La technologie des microgels s’est imposée comme un outil puissant et polyvalent pour les applications de médecine régénérative et d’ingénierie tissulaire1. Tout comme leurs homologues en vrac, les microgels se caractérisent par une teneur élevée en eau, des propriétés physicochimiques réglables et un mimétisme de l’environnement extracellulaire natif. En raison des progrès des techniques de fabrication, les microgels peuvent être produits sous différentes formes et tailles à partir d’une gamme de polymères naturels et synthétiques. Ils peuvent également être utilisés pour l’encapsulation contrôlée des cellules et des traitements. L’un des principaux avantages des microgels par rapport aux hydrogels en vrac traditionnels est qu’ils sont facilement injectables, ce qui permet une administration peu invasive de cargaison cellulaire, de médicaments ou d’échafaudages biologiques pour la réparation des tissus. De plus, les systèmes modulaires de microgels sont facilement réalisables en mélangeant des populations de microgels aux propriétés distinctes, tandis que l’intégration de microgels dans des hydrogels conventionnels ouvre la voie vers des composites de matière molle. Lorsque de nombreux microgels sont emballés dans un état coincé, ils donnent naissance à des gels granulaires, des matériaux en vrac avec des propriétés dynamiques à l’échelle macroscopique qui peuvent être exploités soit comme bain de support pour l’impression tridimensionnelle (3D) intégrée, soit comme encres d’impression 3D. Cette collection d’articles explore un large éventail de méthodes de formulation et de fabrication de microgels, ainsi que leur utilisation pour des applications biomédicales potentielles.
Des approches rentables, sans émulsion et technologiquement non exigeantes pour la génération de microgels en grandes quantités sont indispensables. Pour résoudre ce problème, Muir et al. ont démontré un protocole élégant pour la génération de microgels d’acide hyaluronique (AH) modifiés au norbornène par fragmentation par extrusion2. Des hydrogels en vrac photoréticulés ont été extrudés à travers une série d’aiguilles de diamètres séquentiellement plus petits. Les particules de microgel fragmentées qui en résultent ont ensuite été bloquées par une filtration sous vide pour former un hydrogel granulaire bien tassé qui peut être utilisé comme encre pour l’impression 3D par extrusion. Stager et al. ont présenté une autre approche de fragmentation où un hydrogel de chitosane réticulé a été extrudé à travers un filtre à mailles pour générer des particules de microgel de taille3 contrôlée. Il a ensuite été démontré que les hydrogels fragmentés favorisent la régénération du tissu cartilagineux lorsqu’ils sont utilisés dans un modèle de rat blessé par une plaque de croissance.
L’interconnexion de particules de microgel coincées donne naissance à des hydrogels granulaires recuits et à des échafaudages en vrac poreux avec des microarchitectures uniques. Anderson et al. ont fourni un protocole pour la génération microfluidique de microgels d’AH photoréticulables qui sont ensuite lyophilisés sans endommager le réseau de polymères4. La réhydratation contrôlée des microgels lyophilisés et l’interconnexion ultérieure via un schéma de réticulation biorthogonale conduisent à la formation d’échafaudages HA poreux avec une fraction de particules contrôlée, dont les auteurs ont démontré qu’elle influence significativement l’infiltration et la migration cellulaires. Roosa et al. ont décrit une méthode de synthèse microfluidique à haut débit de grands volumes de microgels de polyéthylène glycol (PEG)5. Les auteurs démontrent ensuite des approches de purification de microgel, de caractérisation de base des microparticules et de recuit de particules basées sur un mécanisme de réticulation secondaire pour former un échafaudage microporeux. Rommel et al. ont présenté une approche pour générer des échafaudages recuits avec une porosité accrue en utilisant des particules de microgel anisotropes6. Ils ont tiré parti de la microfluidique à focalisation de flux pour créer des tiges de microgel à partir de polymères PEG étoiles avec des rapports d’aspect contrôlables. Les échafaudages à tiges de microgel recuits peuvent être utilisés comme environnement 3D pour des expériences cellulaires. Luo et al. ont démontré une méthode de génération de microsphères poreuses très ouvertes via une approche microfluidique simple qui pourrait être utilisée pour l’administration de cellules ou de produits biologiques7.
Les propriétés rhéologiques uniques des gels granulaires en font des supports idéaux pour l’impression 3D embarquée d’hydrogels souples et de cellules8. Machour et al. ont combiné une approche d’impression 3D intégrée à l’intérieur de gels granulaires de gélatine avec l’impression 3D sacrificielle basée sur des moules pour créer des lambeaux de tissus modifiés9. Cette méthode hybride a été exploitée pour créer un réseau vasculaire hiérarchique à partir d’encre à base de collagène mélangée à des cellules endothéliales. Le lambeau artificiel a ensuite été directement implanté dans l’artère fémorale d’un rat. Jalandhra et al. ont démontré une approche pour la création de constructions imitant les os via l’impression 3D intégrée d’une encre céramique à base de phosphate de calcium à l’intérieur d’un gel granulaire chargé de cellules fabriqué à partir de microgels de méthacrylate de gélatine (GelMA)10. Le support granulaire a été recuit après l’impression pour soutenir la croissance cellulaire autour des structures imitant l’os. Kajtez et al. ont utilisé l’impression 3D intégrée pour créer des constructions de tissu neural à base de cellules souches humaines11. Ils ont mis au point un matériau de support d’impression composite qui combine des microgels d’alginate et une solution de matrice extracellulaire à base de collagène. La réticulation douce des recuits de collagène soutient l’impression pour fournir un environnement favorable à la différenciation des cellules souches neurales en neurones fonctionnels. Senior et al. ont tiré parti du traitement par cisaillement pendant l’approche de gélification pour générer un bain de support à base d’agarose pour l’impression 3D intégrée12. Les propriétés thermiques de l’agarose permettent de cultiver des constructions d’hydrogel chargées de cellules imprimées sans faire fondre le bain de support.
Les encres microgel coincées offrent une voie d’impression 3D contrôlable de n’importe quel hydrogel autrement difficile à imprimer en raison de sa faible viscosité ou de sa dynamique de réticulation difficile à contrôler13. En tant qu’encres microgel, les hydrogels peuvent être imprimés de manière traditionnelle couche par couche ou dans un bain de suspension. Ils peuvent également accueillir des cellules pour former des bio-encres granulaires. En tant que telles, les bio-encres granulaires offrent une solution pour la bio-impression de matériaux non compatibles avec les méthodes traditionnelles qui pourraient nécessiter des additifs ou des conditions de réticulation nocives pour les cellules. Zaman et al. proposent une méthode qui améliore encore l’imprimabilité de ces encres en programmant des hydrogels GelMA avec un auto-assemblage réversible de nanoparticules interfaciales14. En raison de l’altération des interactions entre les particules, les bio-encres granulaires nano-modifiées qui en résultent peuvent être imprimées à une densité d’emballage plus faible, ce qui permet la formulation de bio-encres granulaires avec une microporosité accrue bien préservée tout au long du processus d’impression. De plus, les auteurs décrivent une méthodologie pour la génération de microparticules d’hydrogel microfluidique à haut débit, la conversion en micro-aérogels et le recuit d’encre granulaire à l’aide de la transglutaminase.
En résumé, cette collection d’articles fournit des conseils pratiques détaillés pour un large éventail d’applications de la technologie des microgels. La collection décrit non seulement l’utilisation de différents matériaux d’hydrogel et de mécanismes de réticulation, mais présente également plusieurs techniques de fabrication pour la génération de microparticules d’hydrogel. Plus important encore, la collection fournit des informations utiles sur la façon d’utiliser les microparticules d’hydrogel pour l’impression 3D et la médecine régénérative, des applications très prometteuses des technologies des microgels et des gels granulaires.