la fuente de alimentación para iniciar el electrohilado.Continúe hasta alcanzar el espesor deseado o hasta que se agoten los precursores. Una vez finalizada la producción de nanofibras, apague y desconecte el conjunto de electrohilado. Remoje las nanofibras de gel recolectadas en agua desionizada durante 24 horas para eliminar el óxido de polietileno.La administración de jeringa de doble barril produjo hidra-geles a granel POEGMA reticulados con hidrazona con una variedad de mecánicas, tiempos de gelificación y transparencias según la concentración del polímero precursor, la densidad del grupo funcional reactivo y el número de unidades repetidas de óxido de etileno en los monómeros. Los caudales tanto del aceite de parafina como de las soluciones de precursores poliméricos afectaron a los tamaños de las micropartículas de gel de poli NIPAM reticuladas de hidrozona fabricadas con el dispositivo microfluídico. Se observó hinchazón reversible dependiente de la temperatura con microscopía óptica de etapa caliente.Las micropartículas de gel se degradaron a sus precursores oligoméricos con el tiempo. Los tamaños de los nanogeles de poli NIPAM reticulados de hidrazona autoensamblados variaron con la relación entre el precursor y la masa del polímero funcionalizado de aldehído a hidrazida, pero permanecieron altamente monodispersos. A medida que aumentaba la relación de masa, se observó menos deshinchamiento térmico.Al igual que las micropartículas de gel, los nanogeles se degradaron a los precursores oligoméricos con el tiempo. Las nanofibras de hidrogel POEGMA reticulado con diámetros del orden de 300 nanómetros se produjeron mediante electrohilado reactivo. La hidratación de las nanofibras fue aproximadamente dos órdenes de magnitud más rápida que la hidratación de un gel a granel con la misma composición polimérica.Las nanofibras conservaron su morfología nanofibrosa durante más de ocho semanas antes de degradarse en condiciones fisiológicas. La degradación más rápida se produjo en ambientes ácidos. Las nanofibras eran mecánicamente robustas tanto en el estado seco como en el hinchado.Después de ver este video, esperamos que tenga una buena comprensión de cómo crear hidrogeles degradables y termosensibles mediante el control de la geometría en la que se fabrican los polímeros precursores del gel. Recuerde asegurarse de que el tiempo de gelificación del precursor del polímero coincida con las necesidades de cada partícula. La gelificación demasiado rápida inhibirá la fabricación de microgel y nanofibras.Una gelificación demasiado lenta dará lugar a las morfologías completamente congénitas. Estas técnicas allanan el camino para los investigadores en las áreas de administración de fármacos e ingeniería de tejidos. y diseñar andamios de hidrogel bien definidos para controlar la velocidad o la ubicación de la liberación del fármaco o estimular la regeneración de tejidos.

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Research

Investigación

JoVE Journal

Bioengineering

Bioingeniería

Técnicas sencillas se describen para la producción rápida de microfabricated sistemas de cultivo neuronal mediante un dispositivo digital de microespejos para la litografía de proyección dinámica máscara regular de los sustratos de cultivo celular. Estos sistemas de cultivo pueden ser más representativos de la arquitectura biológica natural, y las técnicas descritas podrían ser adaptados para numerosas aplicaciones.

Fabricación de hidrogeles micropatterned para sistemas de cultivo neuronal usando fotolitografía dinámica de proyección Máscara

Un bioprinter se utilizó para crear hidrogeles modelado basado en un molde de sacrificio. El molde poloxámero se rellenó con un segundo hidrogel y luego se eluyó, dejando huecos que estaban llenos de una tercera hidrogel. Este método utiliza elución rápida y buena capacidad de impresión de poloxámero para generar arquitecturas complejas a partir de biopolímeros.

Impresión Moldes inversa termosensible para la Creación de modelado hidrogeles de dos componentes para el 3D de cultivo celular

Dos fluidos adyacentes que pasan a través de un canal microfluídico ranurado pueden ser dirigidos para formar una vainta alrededor de un núcleo de prepolímero; determinando así tanto la forma como la sección transversal. La polimerización fotoiniciada, como la química de tiol click, es muy adecuada para solidificar rápidamente el fluido central en una microfibra con tamaño y forma predeterminados.

Fabricación Microfluídica De Fibras Poliméricas Y Biohíbridas Con Tamaño y Forma Prediseñados

Presentamos un protocolo para sintetizar microhidrogeles Janus compuestos íntegramente por el mismo material base, poli(N-isopropilacrilamida) (PNIPAAm), con una estructura claramente compartimentada basada en la separación de fases de una solución de monómero NIPAAm supersaturada. Los microhidrogeles Janus sintetizados muestran propiedades únicas, como la termorreactividad anisotrópica y la capacidad de carga organofílica/hidrofílica.

Síntesis de Poli (<em&gt; N</em&gt; -isopropylacrylamide) Janus Microhydrogels para anisotrópico Thermo-respuesta y la organófila / hidrofílico La capacidad de carga

Describimos la fabricación de láminas de hidrogel microestampadas utilizando un proceso simple, que se puede ensamblar y manipular de forma independiente. Utilizando estas láminas modulares de hidrogel, se puede generar un sencillo sistema de cultivo celular en 3D a macroescala con un microambiente celular controlado.

Construcción de Hojas modular de hidrogel para la arquitectura celular 3D a escala macro micropatterned

Este protocolo describe la implementación de la degradación de hidrogel basada en láser guiada por imágenes para fabricar redes microfluídicas biomiméticas derivadas de vasculares incrustadas en hidrogeles de diacrilato de poli(etilenglicol) (PEGDA). Estos sistemas microfluídicos biomiméticos pueden ser útiles para aplicaciones de ingeniería de tejidos, generación de modelos de enfermedades in vitro y fabricación de dispositivos avanzados "en un chip".

Guiada por imagen, fabricación basada en láser de Redes de microfluidos derivados-vascular

Se ha desarrollado una estrategia de fabricación aditiva para el procesamiento de los hidrogeles UV-reticulables. Esta estrategia permite el montaje de capa por capa de estructuras de hidrogel recientemente así como el montaje de componentes independientes, produciendo dispositivos integrados que contienen componentes móviles que respondan al accionamiento magnético.

Un aditivo fabricación técnica para la fabricación fácil y rápida de Micromachines base de hidrogel con componentes magnéticamente sensibles

Este trabajo describe métodos sencillos, adaptables y de bajo costo para fabricar microgeles con fragmentación por extrusión, procesar los microgeles en hidrogeles granulares inyectables y aplicar los hidrogeles granulares como tintas de impresión de extrusión para aplicaciones biomédicas.

Fragmentación de hidrogeles a granel y procesamiento en hidrogeles granulares para aplicaciones biomédicas

Este artículo describe los protocolos para la fabricación de microgel de metacriloilo de gelatina de alto rendimiento utilizando dispositivos microfluídicos, la conversión de microgeles en polvo resuspendible (micro-aerogeles), el ensamblaje químico de microgeles para formar andamios de hidrogel granular y el desarrollo de biotintas de hidrogel granular con microporosidad preservada para bioimpresión 3D.

Andamios de hidrogel granular de metacriloilo de gelatina: fabricación de microgel de alto rendimiento, liofilización, ensamblaje químico y bioimpresión 3D

Este artículo describe cómo bioimprimir hidrogeles fotoajustables en 3D para estudiar el endurecimiento de la matriz extracelular y la activación de fibroblastos.

Bioimpresión 3D de hidrogeles fotoajustables para estudiar la activación de fibroblastos

Aprende a fabricar hidrogeles termorresponsivos degradables con escalas controladas mediante química de hidrazona. Este método permite crear microgeles, nanogeles y nanofibras para aplicaciones en liberación de fármacos e ingeniería de tejidos.

Fabricación de hidrogeles degradables de interpenetrantes en múltiples escalas de la longitud mediante extrusión reactiva, microfluídica, uno mismo-Asamblea y Electrospinning (Video) | JoVE Journal

Fabricación de hidrogeles degradables de interpenetrantes en múltiples escalas de la longitud mediante extrusión reactiva, microfluídica, uno mismo-Asamblea y Electrospinning

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