Name: Fabrication des Thermoresponsive Hydrogels dégradable sur plusieurs échelles de longueur par Extrusion réactive, microfluidique, auto-assemblage et électrofilage (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-16T13:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 7 s
Description: Découvrez la fabrication d'hydrogels thermoréactifs dégradables par réticulation hydrazone à plusieurs échelles. Ces méthodes permettent de créer des microgels, nanogels et nanofibres pour la livraison de médicaments et l'ingénierie tissulaire.

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Financement par les Sciences naturelles et ingénierie recherche Conseil du Canada (CRSNG), le CRSNG CREATE-IDEM (conception intégrée de Matrices extracellulaires) programme, 20/20 : réseau de recherche biomatériaux ophtalmique du CRSNG et le ministère de la recherche de l’Ontario et Programme de bourses de nouveaux chercheurs d’innovation est reconnu.

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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Les matériaux intelligents ont attiré beaucoup d’attention en raison de leur potentiel de réversibles « on-demand » réponses aux signaux externes et/ou environnementaux. Des matériaux sensibles aux températures ont suscité un intérêt particulier en raison de leur comportement inférieure de température (LCST) critique de la solution, résultant dans les précipitations axée sur la température à une température T &gt; LCST1,2. Dans le contexte des hydrogels thermoresponsive, ce problème de température critique de la solution inférieur se manifeste par réversibles gonflement/désactiver-swelling événements qui donnent lieu à des tailles de température accordable en vrac (plus grosses au T &lt; LCST)3, la taille des pores (plus grande à T &lt; LCST)4et propriétés interfaciales (plus hydrophile à T &lt; LCST)5. Ces transitions ont été largement appliquées dans l’administration de médicaments (médicament externe ou pour l’environnement-triggerable version4,6,,7), tissus techniques et la culture cellulaire (pour adhésion cellulaire THERMORÉVERSIBLE / délamination8,9,10), cessations d’emploi (pour les porosités de la membrane commutable et perméabilités ou prise en charge diagnostique thermiquement recyclables11,12, ( 13), traite de microfluidique (pour les robinets d’arrêt régulation débit14,,15) et les modificateurs rhéologiques (pour température accordable viscosités16). Les plus couramment étudiées thermoresponsive hydrogels sont basés sur poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM)17, bien que le travail important (et croissant) ont également porté sur poly (méthacrylate de glycol d’oligoéthylène) (POEGMA)2 ,18 et poly(vinylcaprolactam) (PVCL)19,20. POEGMA a attiré un intérêt récent particulier compte tenu de sa biocompatibilité amélioration prévue21,22et son comportement LCST de facile-à-tune, dans lesquelles les mélanges linéairement prévisible des monomères avec différents nombres de unités de répétition de l’oxyde d’éthylène dans leurs chaînes latérales peuvent altérer la LCST de ~ 20 ° C à &gt; 90 ° C2,23. Cependant, chacun de ces polymères est préparé par polymérisation radicalaire et contient donc une épine dorsale de carbone-carbone, limitant considérablement l’utilité potentielle et la traduisibilité de tels polymères dans le cadre d’applications biomédicales dans lequel dégradation (ou au moins la capacité pour les formalités de filtration rénale) y a une exigence.
En réponse à cette limitation, nous avons rapporté récemment largement sur l’application de la chimie de l’hydrazone (i.e., la réaction entre l’hydrazide maléique et aldéhyde-functionalized des prépolymères) pour préparer dégradables analogues de thermoresponsive hydrogels24,25,26,27,28,29. Permet à la réaction rapide et réversible entre groupes hydrazide maléique et aldéhyde sur le mélange des polymères fonctionnalisés précurseur30 fois gelation in situ (permettant l’injection facile de ces matériaux sans besoin de chirurgie implantation ou n’importe quel type de stimulus de polymérisation externe comme initiation de chimiques ou irradiation UV) ainsi que la dégradation hydrolytique du réseau à une vitesse contrôlée par la chimie et de la densité des sites de réticulation. Par ailleurs, en maintenant le poids moléculaire des des prépolymères utilisés pour préparer les hydrogels inférieures à la limite de la filtration rénale, hydrogels, faites à l’aide de cette approche se dégrader dans les polymères d’oligomères précurseur qui peuvent être éliminés de l’organisme25 ,27,28. Associée à la faible cytotoxicité et réponse faible tissu inflammatoire induite par ces matériaux25,26,27, cette approche offre une méthode potentiellement traduisible pour l’utilisation de thermoresponsive hydrogels intelligentes en médecine, en particulier si bien contrôlées dégradables analogues de ces hydrogels sur toutes les échelles de longueur (en vrac, micro et nano) peuvent être fabriquées.
Dans ce protocole, nous décrivons les procédés de fabrication synthétique thermoresponsive pré polymères fonctionnalisés avec des numéros contrôlés de l’hydrazide maléique et les groupes aldéhyde ainsi que méthodes pour appliquer ces polymères pour créer des hydrogels de dimensions bien définies sur différentes échelles de longueur. En particulier, ce manuscrit décrit quatre approches distinctes nous ont mis au point pour contrôler le mélange de l’hydrazide maléique réactive et aldéhyde-functionalized des prépolymères et créer ainsi des thermoresponsive hydrogel réseaux avec des géométries bien définis et morphologies :
Pour créer les hydrogels biodégradables en vrac avec des tailles définies, une stratégie de création de modèles est décrite par lequel les prépolymères réactives sont chargés dans des barriques séparées d’une seringue double barillet équipé à sa sortie d’un mélangeur statique et par la suite coextrudé en un Moule silicone avec l’hydrogel désiré forme et dimensions21,27 (Figure 1).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig1.jpg"> Figure 1 : Schéma de formation hydrogel en vrac. Hydrazide maléique et solutions de polymères fonctionnalisés aldéhyde (dans l’eau ou un tampon aqueux) sont chargées dans des barriques séparées d’une seringue double barillet et puis coextrudé grâce à un mélangeur statique dans un moule silicone cylindrique. Rapide in situ gélification sur mélange de formes un hydrazone réticulé hydrogel, qui est autoportante (une fois que le moule est retiré) quelques secondes à minutes selon la densité de concentration et groupe fonctionnel des polymères précurseur. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig1large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
Pour créer des particules de gel dégradable sur l’échelle de micron, on décrit une méthode de microfluidique réactive dans laquelle précurseur des solutions de polymère sont simultanément mélangées et émulsion à l’aide d’une conception de puce microfluidique Lithographie-basé sur des modèles souples, permettant la formation de gouttelettes de polymères réactifs mixtes gel qui par la suite in situ à microparticules gel forme avec tailles basé sur un modèle de l’émulsion (Figure 2)31,32.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig2.jpg"> Figure 2 : Schéma de formation de microparticules de gel via microfluidics réactive. (A, B) Hydrazide maléique et solutions de polymères fonctionnalisés aldéhyde (dans l’eau ou un tampon aqueux) sont alimentées par pousse-seringue dans des réservoirs distincts qui sont connectés en aval à travers une série de zig-zag de canaux conçu pour créer un gradient de pression empêchant le refoulement. Les polymères sont ensuite mélangés juste avant d’être cisaillés par huile de paraffine qui coule des deux côtés (également entraînées par une pompe à seringue) et forcées à travers une buse, aboutissant à la production de flux de mise au point de l’humeur aqueuse gouttelettes (solution de polymère) dans une phase d’huile de paraffine continue (voir (B) pour une illustration de la zone de la buse et le processus de formation de gouttelettes). Un deux entrées supplémentaires de huile de paraffine sont placées après la buse à supplémentaire séparé les gouttelettes en suspension dans le canal de collecte permettant de gélification complète avant le retrait de la particule de flux laminaire, après quoi la résultante microparticulaire gelées sont recueilli dans un bécher magnétiquement agité ; Photo (C) du processus de génération de gouttelettes à la buse (Notez que le polymère hydrazide maléique est étiqueté comme bleu pour illustrer le mélange)
Pour créer le gel dégradable des particules à l’échelle nanométrique, un moteur thermique réactive l’auto-assemblage est décrit la méthode dans laquelle une solution de l’un des polymères réactives précurseur (le polymère « graine ») est chauffée au-dessus de la LCST pour former un nanoaggregate stable qui est par la suite réticulé par l’addition du polymère précurseur réactifs complémentaires (polymère « réticulation ») ; le nanogel de RETICULE hydrazone qui en résulte a une taille basé sur un modèle directement par la nanoaggregate (Figure 3)28.
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig3v2.jpg"> Figure 3 : Schéma de formation nanogel via pilotée par thermiquement réactive auto-assemblage. Une solution aqueuse contenant le polymère d’hydrazide maléique fonctionnalisés (thermoresponsive) est chauffée au-dessus de sa température critique de la solution plus bas pour créer un nanoaggregate non stable. Suite, un polymère fonctionnalisés aldéhyde est ajouté au crosslink la nanoaggregate via la formation d’une liaison hydrazone et ainsi stabiliser la particule nanogel lors du refroidissement au-dessous de la LCST. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig3v2large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
Pour créer des nanofibres dégradables, décrit une technique réactive électrofilage dans lequel une seringue double barillet équipée d’un mélangeur statique à sa sortie (comme utilisé pour la fabrication des hydrogels en vrac) est attachée à une plateforme standard électrofilage (Figure 4 )33.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig4.jpg"> Figure 4 : Schéma de formation de nanofibres hydrogel par électrofilage réactive. Une seringue double barillet avec un mélangeur statique (chargé comme pour le vrac hydrogels, mais incluant aussi une fraction de poids moléculaire élevé poly(ethylene oxide) comme aide électrofilage) est montée sur une pompe à seringue avec l’aiguille à l’extrémité de la seringue connectée pour une alimentation à haute tension. Hydrazone réticulation se produit au cours de la fibre, processus de filature afin que quand le flux frappe le collecteur (feuille d’aluminium ou un disque en aluminium) la morphologie nanofibrous est maintenue. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig4large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
L’application de ces méthodes pour la création de réseaux dégradable hydrogel smart est démontrée dans ce protocole utilisant PNIPAM ou POEGMA comme le polymère d’intérêt ; Toutefois, les approches de base décrits peuvent être traduits à un polymère soluble dans l’eau, mais avec des ajustements appropriés pour la viscosité et (dans le cas de l’auto-assemblage nanogel de procédé de fabrication) la stabilité du polymère avant dans la formation de la graine nanoaggregate.

<table><tbody><tr><td><fort>Chemicals</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>2,2 - ester diméthylique d’acide azobisisobutryique</td><td>Wako Chemicals</td><td>101138</td><td></td></tr><tr><td>méthacrylate de di(éthylène glycol) méthyléther (M(EO)2MA)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>447927</td><td>188,2 g/mol, n=2 unités de répétition d’oxyde d’éthylène</td></tr><tr><td>Oligo (éthylène glycol) méthacrylate d’éther méthylique (OEGMA475)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>447943</td><td>475 g/mol, n=8-9 unités de répétition d’oxyde d’éthylène</td></tr><tr><td>Acide acrylique (AA), 99 %</td> <td>Sigma Aldrich</td><td>147230</td><td></td></tr><tr><td>Acide thioglycolique (TGA), 98 %</td> <td>Sigma Aldrich</td><td>T3758</td><td></td></tr><tr><td>Dioxane, 99 %</td> <td>Caledon Labs</td><td>360481</td><td></td></tr><tr><td>Azote, qualité UHP</td><td>Air Liquide</td><td>Alphagaz1 765A-44</td><td></td></tr><tr><td>Dihydrazide d’acide adipique (ADH), 98 %</td> <td>Alfa Aesar</td><td>A15119</td><td></td></tr><tr><td>N'-éthyl-N-(3-diméthylaminopropyl)-carbodiimide (EDC, x %)</td><td>Carbosynth</td><td>FD05800</td><td></td></tr><tr><td>Acide chlorhydrique (HCl), 37 %</td> <td>Sigma Aldrich</td><td>320331</td><td></td></tr><tr><td>Hydroxyde de sodium (NaOH), 97 %</td> <td>Sigma Aldrich</td><td>221465</td><td></td></tr><tr><td>Aminoacetyl aldehyde dimethyl acetal, 99 %</td> <td>Sigma Aldrich</td><td>121967</td><td></td></tr><tr><td>4-Hydroxy-TEMPO, 97 %</td><td>Sigma Aldrich</td><td>176141</td><td></td></tr><tr><td>Chlorure de méthacryloyle,97x %</td><td>Sigma Aldrich</td><td>523216</td><td></td></tr><tr><td>Éther de pétrole, 95</td> %<td>Sigma Aldrich</td><td>32047</td><td></td></tr><tr><td>Sulfate de magnésium, 99,5</td> %<td>Sigma Aldrich</td><td>M7506</td><td></td></tr><tr><td>Éther méthylique tert-butylique, >99,0</td> %<td>Sigma Aldrich</td><td>443808</td><td></td></tr><tr><td>Phosphate salin</td> <td>tamponnéBioShop</td><td>PBS405.1</td><td>1x, pH 7,3-7,5</td></tr><tr><td>N-isopropylacrylamide, 99 %</td><td>J& K Scientific</td><td>258717</td><td>Recristallisée à partir de 60 % d’hexanes/40 % de toluène</td></tr><tr>Éthanol, <td>alcols commerciaux</td><td>anhydres</td><td>P016EAAN</td><td></td></tr><tr><td>portée 80</td><td>Sigma Aldrich</td><td>S6760</td><td></td></tr><tr><td>Huile de paraffine lourde</td><td>Caledon Labs</td><td>1326197</td><td></td></tr><tr><td>Pentane, qualité réactif</td><td>Caledon Labs 1</td><td>/10/7800</td><td></td></tr><tr><td>Poly (oxyde d’éthylène) Mv moyen 600 000</td><td>Sigma Aldrich</td><td>182028</td><td></td></tr><tr><td>Fournitures essentielles pour la synthèse et la fabrication d’hydrogels</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Évaporateur rotatif</td><td>Heidolph</td><td>G3</td><td></td></tr><tr><td>Tube de dialyse (3500 Da de coupure de poids moléculaire)</td><td>Spectrum Labs</td><td>28170-166</td><td>Vol/longueur= 6,4 mL/cm</td></tr><tr><td>Seringue à double barillet</td><td>Medmix</td><td>L série</td><td>L série, 2,5 mL, rapport volumique 1:1</td></tr><tr><td>Mélangeur statique</td><td>Medmix</td><td>L series</td><td>L series, 2,5 mL, rapport volumique 1:1, longueur 1,5</td></tr> » <tr><td>Feuille de caoutchouc silicone, 1/16 » d’épaisseur</td><td>McMaster-Carr</td><td>9010K12, 30A Duromètre (Super Soft)</td><td></td></tr><tr><td>Pousse-seringue</td><td>KD Scientific</td><td>KDS Legato 200</td><td>Infuse Only Dual Seringue</td></tr><tr><td>Bloc d’alimentation haute tension</td><td>Spellman</td><td>230-20R</td><td>0 à 20 kV</td></tr><tr><td>Fabrication de puces microfluidiques</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Silicon wafer</td><td>University Wafer</td><td>2080</td><td>D = 76,2 mm ; 380 & micro ; m d’épaisseur ; P-dopé ; < Orientation à 100></td></tr><tr><td>SU-8 100</td><td>MicroChem</td><td>Y131273</td><td></td></tr><tr><td>SU-8 Développeur</td><td>MicroChem</td><td>Y020100</td><td></td></tr><tr><td>Custom 2.5" Spincoater</td> Aligneur de masque <td>N/A</td><td></td><td>construit en interne</td></tr><tr><td></td><td>KARL SUSS</td><td>MJB3 UV400 (avec une lampe de 276 W)</td><td></td></tr><tr><td>Masterflex L/S 13 Tube en silicone</td><td>Cole Parmer</td><td>OF-96400-13</td><td>Durci au peroxyde</td></tr><tr><td>Dow Corning Sygard 184 Base en élastomère de silicone&nbsp ;</td><td>Ellsworth Adhesives</td><td>4019862</td><td></td></tr><tr><td>Dow Corning Sygard 184 Agent de durcissement en élastomère de silicone&nbsp ;</td><td>Ellsworth Adhesives</td><td>4019862</td><td></td></tr><tr><td>nettoyant plasma haute puissance&nbsp ;</td><td>Harrick</td><td>PDC-002-HP</td><td></td></tr><<tr><td>strong>Instruments de caractérisation</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Mach 1 testeur micromécanique</td><td>Biomomentum</td><td>LB007-EN</td><td></td></tr><tr><td>Culture tissulaire Cellstar Plaque 12 puits</td><td>Greiner Bio-one</td><td>665 180</td><td></td></tr><tr><td>Insert de culture cellulaire pour plaque 12 puits</td><td>Corning</td><td>08-771-12</td><td>8 &micro ; </td></tr><tr><td>Microscope optique</td><td></td> Microscope optique <td></td><td>Olympus BX51</td></tr><tr><td>Platine de microscope à température contrôlée</td><td>Linkam Scientific</td><td>THMS600</td><td></td></tr><tr><td>Chromatographe à perméation de gel (GPC)</td><td>Pompe</td><td>HPLC Waters 590</td><td>Colonnes Styragel Waters (HR2, HR3, HR4 ; 30 cm x 7,8 mm (ID) ; particules de 5 mm), Détecteur d’indice de réfraction Waters 410</td></tr><tr><td>Diffusion dynamique de la lumière (DLS)</td><td>Brookhaven</td><td>90Plus Analyseur</td><td></td>de taille de particules</tr><tr><td>Microscopie électronique à transmission (TEM)</td><td>TEMSCAN</td><td>JEOL 1200EX</td><td>Tension d’accélération 100 kV</td></tr><tr><td>Microscopie électronique à balayage (MEB)</td><td>Tescan</td><td>Vega II LSU</td><td>Tension d’accélération 10 kV</td></tr><tr><td>Microsquisher</td><td>CellScale Biomaterials Testing</td><td>MS-50M-01</td><td></td></tr></tbody></table>

fabrication des thermoresponsive hydrogels dégradable sur plusieurs échelles de longueur par extrusion réactive, microfluidique, auto-assemblage et électrofilage

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

Alors que divers matériaux intelligents ont été explorées pour une variété d’applications biomédicales (p. ex., MEDICAMENTS, génie tissulaire, bio-imagerie, etc.), leur utilisation clinique ultime a été entravée par le manque de biologiquement pertinentes dégradation observée pour les matériaux plus intelligents. Cela est particulièrement vrai pour les température hydrogels, qui reposent presque uniformément sur les polymères qui sont fonctionnellement non dégradables (par exemple, poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) ou poly (méthacrylate de glycol d’oligoéthylène) (POEGMA) ). Par conséquent, pour effectivement traduire le potentiel des hydrogels thermoresponsive aux défis de la délivrance des médicaments télécommandé ou réglementées du métabolisme, cellule échafaudages avec des interactions cellule-matériau accordables, théranostiques matériaux avec le potentiel pour l’imagerie et medicaments et ces autres demandes, une méthode est nécessaire pour restituer les hydrogels (si pas entièrement dégradable) au moins capable de la clairance rénale suite à la durée de vie exigée du matériau. À cette fin, ce protocole décrit la préparation d’hydrogels hydrolytiquement-dégradables hydrazone-RETICULE sur plusieurs échelles de longueur basées sur la réaction entre l’hydrazide maléique et oligomères fonctionnalisés aldéhyde de PNIPAM ou POEGMA avec moléculaire poids inférieur à la limite de la filtration rénale. Plus précisément, les méthodes pour fabriquer thermoresponsive dégradables en vrac hydrogels (en utilisant une technique de seringue double barillet), particules d’hydrogel (sur les deux la micro-échelle grâce à l’utilisation d’une plate-forme microfluidique facilitant le mélange simultané et émulsion de polymères précurseur et l’échelle nanométrique par l’utilisation d’un moteur thermique auto-assemblage et réticulation méthode), et nanofibres hydrogel (en utilisant une stratégie réactive électrofilage) sont décrites. Dans chaque cas, hydrogels avec température sensibles aux propriétés similaires à ceux obtenus par l’intermédiaire radicalaire classique processus de réticulation est possible, mais le réseau réticulé hydrazone peut se dégrader au fil du temps pour re-former les oligomères polymères de précurseur et la clairance de l’activer. Par conséquent, nous prévoyons que ces méthodes (qui peut être générique appliquée à tout synthétique polymère soluble dans l’eau, smart non seulement des matériaux) permettront de traduction plus facile des matériaux intelligents synthétiques aux applications cliniques.

En vrac hydrogels expulsées, une seringue double dans un moule de silicone sont conformes aux dimensions du moule et devenir autonome lors du retrait du moule ; gélification se produit généralement secondes ou minutes suivant la coextrusion selon précurseurs polymères utilisée. La caractérisation typique par l’intermédiaire de gonflement (mesurée par méthode gravimétrique à l’aide d’un insert de culture cellulaire pour retirer facilement l’hydrogel la solution gonflement), thermoresponsivity (mesuré en utilisant la même technique mais le cyclisme à la température d’incubation ci-dessus et la température de transition de phase), dégradation (mesurée en utilisant la même technique mais plus longues périodes de temps) et au cisaillement ou module de compression (mesurée à l’aide d’échantillons de 2 mm d’épaisseur et 7 mm de diamètre moulé) illustre l’accordabilité de l’hydrogel réponses en fonction de la composition chimique du polymère précurseur (plus précisément, pour POEGMA, le ratio de court aux monomères OEGMA longue chaîne utilisées pour préparer l’hydrogel), la fraction molaire de groupes fonctionnels sur les polymères de précurseur et la concentration de ceux précurseurs polymères (Figure 5)27.
Microfluidique conduit à la formation de microparticules de gel bien définis à l’échelle de la taille de 25 à 100 µm, avec la taille contrôlable, fondée sur les taux d’écoulement de l’huile et/ou les polymères aqueux combiné phases (Figure 6 a)31. Microscopie optique chaude scène confirme que les microparticules de gel de maintiennent la nature thermoresponsive des hydrogels en vrac, montrant réversible dépend de la température gonflement-deswelling avec seulement une légère hystérésis sur cycle 1 (attribuables à la formation d’irréversibles liaison hydrogène entre les groupes amide voisins dans l' État réduit34) conforme à celui observé en vrac PNIPAM hydrogels (Figure 6 b)32. En outre, les microparticules de gel dégradent vers leurs oligomères précurseurs au fil du temps, permettant à32de la clairance rénale (Figure 6).
Auto-assemblage pilotée par la nanoaggregation d’un polymère PNIPAM fonctionnalisés hydrazide maléique dans une solution chauffée suivi par réticulation avec un aldéhyde fonctionnalisés PNIPAM polymère entraîne très monodispersés nanogels (polydispersité &lt; 0,1) sur la variant de 180 à 300 nm, en fonction des conditions de processus utilisés (Figure 7A)28. Les nanogels conservent le comportement typique thermoresponsive de nanogels PNIPAM réticulé de radicaux libres classiques, avec des degrés inférieurs de deswelling thermique observé que plus la réticulation de polymères a été ajouté (Figure 7B). Le nanogels peut être lyophilisée et redispersed sans un changement de la taille des particules (Figure 7C) et se dégrade au fil du temps par hydrolyse pour re-former les polymères d’oligomères précurseur utilisés pour formuler le nanogels (Figure 7D).
Électrofilage réactive crée un nanofibrous structure de l’hydrogel (Figure 8A), avec des diamètres de nanofibres sur l’ordre de ~ 300 nm réalisable sans particules visibles electrosprayed présentent33. Tremper les nanofibres axée sur les POEGMA dans l’eau se traduit par hydratation rapide (environ deux ordres de grandeur plus rapides que celui obtenu avec un gel en vrac de même composition, Figure 8B), mais maintient la morphologie nanofibrous pendant 8-10 semaines avant dégradation hydrolytique dans des conditions physiologiques ; dégradation plus rapide est observée dans les environnements catalysée par un acide, comme prévu en raison du risque de dégradation de liaison hydrazone acido-catalysée (Figure 8-C). Les structures nanofibrous sont également mécaniquement robustes à l’état sec et gonflées sur plusieurs cycles, ce qui permet une manipulation facile et répétitives serrage (Figure 8D).
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig5v2.jpg"> Figure 5 : Propriétés de in situ -gélifiant en vrac hydrogels biodégradables thermoresponsive. (A) représentant POEGMA gel microstructures réseau et images hydrogel en vrac avec des temps de gélification correspondants en fonction de l’incorporation de % de mole de OEGMA475 dans les polymères de précurseur ; (B-C) Module de stockage d’hydrogels100 PO par différentes concentration de polymère précurseur (B) et (C) mole % groupe fonctionnel incorporation par polymère précurseur ; (D-F) Propriétés physico-chimiques des hydrogels POEGMA en fonction du % d’incorporation OEGMA475 mole : profil de dégradation module (E) (D) stockage en 1 M HCl et température de transition phase volume (F) en réponse à température changer avec la gamme 20-60 ° C. Toutes les barres d’erreur représentent l’écart-type de n = 4 mesures répétées. Adapté de référence27 avec la permission de Elsevier. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig5v2large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig6.jpg"> Figure 6 : Propriétés de microparticules de gel dégradables de réactif microfluidics. (A) l’effet du débit d’huile paraffine gel (purifié) taille de microparticules dans l’eau ; (B) Thermoresponsivity de microparticules de gel purifié dans l’eau après un seul cycle thermique au-dessus et au-dessous de la température de transition de phase de volume ; Visual c évaluation (photos) et traces de chromatographie sur gel de perméation (graphique) confirmant la dégradation de microparticules de gel de retour à leurs composants de polymère précurseur (ici, en 1 M HCl pour faciliter la dégradation accélérée sur l’échelle de temps de l’imagerie) ; Echelle = 100 µm. adapté de référence32. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig6large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig7v2.jpg"> Figure 7 : Propriétés des nanogels dégradables de réactif auto-assemblage. (A) distributions granulométriques de nanogels préparé avec les rapports de masse polymère aldéhyde : hydrazide maléique différents de diffusion dynamique de la lumière (en médaillon : confirmant la nature sphérique de la nanogels au microscope électronique) ; (B) thermosensibilité de particules auto-assemblés en fonction du ratio masse entre polymère aldéhyde : hydrazide maléique utilisé pour préparer le nanogels (à partir de diffusion dynamique de la lumière), avec des barres d’erreur qui représente l’écart type de n = 4 répétitions ; Confirmation de Visual (C) de l’absence d’agrégation nanogel avant et après lyophilisation ; D confirmation visuelle de la dégradation acido-catalysée des nanogels (ici en 1 M HCl, par souci de cohérence avec d’autres études ci-dessus) ; E gel perméation chromatographe traces de produits de dégradation nanogel indiquant leur similarité avec l’hydrazide maléique et polymères fonctionnalisés aldéhyde précurseur. Adapté avec la permission de référence28. Copyright 2015, American Chemical Society. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig7v2large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig8v2.jpg"> Figure 8 : Propriétés de nanofibres dégradables de réactif électrofilage. (A) microscopie électronique d’État (à gauche), moitié plongé dans l’eau (milieu, thin film) images de nanofibres sur le sec et complètement trempés dans l’eau pendant la nuit (échafaudage droite, épaisse) ; (B) gonflement des nanofibrous hydrogel (rouge) par rapport à un hydrogel en vrac (bleu) de la même composition, avec des barres d’erreur qui représente l’écart type de n = 4 répétitions ; (C) analyse les images visuelles microscopie électronique et (en médaillon) suivi de la dégradation acido-catalysée de nanofibres dans 1 M HCl ; (D) cyclisme résistance à la traction de dry (80 cycles de séchage, 20 % allongement/cycle) et gonflées (325 cycles, 10 % allongement/cycle en 10 mM PBS) électrofilées nanofibrous hydrogels. Figure modifié de référence33 et reproduit avec la permission de la Royal Society of Chemistry. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig8v2large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>

Les protocoles sont décrits pour la fabrication des hydrogels biodégradables thermoresponsive basés sur hydrazone réticulation de polymères oligomères sur la balance en vrac a petite Echelle, échelle nanométrique et ce dernier pour la préparation de nanoparticules de gel et de nanofibres.

Fabrication des Thermoresponsive Hydrogels dégradable sur plusieurs échelles de longueur par Extrusion réactive, microfluidique, auto-assemblage et électrofilage

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

L’objectif global de ce protocole est de fabriquer des versions dégradables d’hydrogels thermoréactifs avec des échelles de longueur et des géométries contrôlées. Cette méthode peut aider à relever des défis clés dans le scénario des matériaux biomédicaux, tels que la facilitation de l’administration locale de médicaments à long terme et peu invasive, la création d’échafaudages réactifs pour l’ingénierie tissulaire ou la conception de nanothérapies ciblées. Le principal avantage de notre technique est une chimie biohydrazone inverse rapide qui nous permet de contrôler la taille et la forme des hydrogels dégradables en modifiant la géométrie de mélange des précurseurs de polymères.Cette flexibilité nous permet de fabriquer des gels foliques, des microgels, des nanogels et des nanofibres avec le même matériau de départ. Tout d’abord, préparez environ deux millilitres chacun de solutions de polymères précurseurs thermoréactifs fonctionnalisés par l’hydrazide et l’aldéhyde avec des concentrations comprises entre 5 et 40 % en poids et 10 millimolaires de solution saline tamponnée au phosphate. À l’aide de seringues à canon unique, les solutions de polymères précurseurs sont placées dans des cylindres séparés d’une seringue à double cylindre de 2,5 millilitres (1:1).Ensuite, connectez un mélangeur statique de 1,5 pouce à une seringue à double corps 1:1 de 2,5 millilitres. Si vous le souhaitez, fixez une aiguille de 1,5 pouce de calibre 18 ou 20 au mélangeur statique. Ensuite, découpez dans une feuille de caoutchouc de silicone souple de l’épaisseur souhaitée.Une pièce de la taille d’une lame de microscope standard. À l’aide d’un jeu de perforateurs, percez au moins un trou de la forme souhaitée dans la feuille de caoutchouc de silicone. Placez le moule en caoutchouc de silicone sur une glissière en verre propre, en vous assurant que tous les trous sont soutenus par le verre.Appuyez doucement le moule contre la glissière pour le fixer en place. Une feuille de caoutchouc de silicone peut également être utilisée comme support pour assurer une bonne adhérence du substrat. Co-extrudez les solutions de polymères fonctionnalisés d’hydrazide et d’aldéhyde à travers le mélangeur statique dans les puits du moule jusqu’à ce que les puits soient complètement remplis.Couvrez le moule avec une deuxième lame de verre propre et attendez la fin de la gélification. Ensuite, retirez la lame supérieure et utilisez une spatule pour séparer les hydrogels du moule en caoutchouc de silicone. Soulevez le moule de la lame pour récupérer les hydrogels.Avant la procédure, fabriquez une puce microfluidique pour la génération de microparticules. Synthétiser l’hydrazide et l’aldéhyde fonctionnalisés poly NIPAM. Pour commencer, préparez deux millilitres chacun de solutions à 6 % en poids de poly NIPAM fonctionnalisé d’hydrazide et d’aldéhyde dans de l’eau désionisée.Chargez les solutions de précurseurs de polymères dans des seringues séparées de cinq millilitres. Ensuite, préparez 150 millilitres d’une solution à 1 % en poids de monooléate de sorbitan dans de l’huile de paraffine lourde. Chargez cette solution dans deux seringues standard de 60 millilitres.Montez les quatre seringues dans des pousse-seringues à perfusion séparés. Ensuite, connectez un tube de silicium de 45 centimètres de long à la sortie de la puce microfluidique. Placez l’extrémité du tube de sortie dans un conteneur à déchets.Connectez les seringues de solution polymère aux canaux d’entrée du polymère sur la puce microfluidique avec des tubes en silicium de 30 centimètres de longueur. Connectez une seringue de solution d’huile de paraffine au canal d’entrée d’huile en amont avec un tube en silicone. Connectez l’autre seringue d’huile aux deux canaux d’entrée d’huile en aval à l’aide d’un tube en silicone et d’un joint de seringue en forme de U.Réglez les débits des pompes équipées de seringues à huile entre 1,1 et 5,5 millilitres par heure. Faites couler l’huile à travers la puce microfluidique pendant au moins 30 minutes pour amorcer la puce et confirmer qu’elle est exempte de défauts. Ensuite, administrer simultanément les deux solutions polymères à la puce amorcée à raison de 03 mL par heure.Laissez le flux de polymère et d’huile s’équilibrer pendant 30 minutes à une heure. Pour éviter la gélification prématurée des polymères précurseurs au niveau de la buse microfluidique, il est essentiel d’amorcer soigneusement le tube et de commencer l’écoulement du polymère exactement en même temps pour éviter le reflux dans l’un ou l’autre réservoir de polymère. Une fois que des microparticules de gel uniformes se forment au niveau de la buse de la puce microfluidique, collectez les particules dans un tube à centrifuger en plastique avec une barre d’agitation magnétique active.Arrêtez les pousse-seringues et le moteur d’agitation lorsque l’huile a été consommée. Une fois que les microparticules de gel se sont déposées dans le tube, décantez l’huile de paraffine à l’aide d’une pipette. Ajouter dans le ballon 10 millilitres de pentane pour 5 ml de microparticules.Mélangez vigoureusement l’émolution pendant environ une minute. Laissez les particules reposer pendant une à deux heures avant de décanter le pentane à l’aide d’une pipette. Répétez ce lavage au pentane au moins cinq fois.Transférez les microparticules de gel lavées dans un petit flacon à scintillation en verre. Remettez les particules en suspension dans un à deux millilitres d’eau déminéralisée. Pour commencer cette procédure, préparez cinq millilitres chacun de solutions à 1 % de poly NIPAM fonctionnalisé par l’hydrazide et l’aldéhyde dans de l’eau désionisée.Chauffer cinq millilitres de la solution poly NIPAM fonctionnalisée à l’hydrazide à 70 degrés Celsius tout en remuant. Surveillez la solution au fur et à mesure qu’elle devient opaque et assurez-vous qu’aucun précipité visible ne se forme. Ensuite, ajoutez 0,25 millilitre de la solution de poly NIPAM fonctionnalisée à l’aldéhyde goutte à goutte à la solution de poly NIPAM fonctionnalisée à l’hydrazide chauffée pendant cinq à 10 secondes.Remuez le mélange pendant 15 minutes à 70 degrés Celsius. Ensuite, retirez le mélange du bain d’huile et laissez-le refroidir à température ambiante pendant la nuit pour obtenir les nanogels pour la purification. Placez le mélange de nanogel dans une membrane de dialyse coupée de poids moléculaire de 3500 kilodaltons.Dialyser les nanogels contre de l’eau dionisée six fois sur des cycles de six heures pour éliminer les polymères non réticulés. Si vous le souhaitez, lyophilisez les nanogels purifiés pour les stocker. Pour commencer la procédure de fabrication de nanofibres de gel, préparez un millilitre de chacune des solutions de POEGMA fonctionnalisée à 15 % en poids d’hydrazide et d’aldéhyde dans de l’eau désionisée.Ensuite, préparez deux millilitres d’une solution à 5 % en poids d’oxyde de polyéthylène à haut poids moléculaire dans de l’eau désionisée. Combinez chaque solution de précurseur POEGMA avec un millilitre de solution d’oxyde de polyéthylène. Chargez les solutions précurseurs dans des cylindres séparés de la seringue à double baril.Ensuite, connectez un mélangeur statique de 1,5 pouce et une aiguille de calibre 18 à pointe émoussée à une seringue à double canon de 2,5 millilitres, 1:1. Montez la seringue à double canon sur une pompe à seringue à perfusion. Ensuite, montez un collecteur d’électrofilage à disque d’aluminium à 10 centimètres de l’extrémité de l’aiguille.Mettez à la terre une alimentation haute tension au niveau du collecteur et connectez l’alimentation à l’aiguille. Réglez la pompe à seringue à 0,48 millilitre par heure et l’alimentation électrique à 10 kilovolts. Démarrez simultanément la pompe à seringue et l’alimentation électrique pour lancer l’électrofilage.Continuez jusqu’à ce que l’épaisseur souhaitée soit atteinte ou que les précurseurs soient épuisés. Une fois la production de nanofibres terminée, éteignez et débranchez l’ensemble d’électrofilage. Faites tremper les nanofibres de gel collectées dans de l’eau déminéralisée pendant 24 heures pour éliminer l’oxyde de polyéthylène.L’administration à la seringue à double baril a produit des hydra-gels en vrac POEGMA réticulés à l’hydrazone avec une gamme de mécanismes, de temps de gélification et de transparences en fonction de la concentration du polymère précurseur, de la densité du groupe fonctionnel réactif et du nombre d’unités de répétition de l’oxyde d’éthylène sur les monomères. Les débits de l’huile de paraffine et des solutions de précurseurs de polymères ont affecté la taille des microparticules de gel poly NIPAM réticulé de l’hydrozone fabriquées avec le dispositif microfluidique. Un gonflement réversible dépendant de la température a été observé avec la microscopie optique à stade chaud.Les microparticules de gel se sont dégradées en leurs précurseurs oligomères au fil du temps. La taille des nanogels poly NIPAM réticulés à l’hydrazone auto-assemblés variait avec le rapport précurseur-masse du polymère fonctionnalisé aldéhyde-hydrazide, mais restait fortement monodispersée. À mesure que le rapport de masse augmentait, moins de gonflement thermique était observé.Comme les microparticules de gel, les nanogels se sont dégradés en précurseurs oligomères au fil du temps. Des nanofibres d’hydrogel POEGMA réticulées d’hydrazone d’un diamètre de l’ordre de 300 nanomètres ont été produites par électrofilage réactif. L’hydratation des nanofibres était environ deux ordres de grandeur plus rapide que l’hydratation d’un gel en vrac de la même composition polymère.Les nanofibres ont conservé leur morphologie nanofibreuse pendant plus de huit semaines avant de se dégrader dans des conditions physiologiques. La dégradation est plus rapide dans les environnements acides. Les nanofibres étaient mécaniquement robustes à l’état sec et gonflé.Après avoir regardé cette vidéo, nous espérons que vous avez une bonne compréhension de la façon de créer des hydrogels dégradables et thermo-réactifs en contrôlant la géométrie à laquelle les polymères précurseurs du gel sont fabriqués. N’oubliez pas de vous assurer que le temps de gélification du précurseur du polymère correspond aux besoins de chaque particule. Une gélification trop rapide inhibera la fabrication du microgel et des nanofibres.Une gélification trop lente se traduira par des morphologies entièrement figées. Ces techniques ouvrent la voie aux chercheurs dans les domaines de l’administration de médicaments et de l’ingénierie tissulaire. et concevoir des échafaudages d’hydrogel bien définis pour contrôler le taux ou l’emplacement de la libération de médicament ou stimuler la régénération des tissus.

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Bioingénierie

Des techniques simples sont décrites pour la production rapide de systèmes de culture microfabriqué neurones en utilisant un dispositif micromiroirs numériques pour la lithographie masque de projection dynamique sur réguliers des substrats de culture cellulaire. Ces systèmes de culture peut être plus représentatif de l'architecture biologique naturel, et les techniques décrites peuvent être adaptées pour de nombreuses applications.

Fabrication d&#39;hydrogels pour les systèmes de culture Micropatterned neuronaux utilisant la photolithographie dynamique projection de masque

A bioprinter été utilisé pour créer hydrogels motifs fondés sur un moule sacrificiel. Le moule poloxamère a été remblayé avec un second hydrogel et ensuite élue, laissant des vides qui ont été remplis avec un troisième hydrogel. Cette méthode utilise une élution rapide et une bonne imprimabilité de poloxamère pour générer des architectures complexes à partir de biopolymères.

Impression Moules Reverse thermosensible pour la création de motifs d&#39;hydrogels à deux composants pour la culture cellulaire 3D

Deux fluides adjacents passant par un canal microfluidique rainuré peuvent être dirigés pour former une gaine autour d’un noyau de prépolymère; déterminant ainsi à la fois la forme et la section transversale. La polymérisation photoinitiée, telle que la chimie du clic thiol, est bien adaptée à la solidification rapide du fluide central en une microfibre avec une taille et une forme prédéterminées.

Fabrication microfluidique de fibres polymères et biohybrides avec une taille et une forme redessinées

Nous présentons un protocole pour synthétiser des microhydrogels Janus composés entièrement du même matériau de base, le poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm), avec une structure clairement compartimentisée basée sur la séparation de phase d’une solution de monomère NIPAAm sursaturée. Les microhydrogels Janus synthétisés présentent des propriétés uniques telles que la thermoréactivité anisotrope et la capacité de charge organophile/hydrophile.

Synthèse de la poly (<em&gt; N</em&gt; -isopropylacrylamide) Janus Microhydrogels pour Anisotropic Thermo-réactivité et organophile / Hydrophile Loading Capability

Nous décrivons la fabrication de feuilles d’hydrogel à micromotifs à l’aide d’un processus simple, qui peut être assemblé et manipulé sous une forme autonome. À l’aide de ces feuilles d’hydrogel modulaires, un système de culture cellulaire 3D simple à l’échelle macroscopique peut être généré avec un microenvironnement cellulaire contrôlé.

Construction de feuilles d&#39;hydrogel modulaire pour micropatterned macro-échelle 3D Cellular architecture

Ce protocole décrit la mise en œuvre de la dégradation de l’hydrogel guidée par l’image, basée sur le laser, pour fabriquer des réseaux microfluidiques biomimétiques dérivés de vaisseaux intégrés dans des hydrogels de poly(éthylène glycol) diacrylate (PEGDA). Ces systèmes microfluidiques biomimétiques peuvent être utiles pour les applications d’ingénierie tissulaire, la génération de modèles de maladies in vitro et la fabrication de dispositifs avancés « sur puce ».

, Fabrication de réseaux microfluidiques vasculaire dérivés à base de laser guidée par l&#39;image

A élaboré une stratégie de fabrication additive pour traitement UV-réticulables hydrogels. Cette stratégie permet l’assemblage de couche par couche des microfabriques hydrogel structures ainsi que l’assemblage de composants indépendants, produisant des dispositifs intégrés contenant les composants mobiles qui réagissent au déclenchement magnétique.

Un additif de fabrication Technique pour la Fabrication rapide et Facile des Micromachines base d’Hydrogel avec composants magnétiquement sensibles

Ce travail décrit des méthodes simples, adaptables et peu coûteuses pour fabriquer des microgels avec fragmentation par extrusion, transformer les microgels en hydrogels granulaires injectables et appliquer les hydrogels granulaires comme encres d’impression par extrusion pour des applications biomédicales.

Fragmentation d’hydrogels en vrac et transformation en hydrogels granulaires pour des applications biomédicales

Cet article décrit les protocoles de fabrication de microgel méthacryloyl à haut débit à l’aide de dispositifs microfluidiques, la conversion de microgels en poudre resuspension (micro-aérogels), l’assemblage chimique de microgels pour former des échafaudages d’hydrogel granulaires et le développement de bio-encres d’hydrogel granulaires avec microporosité préservée pour la bio-impression 3D.

Échafaudages d’hydrogel granulaire méthacryloyl de gélatine : fabrication de microgel à haut débit, lyophilisation, assemblage chimique et bio-impression 3D

Cet article décrit comment bio-imprimer en 3D des hydrogels photoaccordables pour étudier le raidissement de la matrice extracellulaire et l’activation des fibroblastes.

Bio-impression 3D d’hydrogels photoaccordables pour étudier l’activation des fibroblastes

Découvrez la fabrication d'hydrogels thermoréactifs dégradables par réticulation hydrazone à plusieurs échelles. Ces méthodes permettent de créer des microgels, nanogels et nanofibres pour la livraison de médicaments et l'ingénierie tissulaire.

Fabrication des Thermoresponsive Hydrogels dégradable sur plusieurs échelles de longueur par Extrusion réactive, microfluidique, auto-assemblage et électrofilage (Vidéo) | JoVE Journal

Fabrication des Thermoresponsive Hydrogels dégradable sur plusieurs échelles de longueur par Extrusion réactive, microfluidique, auto-assemblage et électrofilage

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