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

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.