Name: בדיית Thermoresponsive Hydrogels מתכלה-פיסיקליות מרובים באמצעות שחול תגובתי, מיקרופלואידיקה, הרכבה עצמית, Electrospinning (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-16T13:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 7 s
Description: למד לייצר הידרוג'לים תרמורספונסיביים מתכלים בקנה מידה בולק, מיקרו וננו באמצעות כימיה של הידרזון. שיטה זו מאפשרת שליטה בגודל ובצורה ליישומים ביורפואיים כמו שחרור תרופות ומהנדסת רקמות.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

מימון מדעי הטבע, הנדסה מחקר המועצה של קנדה (NSERC), צור NSERC-IDEM (משולב עיצוב של חוץ-תאית מטריצות) תכנית, 20/20: NSERC Biomaterials אופטלמולוגיות מחקר ברשת, משרד אונטריו של המחקר, חדשנות פרסים חוקר בתחילת התוכנית הוא הודה.

<ol><li>Heskins, M., Guillet, J. E. <a target="_blank" href="http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/10601326808051910">Solution Properties of Poly(N-isopropylacrylamide).</a> J. Macromol. Sci. A. 2 (8), 1441-1455 (1968).</li>
<li>Lutz, J. -F., Akdemir, Ö, Hoth, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Point+by+Point+Comparison+of+Two+Thermosensitive+Polymers+Exhibiting+a+Similar+LCST%3A+Is+the+Age+of+Poly%28NIPAM%29+Over%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Point by Point Comparison of Two Thermosensitive Polymers Exhibiting a Similar LCST: Is the Age of Poly(NIPAM) Over.</a> J. Am. Chem. Soc. 128 (40), 13046-13047 (2006).</li>
<li>Pelton, R. H., Chibante, P. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0166662286802748">Preparation of Aqueous Lattices with N-Isopropylacrylamide.</a> Colloids Surf. 20 (3), 247-256 (1986).</li>
<li>Palasis, M., Gehrke, S. H. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0168365992902056">Permeability of Responsive Poly(N-Isopropylacrylamide) Gel to Solutes.</a> J. Controlled Release. 18 (1), 1-11 (1992).</li>
<li>Kawaguchi, H., Fujimoto, K., Mizuhara, Y. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/BF00656929">Hydrogel Microspheres .3. Temperature-Dependent Adsorption of Proteins on Poly-N-Isopropylacrylamide Hydrogel Microspheres.</a> Colloid Polym. Sci. 270 (1), 53-57 (1992).</li>
<li>Okuyama, Y., Yoshida, R., Sakai, K., Okano, T., Sakurai, Y. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8241069">Swelling Controlled Zero-Order and Sigmoidal Drug-Release from Thermoresponsive Poly(N-Isopropylacrylamide-Co-Butyl Methacrylate) Hydrogel.</a> J. Biomater. Sci. Polym. Ed. 4 (5), 545-556 (1993).</li>
<li>Snowden, M. J. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/-/content/articlelanding/1992/c3/c39920000803#!divAbstract">The Use of Poly(N-Isopropylacrylamide) Lattices as Novel Release Systems.</a> J. Chem. Soc. - Chem. Comm. (11), 803-804 (1992).</li>
<li>Haraguchi, K., Takehisa, T., Ebato, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Control+of+cell+cultivation+and+cell+sheet+detachment+on+the+surface+of+polymer%2Fclay+nanocomposite+hydrogels%5BTitle%5D)+AND+%22Biomacromolecules%22%5BJournal%5D)">Control of cell cultivation and cell sheet detachment on the surface of polymer/clay nanocomposite hydrogels.</a> Biomacromolecules. 7 (11), 3267-3275 (2006).</li>
<li>Lee, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Initiated+chemical+vapor+deposition+of+thermoresponsive+poly%28N-vinylcaprolactam%29+thin+films+for+cell+sheet+engineering%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Biomater%22%5BJournal%5D)">Initiated chemical vapor deposition of thermoresponsive poly(N-vinylcaprolactam) thin films for cell sheet engineering.</a> Acta Biomater. 9 (8), 7691-7698 (2013).</li>
<li>Cole, M. A., Voelcker, N. H., Thissen, H., Griesser, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stimuli-responsive+interfaces+and+systems+for+the+control+of+protein-surface+and+cell-surface+interactions%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">Stimuli-responsive interfaces and systems for the control of protein-surface and cell-surface interactions.</a> Biomaterials. 30 (9), 1827-1850 (2009).</li>
<li>Feil, H., Bae, Y. H., Feijen, J., Kim, S. W. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/037673889180099R">Molecular Separation by Thermosensitive Hydrogel Membranes.</a> J. Membrane Sci. 64 (3), 283-294 (1991).</li>
<li>Kim, J., Park, K. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10432576">Smart hydrogels for bioseparation.</a> Bioseparation. 7 (4-5), 177-184 (1998).</li>
<li>Yamashita, K., Nishimura, T., Nango, M. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pat.290/abstract">Preparation of IPN-type stimuli responsive heavy-metal-ion adsorbent gel.</a> Polym. Adv. Tech. 14 (3-5), 189-194 (2003).</li>
<li>Ziolkowski, B., Czugala, M., Diamond, D. <a target="_blank" href="http://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/1045389X12459591?journalCode=jima">Integrating stimulus responsive materials and microfluidics: The key to next-generation chemical sensors.</a> J. Intelligent Mater. Syst. Struct. 24 (18), 2221-2238 (2013).</li>
<li>Zhang, Y., Kato, S., Anazawa, T. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0964-1726/16/6/020">A flap-type hydrogel actuator with fast responses to temperature.</a> Smart Mater. Struct. 16 (6), 2175-2182 (2007).</li>
<li>Suzuki, D., Taniguchi, H., Yoshida, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Autonomously+Oscillating+Viscosity+in+Microgel+Dispersions%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Autonomously Oscillating Viscosity in Microgel Dispersions.</a> J. Am. Chem. Soc. 131 (34), 12058-12059 (2009).</li>
<li>Schild, H. G. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/007967009290023R">Poly(N-isopropylacrylamide): Experiment, Theory and Application.</a> Prog. Polym. Sci. 17, 163-249 (1992).</li>
<li>Oh, J. K., Min, K., Matyjaszewski, K. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ma060258v">Preparation of poly (oligo (ethylene glycol) monomethyl ether methacrylate) by homogeneous aqueous AGET ATRP.</a> Macromolecules. 39 (9), 3161-3167 (2006).</li>
<li>Vihola, H., Laukkanen, A., Tenhu, H., Hirvonen, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Drug+Release+Characteristics+of+Physically+Cross-Linked+Thermosensitive+Poly%28N-vinylcaprolactam%29+Hydrogel+Particles%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Pharm.+Sci%22%5BJournal%5D)">Drug Release Characteristics of Physically Cross-Linked Thermosensitive Poly(N-vinylcaprolactam) Hydrogel Particles.</a> J. Pharm. Sci. 97 (11), 4783-4793 (2008).</li>
<li>Zhang, L. F., Liang, Y., Meng, L. Z. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pat.1495/abstract">Thermo-sensitive amphiphilic poly(N-vinylcaprolactam) copolymers: synthesis and solution properties.</a> Polym. Adv. Tech. 21 (10), 720-725 (2010).</li>
<li>Smeets, N. M. B., Bakaic, E., Patenaude, M., Hoare, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Injectable+and+tunable+poly%28ethylene+glycol%29+analogue+hydrogels+based+on+poly%28oligoethylene+glycol+methacrylate%29%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Comm%22%5BJournal%5D)">Injectable and tunable poly(ethylene glycol) analogue hydrogels based on poly(oligoethylene glycol methacrylate).</a> Chem. Comm. 50 (25), 3306-3309 (2014).</li>
<li>Lutz, J. -F. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pola.22706/full">Polymerization of oligo (ethylene glycol)(meth) acrylates: toward new generations of smart biocompatible materials.</a> J. Polym. Sci. A. 46 (11), 3459-3470 (2008).</li>
<li>Lutz, J. -F., Hoth, A. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ma0517042">Preparation of Ideal PEG Analogues with a Tunable Thermosensitivity by Controlled Radical Copolymerization of 2-(2-Methoxyethoxy)ethyl Methacrylate and Oligo(ethylene glycol) Methacrylate.</a> Macromolecules. 39 (2), 893-896 (2006).</li>
<li>Patenaude, M., Campbell, S., Kinio, D., Hoare, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tuning+Gelation+Time+and+Morphology+of+Injectable+Hydrogels+Using+Ketone-Hydrazide+Cross-Linking%5BTitle%5D)+AND+%22Biomacromolecules%22%5BJournal%5D)">Tuning Gelation Time and Morphology of Injectable Hydrogels Using Ketone-Hydrazide Cross-Linking.</a> Biomacromolecules. 15 (3), 781-790 (2014).</li>
<li>Patenaude, M., Hoare, T. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/mz200121k">Injectable, Degradable Thermoresponsive Poly(N-isopropylacrylamide) Hydrogels.</a> ACS Macro Lett. 1 (3), 409-413 (2012).</li>
<li>Patenaude, M., Hoare, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Injectable%2C+Mixed+Natural-Synthetic+Polymer+Hydrogels+with+Modular+Properties%5BTitle%5D)+AND+%22Biomacromolecules%22%5BJournal%5D)">Injectable, Mixed Natural-Synthetic Polymer Hydrogels with Modular Properties.</a> Biomacromolecules. 13 (2), 369-378 (2012).</li>
<li>Smeets, N. M. B., Bakaic, E., Patenaude, M., Hoare, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Injectable+poly%28oligoethylene+glycol+methacrylate%29-based+hydrogels+with+tunable+phase+transition+behaviours%3A+Physicochemical+and+biological+responses%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Biomater%22%5BJournal%5D)">Injectable poly(oligoethylene glycol methacrylate)-based hydrogels with tunable phase transition behaviours: Physicochemical and biological responses.</a> Acta Biomater. 10 (10), 4143-4155 (2014).</li>
<li>Sivakumaran, D., Mueller, E., Hoare, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Temperature-Induced+Assembly+of+Monodisperse%2C+Covalently+Cross-Linked%2C+and+Degradable+Poly%28N-isopropylacrylamide%29+Microgels+Based+on+Oligomeric+Precursors%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Temperature-Induced Assembly of Monodisperse, Covalently Cross-Linked, and Degradable Poly(N-isopropylacrylamide) Microgels Based on Oligomeric Precursors.</a> Langmuir. 31, 5767-5778 (2015).</li>
<li>Bakaic, E., Smeets, N. M. B., Dorrington, H., Hoare, T. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2015/ra/c5ra00920k?iscitedby=True#!divAbstract">"Off-the-shelf" thermoresponsive hydrogel design: tuning hydrogel properties by mixing precursor polymers with different lower-critical solution temperatures.</a> RSC Adv. 5 (42), 33364-33376 (2015).</li>
<li>Bulpitt, P., Aeschlimann, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((New+strategy+for+chemical+modification+of+hyaluronic+acid%3A+Preparation+of+functionalized+derivatives+and+their+use+in+the+formation+of+novel+biocompatible+hydrogels%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Biomed.+Mater.+Res%22%5BJournal%5D)">New strategy for chemical modification of hyaluronic acid: Preparation of functionalized derivatives and their use in the formation of novel biocompatible hydrogels.</a> J. Biomed. Mater. Res. 47 (2), 152-169 (1999).</li>
<li>Kesselman, L. R. B., Shinwary, S., Selvaganapathy, P. R., Hoare, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+of+Monodisperse%2C+Covalently+Cross-Linked%2C+Degradable+%22Smart%22+Microgels+Using+Microfluidics%5BTitle%5D)+AND+%22Small%22%5BJournal%5D)">Synthesis of Monodisperse, Covalently Cross-Linked, Degradable "Smart" Microgels Using Microfluidics.</a> Small. 8 (7), 1092-1098 (2012).</li>
<li>Sivakumaran, D., Mueller, E., Hoare, T. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/sm/c7sm01361b#!divAbstract">Microfluidic production of degradable thermoresponsive microgels based on poly(N-isopropylacrylamide).</a> Soft Matter. , (2016).</li>
<li>Xu, F., Sheardown, H., Hoare, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reactive+Electrospinning+of+Degradable+Poly%28oligoethylene+glycol+methacrylate%29-Based+Nanofibrous+Hydrogel+Networks%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Comm%22%5BJournal%5D)">Reactive Electrospinning of Degradable Poly(oligoethylene glycol methacrylate)-Based Nanofibrous Hydrogel Networks.</a> Chem. Comm. 52 (7), 1451-1454 (2016).</li>
<li>Troll, K., et al. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/s00396-008-1871-5">The collapse transition of poly(styrene-b-(N-isopropyl acrylamide)) diblock copolymers in aqueous solution and in thin films.</a> Colloid Polym. Sci. 286 (8), 1079-1092 (2008).</li>
<li>Patenaude, M., Campbell, S., Kinio, D., Hoare, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tuning+Gelation+Time+and+Morphology+of+Injectable+Hydrogels+Using+Ketone-Hydrazide+Cross-Linking%5BTitle%5D)+AND+%22Biomacromolecules%22%5BJournal%5D)">Tuning Gelation Time and Morphology of Injectable Hydrogels Using Ketone-Hydrazide Cross-Linking.</a> Biomacromolecules. 15 (3), 781-790 (2014).</li>
<li>Kelly, T. A., Felder, M. S., Ollar, R. A. Inducing Apoptosis in a Mammalian Cell by Contacting with Paraffin or Agar. US Patent. , 6,274,377 (2001).</li>
</ol>

המחברים אין לחשוף.

חומרים חכמים משכו תשומת לב משמעותית בשל הפוטנציאל שלהם "על פי דרישה" הפיכה, התגובות אותות חיצוניים ו/או איכות הסביבה. חומרים טמפרטורה מגיב משכו עניין מיוחד בשל התנהגותם טמפרטורה (LCST) פתרון קריטיות נמוכה יותר, וכתוצאה מכך משקעים מונחה-חום בטמפרטורה T &gt;1,LCST2. בהקשר של thermoresponsive hydrogels, ההתנהגות בטמפרטורה נמוכה זו פתרון קריטי מתבטאת על-ידי הפיכה נפיחות/ביטול-swelling אירועים כתוצאה בגדלים בצובר טמפרטורה-tunable (גדול יותר ב- T &lt; LCST)3, נקבובית בגודלי (ב- T &lt; LCST)4ומאפיינים פנים (יותר הידרופילית-T &lt; LCST)5. מעברים כאלה יושמו באופן נרחב משלוח סמים (עבור סמים חיצוני או לסביבה triggerable מהדורה4,6,7), הנדסת רקמות ותרבות תא (thermoreversible תא הדבקה / delamination8,9,10), הפרדות (עבור ממברנה להחלפה porosities, permeabilities או תומך אבחון תרמית למחזור11,12, 13), microfluidic תהליכים (עבור-שסתומי ויסות זרימת14,15), סימני פיסוק rheological (עבור צמיגויות טמפרטורה-tunable16). חקר הנפוץ ביותר thermoresponsive hydrogels מבוססים על poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM)17, למרות משמעותית (הגדלת) ועבודה ניצח גם על פולי (oligoethylene methacrylate גליקול) (POEGMA)2 ,18 ו- poly(vinylcaprolactam) (PVCL)19,20. POEGMA משכה עניין האחרונות מסוים נתון אילו תערובות צפוי באופן ליניארי של מונומרים עם מספר שונה של21,הצפויה הביו משופרת22וההתנהגות שלה LCST נתיישב-כדי-מנגינה, אתילן אוקסיד יחידות אני חוזר בשרשראות הצד שלהם יכול לשנות את LCST מ ~ 20 ° C עד &gt; 90 ° C2,23. עם זאת, כל אחד פולימרים אלה מוכן על ידי רדיקלים חופשיים פלמור, ובכך מכיל עמוד השדרה פחמן-פחמן, להגביל באופן משמעותי את פוטנציאל השירות ואת translatability של פולימרים כאלה בהקשר של ביו יישומים שבהם השפלה (או לפחות הקיבולת לאישור באמצעות סינון כליות) הוא בדרך כלל דרישה.
בתגובה על מגבלה זו, לאחרונה דיווחנו בהרחבה על היישום של הכימיה hydrazone (כלומר., התגובה בין hydrazide לבין functionalized-אלדהיד פולימרים מראש) כדי להכין מתכלה מקבילים של thermoresponsive hydrogels24,25,26,27,28,29. התגובה המהירה והפיך בין קבוצות hydrazide, אלדהיד על ערבוב של פולימרים קודמן functionalized30 מאפשר הן בחיי עיר gelation (הפיכת נתיישב הזרקה של חומרים אלה ללא הצורך כירורגי ההשרשה או כל סוג של גירוי חיצוני הפילמור בשחרור הקרנה או כימי UV) כמו גם השפלה hydrolytic של הרשת בקצב מבוקר על ידי כימיה צפיפות של האתרים crosslinking. יתר על כן, על ידי שמירה על משקל מולקולרי פולימרים קדם השתמשו כדי להכין את hydrogels מתחת לגבול סינון כליות, hydrogels עשה שימוש בגישה זו לבזות בחזרה לתוך פולימרים קודמן oligomeric ניתן לפנות מהגוף25 27, ,28. יחד עם cytotoxicity נמוך והתגובה נמוכה רקמות דלקתיות המושרה על ידי אלה26,25,חומרים27, גישה זו מציעה שיטה לתרגום פוטנציאל לשימוש של thermoresponsive hydrogels חכם ברפואה, במיוחד אם יכול להיות מפוברק ומבוקרות היטב מתכלה מקבילים של כזה hydrogels על כל פיסיקליות (בתפזורת, מיקרו וננו).
ב פרוטוקול זה, אנו מתארים שיטות להכנת thermoresponsive סינתטי פולימרים טרום functionalized עם מספר מבוקר של hydrazide, אלדהיד קבוצות כמו גם שיטות כדי להחיל פולימרים אלה ליצירת hydrogels עם ממדים מוגדרים היטב על פיסיקליות שונות. בפרט, כתב יד זה מתאר ארבע גישות שונות פיתחו כדי לשלוט ערבוב של מגיב hydrazide, פולימרים טרום functionalized-אלדהיד ואנו ובכך ליצור thermoresponsive הידרוג רשתות עם גיאומטריות מוגדרים היטב, מורפולוגיות:
כדי ליצור בצובר מתכלה hydrogels עם גדלים מוגדרים, אסטרטגיה תבניות מתואר שלפיו פולימרים מראש תגובתי מוטענים לתוך חביות נפרדים של מזרק כפול-חבית מצויד ב- outlet שלה במערבל סטטי, לאחר מכן משותפת extruded לתוך תבנית סיליקון עם הידרוג הרצוי צורה וממדים21,27 (איור 1).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig1.jpg"> איור 1 : סכימטי של היווצרות הידרוג בצובר. Hydrazide תמיסות פולימר functionalized-אלדהיד (בתוך מים או מאגר מימית) מוטענים לתוך חביות נפרדים של מזרק חבית כפול, ואז שיתוף extruded דרך במערבל סטטי לתוך תבנית סיליקון גלילי. מהירה בחיי עיר gelation על ערבוב טפסים של הידרוג תפור hydrazone, וזה חינם עומד (פעם העובש יוסר) תוך שניות עד דקות בהתאם צפיפות ריכוז לבין קבוצה פונקציונלית פולימרים קודמן. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
ליצירת ג'ל מתכלה חלקיקים בסולם מיקרון, מתוארת שיטה מיקרופלואידיקה תגובתי תמיסות פולימר קודמן אשר נמצאים בו זמנית מעורב, emulsified באמצעות עיצוב שבב microfluidic תבניות הדפס אבן רכה, המאפשרת היווצרות של פולימר תגובתי מעורב טיפות ג'ל זה לאחר מכן בחיי עיר טופס microparticles ג'ל עם גדלים בתבניות על ידי31,אמולסיה (איור 2)32.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig2.jpg"> איור 2 : סכימטי היווצרות microparticle ג'ל באמצעות מיקרופלואידיקה תגובתי. (A, B) Hydrazide ופתרונות פולימר functionalized-אלדהיד (בתוך מים או מאגר מימית) ניזונים על ידי משאבת מזרק לתוך מאגרים נפרדים המחוברים במורד הזרם לרוחב זיג-זג סדרת ערוצים שנועדה ליצור מעבר הדרגתי לחץ מניעת זרם אחורי. פולימרים הם מעורב לפני כשנקודת על ידי שמן פראפין זורם משני הצדדים (גם מונע על ידי מזרק משאבה) ואז בכוח דרך זרבובית, וכתוצאה מכך מיקוד זרימת הייצור של מימית (פתרון פולימר) טיפות בשלב שמן פרפין רציפה (ראה (B) לאיור של האזור זרבובית, תהליך יצירת droplet). נוספת שני פרפין שמן אינלטס ממוקמות אחרי הצינור כדי נוספת נפרדת טיפות בערוץ אוסף כדי לאפשר gelation מלאה לפני הסרת חלקיקים של זרימה שכבתית, אחרי אשר microparticulate וכתוצאה מכך ג ' לים? אסף בתוך דיסקות מנוער; (ג) תמונה של תהליך יצירת droplet על הצינור (שים לב כי פולימר hydrazide מסומן בכחול כדי להמחיש ערבוב)
כדי ליצור חלקיקים מתכלה ג'ל על ננו, תרמית מונחה תגובתי הרכבה עצמית בשיטה המתוארת בו פתרון של אחד פולימרים קודמן תגובתי (הפולימר "זרע") מחומם מעל שלו LCST כדי ליצור nanoaggregate יציב זה לאחר מכן תפור על ידי התוספת של הפולימר קודמן תגובתי משלימים (הפולימר "crosslinking"); nanogel תפור hydrazone וכתוצאה מכך יש גודל בתבניות ישירות על-ידי nanoaggregate (איור 3)28.
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig3v2.jpg"> איור 3 : סכימטי של היווצרות nanogel ויה מונחה תרמית תגובתי הרכבה עצמית- פתרון מימית המכילה הפולימר hydrazide-functionalized (thermoresponsive) הוא מחומם מעל לטמפרטורה פתרון קריטי התחתון שלה כדי ליצור nanoaggregate uncrosslinked יציב. הבא, פולימר functionalized-אלדהיד מתווסף crosslink את nanoaggregate דרך היווצרות הקשר hydrazone, ובכך לייצב את החלקיקים nanogel לאחר הקירור מתחת LCST. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig3v2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
כדי ליצור nanofibers מתכלה, טכניקה electrospinning תגובתי מתואר בו מזרק חבית כפול המצויד במערבל סטטי ב outlet שלה (כפי משמש להכנת בצובר hydrogels) קשורה פלטפורמה electrospinning רגיל (איור 4 )33.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig4.jpg"> איור 4 : סכימטי של הידרוג היווצרות nanofiber ויה electrospinning תגובתי. מזרק חבית כפול במערבל סטטי (טעון כמתואר בצובר hydrogels אך גם כולל שבריר של משקל מולקולרי גבוה poly(ethylene oxide) כעזר electrospinning) הוא רכוב על מזרק משאבה, עם המחט בסוף המזרק מחובר כדי ספק כח בעל מתח גבוה. Hydrazone crosslinking מתרחשת במהלך סיבים מסתובב תהליך כך כאשר הזרם פוגע האספן (רדיד אלומיניום או דיסק אלומיניום מסתובב) המורפולוגיה nanofibrous נשמרת. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig4large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
היישום של שיטות כאלה ליצירת רשתות הידרוג חכם מתכלה הוא הפגינו לפרוטוקול זה באמצעות PNIPAM או POEGMA כמו הפולימר עניין; עם זאת, הגישות הבסיסיות שתוארו יכול לתרגם את כל פולימרים מסיסים במים, אמנם עם התאמות מתאימים עבור צמיגות, (במקרה של שיטת הרכבה עצמית של ייצור nanogel) היציבות של הפולימר קדם ביצירת הזרע nanoaggregate.

<table><tbody><tr><td><חזק>כימיקלים</חזק></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>2,2 - חומצה אזוביסובוטרית, דימתיל אסטר</td>, <td>Wako Chemicals</td><td>101138</td><td></td></tr><tr><td>די(אתילן גליקול), מתיל אתר מתקרילט (M(EO)2MA),</td> <td>סיגמא אולדריץ'</td><td>447927</td><td>188.2 גרם/מול, n=2 יחידות חוזרות של אתילן אוקסיד</td></tr>, <tr><td>אוליגו (אתילן גליקול), מתיל אתר מתקרילט (OEGMA475)</td><td>סיגמא אולדריץ'</td><td>447943</td><td>475 גרם/מול, n=8-9 יחידות חוזרות של תחמוצת אתילן</td></tr><tr><td>חומצה אקרילית (AA), 99%</td> <td>סיגמא אולדריץ'</td><td>147230</td><td></td></tr><tr><td>חומצה תיוגליקולית (TGA), 98%</td> <td>סיגמא אולדריץ'</td><td>T3758</td><td></td></tr><tr><td>דיאוקסן, 99%</td> <td>Caledon Labs</td><td>360481</td><td></td></tr><tr><td>חנקן, דרגת UHP</td><td>Air Liquide</td><td>Alphagaz1 765A-44</td><td></td></tr><tr><td>חומצה אדיפית דיהידרזיד (ADH), 98%</td> <td>Alfa Aesar</td><td>A15119</td><td></td></tr><tr><td>N'-ethyl-N-(3- dimethylaminopropyl)-carbodiimide (EDC, x%)</td><td>Carbosynth</td><td>FD05800</td><td></td></tr><tr><td>חומצה הידרוכלורית (HCl), 37%</td> <td>סיגמא אולדריץ</td><td>' 320331</td><td></td></tr><tr><td>נתרן הידרוקסיד (NaOH), 97%</td> <td>סיגמא אולדריץ'</td><td>221465</td><td></td></tr><tr><td>אמינואצטיל אלדהיד דימתיל אצטל, 99%</td> <td>סיגמא אולדריץ'</td><td></td> 121967-4-הידרוקסי-טמפו <td></td></tr><tr><td>, 97%</td> <td>סיגמא אולדריץ'</td><td>176141</td><td></td></tr><tr><td>מתאקרילואיל כלוריד, 97x%</td> <td>סיגמא אולדריץ'</td><td>523216</td><td></td></tr><tr><td>אתר נפט, 95%</td> <td>סיגמא אולדריץ'</td><td>32047</td><td></td></tr><tr><td>מגנזיום גופרתי, 99.5%</td> <td>סיגמא אולדריץ'</td><td>M7506</td><td></td></tr><tr><td>טרט-בוטיל מתיל אתר, >99.0%</td> <td>סיגמא אולדריץ'</td><td>443808</td><td></td></tr><tr><td>פוספט</td> <td>מלח חוצץBioShop</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>התגבש מחדש מ-60% הקסנים/40% טולואן</td></tr><tr><td>אתנול,</td><td>אלכולס מסחרי</td> נטול מים <td>P016EAAN</td><td></td></tr><tr><td>טווח 80</td><td>סיגמא אולדריץ'</td><td>S6760</td><td></td></tr><tr><td>שמן פרפין כבד</td><td>Caledon Labs</td><td>1326197</td><td></td></tr><tr><td>פנטן, דרגת ריאגנט</td><td>Caledon Labs</td><td>1/10/7800</td><td></td></tr><tr><td>פולי (תחמוצת אתילן) ממוצע Mv 600,000</td><td>Sigma Aldrich</td><td>182028</td><td></td></tr><tr><td><חזק>אספקה חיונית לסינתזה וייצור הידרוג'ל</חזק></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>מאייד סיבובי</td><td>Heidolph</td><td>G3</td><td></td></tr><tr><td>צינורות דיאליזה (חתך משקל מולקולרי של 3500 Da</td>)<td>Spectrum Labs</td><td>28170-166</td><td>נפח/אורך = 6.4 מ"ל/ס"מ</td></tr><tr><td>מזרק חבית כפולה</td><td>Medmix</td><td>L סדרה</td><td>L סדרה, 2.5 מ"ל, יחס נפח 1:1</td></tr><tr><td>מערבל סטטי</td><td>Medmix</td><td>L סדרה</td><td>L, 2.5 מ"ל, יחס נפח 1:1, אורך 1.5 אינץ'</td></tr><tr><td>יריעת גומי סיליקון, עובי 1/16 אינץ'</td><td>McMaster-Carr</td><td>9010K12, 30A דורומטר (סופר רך)</td><td></td></tr> <tr><td>משאבת מזרק</td><td>KD Scientific</td><td>KDS Legato 200</td><td>להחדיר רק משאבת מזרק כפולה</td></tr><tr><td>ספק כוח מתח גבוה</td><td>Spellman</td><td>230-20R</td><td>0 עד 20 קילו וולט</td></tr><tr><td><חזק>ייצור שבב מיקרופלואידי</חזק></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>פרוסת סיליקון רקיק</td><td>אוניברסיטת</td><td>2080</td><td>D = 76.2 מ"מ; 380 ומיקרו; עובי מ '; P-מסומם; < 100> אוריינטציה&nbsp;</td></tr><tr><td>SU-8 100</td><td>MicroChem</td><td>Y131273</td><td></td></tr><tr><td>SU-8 מפתח</td><td>MicroChem</td><td>Y020100</td><td></td></tr><tr><td>מותאם אישית 2.5 אינץ' יישור</td> מסכות <td>N/A</td><td></td><td>מובנה</td></tr><tr><td></td><td>בבית KARL SUSS</td><td>MJB3 UV400 (עם מנורת 276 W)</td><td></td></tr> <tr><td>Masterflex L/S 13 צינורות סיליקון</td><td>Cole Parmer</td><td>OF-96400-13</td><td>נרפא מי חמצן</td></tr><tr><td>Dow Corning Sygard 184 בסיס אלסטומר סיליקון&nbsp;</td><td>דבקי אלסוורת'</td><td>4019862</td><td></td></tr><tr><td>Dow Corning Sygard 184 חומר ריפוי אלסטומר סיליקון&nbsp;</td><td>דבקי אלסוורת'</td><td>4019862</td><td></td></tr><tr><td>מנקה פלזמה בעוצמה גבוהה&nbsp;</td><td>Harrick</td><td>PDC-002-HP</td><td></td></tr><tr><td>Characterization Instruments</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Mach 1 בודק מיקרומכני</td><td>Biomomentum</td><td>LB007-EN</td><td></td></tr><tr><td>תרבית רקמות Cellstar 12 באר</td><td>צלחת Greiner Bio-one</td><td>665 180</td><td></td></tr><tr><td>הכנס תרבית תאים לצלחת 12 באר</td><td>קורנינג</td><td>08-771-12</td><td>8 ומיקרו; m גודל נקבוביות</td></tr><tr><td>מיקרוסקופ אופטי</td><td>אולימפוס BX51 מיקרוסקופ אופטי</td><td>BX51</td><td></td></tr><tr><td>שלב מיקרוסקופ מבוקר טמפרטורה</td><td>Linkam Scientific</td><td>THMS600</td><td></td></tr><tr><td>כרומטוגרף חדירת ג'ל (GPC)</td> <td>Waters</td><td>590 HPLC משאבת</td><td>מים עמודי סטיראגל (HR2, HR3, HR4; 30 ס"מ x 7.8 מ"מ (ID); חלקיקים 5 מ"מ), גלאי מקדם שבירה Waters 410</td></tr><tr><td>פיזור אור דינמי (DLS)</td><td>מנתח</td><td></td><td>גודל חלקיקים Brookhaven 90Plus</td></tr><tr><td>מיקרוסקופ אלקטרונים שידור (TEM)</td> <td>TEMSCAN</td><td>JEOL 1200EX</td><td>מתח מאיץ 100 קילו וולט</td></tr><tr><td>מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM)</td> <td>Tescan</td><td>Vega II LSU</td> מתח <td>מאיץ 10 קילו</td></tr><tr><td>וולט מיקרוסקווישר</td><td>בדיקת ביו-חומרים בקנה מידה</td><td>של תא MS-50M-01</td><td></td></tr></tbody></table>

בדיית thermoresponsive hydrogels מתכלה-פיסיקליות מרובים באמצעות שחול תגובתי, מיקרופלואידיקה, הרכבה עצמית, electrospinning

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

בעוד חומרים חכמים שונים נחקרו למגוון רחב של יישומים ביו-רפואי (למשל, תרופות, הנדסת רקמות, bioimaging, וכו '.), שימוש קליני האולטימטיבי שלהם יש כבר הקשו על ידי חוסר רלוונטיות ביולוגית השפלה שנצפו חומרים הכי חכם. זה נכון במיוחד עבור טמפרטורה מגיב hydrogels, אשר כמעט אחיד מבוססים על פולימרים הן מבחינה תפקודית שאינו מתכלה (למשל, poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) או פולי (oligoethylene methacrylate גליקול) (POEGMA) ). בתור שכזה, כדי ביעילות לתרגם את הפוטנציאל של thermoresponsive hydrogels לאתגרים של שלט רחוק או מוסדר מטבוליזם לתרופות משלוח, התא פיגומים עם אינטראקציות סלולרי-חומר tunable, theranostic חומרים עם פוטנציאל עבור הדמיה, משלוח סמים, וגם כזה יישומים אחרים, שיטה נדרש כדי להבהיר את hydrogels (אם לא מתכלה באופן מלא) לפחות יכולת הכליה סיווג בעקבות משך החומר הנדרש. לשם כך, פרוטוקול זה מתאר את הכנת hydrogels hydrazone hydrolytically-מתכלים-תפור על מרובים פיסיקליות התגובה בין hydrazide לבין functionalized-אלדהיד oligomers PNIPAM או POEGMA עם מולקולרית משקולות מתחת לגבול סינון כליות. באופן ספציפי, שיטות כדי לפברק hydrogels בתפזורת thermoresponsive מתכלה (באמצעות טכניקה מזרק חבית כפול), חלקיקים הידרוג (על שתי microscale באמצעות פלטפורמה מיקרופלואידיקה הקלת ערבוב בו זמנית, תחליב של קודמן פולימרים של ננו באמצעות שימוש תרמית מונחה הרכבה עצמית ו- cross-linking שיטה), ומתוארות הידרוג nanofibers (באמצעות אסטרטגיה הריאקטיבי electrospinning). בכל מקרה, hydrogels עם טמפרטורה מגיב תכונות דומות מושגת באמצעות רדיקלים חופשיים קונבנציונאלי cross-linking תהליכים יכולה להיות מושגת, אבל יכול להיות מושפל hydrazone צולבים הרשת לאורך זמן להקים מחדש את oligomeric קודמן פולימרים ואישור לזמין. ככזה, אנו צופים בשיטות אלה (אשר עשוי להיות כללי שהוחל על סינתטי בכל פולימרים מסיסים במים, ולא רק חכם חומרים) יאפשר תרגום קל יותר של חומרים סינתטיים חכמים ליישומים קליניים.

Hydrogels בתפזורת extruded של מזרק חבית כפול לתוך תבנית סיליקון לממדים של העובש והופכים שעמד חופשי על הסרת עובש; gelation מתרחשת בדרך כלל שניות עד דקות הבאות ההבלטה שיתוף בהתאם מבשרי פולימר המשמש. אפיון טיפוסי דרך נפיחות (נמדד gravimetrically באמצעות הוספה התרבות של תאים בקלות להסיר את הידרוג מהפתרון נפיחות), thermoresponsivity (נמדד באותה שיטה, אבל רכיבה על אופניים הטמפרטורה הדגירה לעיל, להלן שלב טמפרטורת המעבר), השפלה (נמדד באמצעות באותה שיטה, אבל מעל פרקי זמן ארוכים יותר), ו הטיה או compressive מודולוס (נמדד באמצעות דגימות בעובי 2 מ מ קוטר יצוק 7 מ מ) מדגים את tunability של הידרוג תגובות בהתאם הכימיה של הפולימר קודמן (במיוחד, עבור POEGMA, היחס של קצר שרשרת ארוכה OEGMA מונומרים נהגה להכין את הידרוג), השבר השומה של קבוצות פונקציונליות של פולימרים קודמן ולאחר את הריכוז של אלה קודמן פולימרים (איור 5)27.
מיקרופלואידיקה שמוביל היווצרות של microparticles ג'ל מוגדרים היטב בסולם בגודל של 25-100 מיקרומטר, עם גודל לשליטה בהתבסס על שיעור זרימת השמן ו/או בשילוב פולימר מימית שלבים (איור 6A)31. מיקרוסקופ אופטי הבמה חם מאשרת microparticles ג'ל לשמור על האופי thermoresponsive של hydrogels בתפזורת, מציג הפיכה תלוית טמפרטורה נפיחות-deswelling עם רק היסטרזיס קלה על מחזור 1 (המיוחס היווצרות קשר מימן בלתי הפיך בין קבוצות אמיד השכן מצבו המצומצם34) עקבי עם זה נצפתה בצובר PNIPAM hydrogels (איור 6B)32. יתר על כן, microparticles ג'ל לבזות לחזור מבשרי oligomeric שלהם לאורך זמן, המאפשרת סיווג הכליה (איור 6C)32.
הרכבה עצמית מונעת על ידי nanoaggregation של פולימר PNIPAM hydrazide functionalized בפתרון מחוממת ואחריו crosslinking עם PNIPAM functionalized-אלדהיד פולימר תוצאות מאוד monodisperse nanogels (polydispersity &lt; 0.1)- טווח בגודל של 180-300 ננומטר, בהתאם לתנאי התהליך משמש (איור 7א)28. Nanogels שומרים על ההתנהגות thermoresponsive אופייני של nanogels PNIPAM המקובלת תפור חינם-רדיקלי, עם דרגות נמוכות של deswelling התרמית שנמדדו כמו פולימר יותר cross-linking נוספה (איור 7ב'). Nanogels ניתן lyophilized, רדיספריות ללא שינוי גודל החלקיקים (איור 7C) ולבזות לאורך זמן באמצעות הידרוליזה לעיצוב מחדש של פולימרים קודמן oligomeric בשימוש על מנת לגבש את nanogels (איור 7D).
Electrospinning ריאקטיבי יוצר nanofibrous של הידרוג מבנה (איור 8א), עם nanofiber קטרים הסדר ~ 300 ננומטר השגה בלי חלקיקים electrosprayed גלוי להציג33. לספוג את nanofibers מבוססי POEGMA במים יוצרת הידרציה מהירה (בערך שני סדרי גודל מהר יותר ממה שהושג עם ג'ל בצובר של הרכב אותו, איור 8ב') אך שומר המורפולוגיה nanofibrous מעל 8-10 שבועות לפני hydrolytic השפלה-בתנאים פיזיולוגיים; השפלה מהר יותר הוא ציין בסביבות מזורז-חומצה, כצפוי בשל פוטנציאל מזורז-חומצה hydrazone בונד השפלה (איור 8ג). המבנים nanofibrous הסתיימו גם מכנית חזקים בארה ב הן יבש ונפוח מחזורי מרובים, המאפשר טיפול קל חוזרות התאמץ (איור 8יח)
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig5v2.jpg"> איור 5 : מאפייני באתרובג'לי פרירים מתכלה thermoresponsive hydrogels. (א) נציג POEGMA ג'ל רשת מזערים ותמונות הידרוג בתפזורת עם המקביל gelation פעמים כפונקציה של שיתוף % השומה OEGMA475 בפולימרים קודמן; (בג) מודולוס אחסון של פו hydrogels100 על ידי ריכוז בדרגות שונות של פולימר קודמן (B) (ג) שומה % קבוצה פונקציונלית התאגדות לכל קודמן פולימר; (D-F) המאפיינים Physiochemical של POEGMA hydrogels כפונקציה של OEGMA475 השומה % התאגדות: (ד) אחסון מודולוס (E) השפלה פרופיל 1 M HCl, טמפרטורת המעבר של שלב האחסון (נ) בתגובה טמפרטורה משתנה על פני הטווח 20-60 ° C. כל קווי השגיאה לייצג סטיית התקן של n = 4 מידות שכפל. חיבור מקורי הפניה27 באישור Elsevier. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig5v2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig6.jpg"> איור 6 : מאפיינים של ג'ל מתכלה microparticles מ מיקרופלואידיקה תגובתי. (א) ההשפעה של קצב הזרימה שמן פרפין על ג'ל (מטוהרים) גודל microparticle במים; (ב) Thermoresponsivity של ג'ל מטוהרים microparticles במים בעקבות מחזור תרמי יחיד מעל ומתחת את טמפרטורת המעבר שלב האחסון; (ג) Visual הערכה (תמונות) ועקבות ג'ל הסתננות כרומטוגרפיה (גרף) המאשר השפלה של ג'ל microparticles בחזרה אל ומרכיביהם פולימר קודמן (כאן, ב- HCl M 1 כדי להקל על השפלה מואצת על ציר הזמן של הדמיה); סרגל קנה מידה = 100 מיקרומטר. Adapted אסמכתא32. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig6large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig7v2.jpg"> איור 7 : מאפייני nanogels מתכלה של תגובתי הרכבה עצמית- (א) חלקיקים בגודל הפצות nanogels המוכנים אלדהיד שונים: hydrazide פולימר באמצעות יחסי המסות של פיזור אור דינאמי (שיבוץ: שידור אלקטרון micrograph המאשרת את מהות nanogels כדורית); (ב) Thermosensitivity של חלקיקים מורכבים עצמית כפונקציה של היחס המונית בין פולימר אלדהיד: hydrazide נהגו להכין את nanogels (מתוך פיזור אור דינאמי), עם קווי שגיאה המייצג את סטיית התקן של n = 4 משכפל; (ג) Visual אישור היעדר nanogel צבירת טרום וגם פוסט-lyophilization; (ד) אימות חזותי השפלה מזורז-חומצה של nanogels (כאן ב- HCl M 1 לשם עקביות עם מחקרים אחרים לעיל); (ה) ג'ל הסתננות עקבות של כרומטוגרפיה של מוצרים השפלה nanogel המציין את הדמיון שלהם hydrazide ו- functionalized-אלדהיד קודמן פולימרים. הותאם באישור הפניה28. זכויות יוצרים 2015, האגודה האמריקנית לכימיה. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig7v2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig8v2.jpg"> איור 8 : מאפייני nanofibers מתכלה של תגובתי electrospinning. (א) סריקה מיקרוסקופ אלקטרונים, תמונות של nanofibers היבשה המדינה (משמאל), חצי טבולים במים (סרט, האמצעי, רזה), מלא ספוגה במים למשך הלילה (נכון, עבה לגרדום); (ב) נפיחות של הידרוג nanofibrous (אדום) ביחס הידרוג בתפזורת (כחול) של הרכב אותו, עם קווי שגיאה המייצג את סטיית התקן של n = 4 משכפל; (ג) סריקה מיקרוסקופ אלקטרונים של (הבלעה) דימויים ויזואליים מעקב השפלה מזורז-חומצה של nanofibers ב- 1 M HCl; (ד) רכיבה על אופניים מתיחה של יבש (מחזורים 80, 20% התארכות/מחזור), נפוחות (325 מחזורים, 10% התארכות/מחזור 10 מ ל- PBS) electrospun nanofibrous hydrogels. דמות שונה הפניה33 , לשכפל, ברשות החברה המלכותית לכימיה. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig8v2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>

פרוטוקולים מתוארים להרכבת מתכלה thermoresponsive hydrogels מבוסס על hydrazone cross-linking של oligomers פולימריים על הסולם בתפזורת, microscale, ו ננו, והשני עבור הכנת ג'ל חלקיקים והן nanofibers.

בדיית Thermoresponsive Hydrogels מתכלה-פיסיקליות מרובים באמצעות שחול תגובתי, מיקרופלואידיקה, הרכבה עצמית, Electrospinning

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

המטרה הכוללת של פרוטוקול זה היא לייצר גרסאות מתכלות של הידרוג'לים מגיבים תרמית עם סולמות אורך וגיאומטריות מבוקרים. שיטה זו יכולה לסייע בהתמודדות עם אתגרים מרכזיים בתרחיש של חומרים ביו-רפואיים כגון הקלה על אספקת תרופות מקומיות זעיר פולשניות לטווח ארוך, יצירת פיגומים מגיבים להנדסת רקמות או תכנון ננו-טיפולים ממוקדים. היתרון העיקרי של הטכניקה שלנו הוא כימיה מהירה של ביוהידרזון הפוכה המאפשרת לנו לשלוט בגודל ובצורה של ההידרוג'לים המתכלים על ידי שינוי גיאומטריית הערבוב של מבשר הפולימר.גמישות זו מאפשרת לנו לייצר ג'לים פוליים, מיקרוג'לים, ננו-ג'לים וננו-סיבים, כולם מאותו חומר מוצא. ראשית, הכינו כשני מיליליטר כל אחד של תמיסות פולימר מבשר מגיבות תרמית מתפקדות הידרזיד ואלדהיד עם ריכוזים בין חמישה ל-40% במשקל ו-10 מילי-מולרי פוספט מלוח. השתמש במזרקי חבית בודדת כדי להעמיס את תמיסות הפולימר המבשר לחביות נפרדות של מזרק 2.5 מיליליטר, 1:1 חבית כפולה.לאחר מכן, חבר מערבל סטטי בגודל 1.5 אינץ' למזרק 2.5 מיליליטר 1:1 חבית כפולה. אם תרצה, חבר מחט בגודל 18 או 20 בגודל 1.5 אינץ' למיקסר הסטטי. לאחר מכן, חותכים מגיליון גומי סיליקון רך בעובי הרצוי.יצירה בגודל של שקופית מיקרוסקופ רגילה. השתמש בסט אגרוף כדי לנקב לפחות חור אחד בצורה הרצויה לתוך יריעת גומי הסיליקון. הנח את תבנית גומי הסיליקון על מגלשת זכוכית נקייה, וודא שכל החורים מגובים בזכוכית.לחץ בעדינות את התבנית על השקופית כדי לקבע אותה במקומה. יריעות גומי סיליקון עשויות לשמש גם כגיבוי כדי להבטיח הידבקות טובה של המצע. Co מוציאים את תמיסות הפולימר הפונקציונליות של הידרזיד ואלדהיד דרך המיקסר הסטטי לבארות התבנית עד למילוי הבארות לחלוטין.מכסים את התבנית בשקופית זכוכית נקייה שנייה ומחכים לסיום הג'לציה. לאחר מכן, הסר את השקופית העליונה והשתמש במרית כדי להפריד את ההידרוג'לים מתבנית גומי הסיליקון. הרם את התבנית מהמגלשה כדי לשחזר את ההידרוג'לים.לפני ההליך, יש לייצר שבב מיקרופלואידית ליצירת המיקרו-חלקיקים. לסנתז הידרזיד ואלדהיד פולי NIPAM פונקציונלי. כדי להתחיל, הכינו שני מיליליטר כל אחד של 6%לפי תמיסות משקל של הידרזיד ואלדהיד פולי NIPAM פונקציונלי במים נטולי יונים.טען את תמיסות מבשר הפולימר למזרקים נפרדים של חמישה מיליליטר. לאחר מכן, הכינו 150 מיליליטר של תמיסה של 1%לפי משקל של סורביטן מונואולאט בשמן פרפין כבד. טען תמיסה זו בשני מזרקים סטנדרטיים של 60 מיליליטר.הרכיבו את ארבעת המזרקים במשאבות מזרק עירוי נפרדות. לאחר מכן, חבר צינור סיליקון באורך 45 ס"מ לשקע השבב המיקרופלואידי. הנח את קצה צינור היציאה במיכל פסולת.חבר את מזרקי תמיסת הפולימר לתעלות כניסת הפולימר על השבב המיקרופלואידי באורך של 30 סנטימטרים של צינורות סיליקון. חבר מזרק תמיסת שמן פרפין אחד לתעלת כניסת השמן במעלה הזרם עם צינורות סיליקון. חבר את מזרק השמן השני לשתי תעלות כניסת השמן במורד הזרם באמצעות צינורות סיליקון ומפרק מזרק בצורת U.הגדר את קצב הזרימה של המשאבות המצוידות במזרקי שמן בין 1.1 ל -5.5 מיליליטר לשעה. הזרימו שמן דרך השבב המיקרופלואידי למשך 30 דקות לפחות כדי לטשטש את השבב ולוודא שהשבב נקי מפגמים. לאחר מכן, ספקו בו זמנית את שני פתרונות הפולימר לשבב הדרוך ב-03 מ"ל לשעה.אפשר לזרימת הפולימר והשמן להתייצב למשך 30 דקות עד שעה. כדי למנוע ג'לציה מוקדמת של הפולימרים הקודמים בזרבובית המיקרופלואידית, חיוני לקדם בזהירות את הצינור ולהתחיל את זרימת הפולימר בדיוק באותו זמן כדי למנוע זרימה חוזרת לתוך כל אחד ממאגרי הפולימרים. לאחר שנוצרים מיקרו-חלקיקי ג'ל אחידים בזרבובית של השבב המיקרופלואידי, אסוף את החלקיקים בצינור צנטריפוגה מפלסטיק עם מוט ערבוב מגנטי פעיל.עצור את משאבות המזרק ואת מנוע הערבוב לאחר צריכת השמן. לאחר שחלקיקי הג'ל התיישבו בצינור, שפכו את שמן הפרפין בעזרת פיפטה. הוסף לבקבוק 10 מיליליטר פנטן על כל 5 מ"ל מיקרו-חלקיקים.מערבבים במרץ את הרגש למשך כדקה. הניחו לחלקיקים להתיישב במשך שעה עד שעתיים לפני שרוקנים את הפנטן בעזרת פיפטה. חזור על שטיפת הפנטן הזו לפחות חמש פעמים.העבירו את חלקיקי הג'ל השטופים לבקבוקון נצנוץ זכוכית קטן. השעו מחדש את החלקיקים במיליליטר אחד עד שניים של מים נטולי יונים. כדי להתחיל בהליך זה, הכינו חמישה מיליליטר כל אחד של 1% תמיסות של הידרזיד ופולי NIPAM מתפקדים על ידי אלדהיד במים נטולי יונים.מחממים חמישה מיליליטר מתמיסת הפולי NIPAM המתפקדת בהידרזיד ל-70 מעלות צלזיוס תוך כדי ערבוב. עקוב אחר התמיסה כשהיא הופכת אטומה וודא שלא נוצרים משקעים גלויים. לאחר מכן, הוסף 0.25 מיליליטר של תמיסת הפולי NIPAM הפונקציונלית של אלדהיד טיפה לתמיסת הפולי NIPAM המחוממת המתפקדת על ידי הידרזיד במהלך חמש עד 10 שניות.מערבבים את התערובת במשך 15 דקות בחום של 70 מעלות צלזיוס. לאחר מכן, הוציאו את התערובת מאמבט השמן והניחו לה להתקרר לטמפרטורת החדר במשך הלילה כדי לקבל את הננו-ג'ל לטיהור. מניחים את תערובת הננו ג'ל בקרום דיאליזה מנותק במשקל מולקולרי של 3500 קילו-דלטון.דיאליזה של הננו-ג'לים כנגד מים מיונים שש פעמים במשך שש שעות במחזורים כדי להסיר פולימרים שאינם מקושרים. אם תרצה, ליופיליזציה של הננו-ג'לים המטוהרים לאחסון. כדי להתחיל בהליך ייצור ננו-סיבי ג'ל, הכינו מיליליטר אחד כל אחד של 15% לפי תמיסות משקל של הידרזיד ו-POEGMA מתפקדת אלדהיד במים נטולי יונים.לאחר מכן, הכינו שני מיליליטר של תמיסה של 5% לפי משקל של תחמוצת פוליאתילן במשקל מולקולרי גבוה במים נטולי יונים. שלב כל תמיסת מבשר POEGMA עם מיליליטר אחד של תמיסת תחמוצת הפוליאתילן. טען את תמיסות המבשר לחביות נפרדות של מזרק הקנה הכפול.לאחר מכן, חבר מערבל סטטי בגודל 1.5 אינץ' ומחט קהה בגודל 18 למזרק 2.5 מיליליטר, 1:1 חבית כפולה. התקן את מזרק הקנה הכפול על משאבת מזרק עירוי. לאחר מכן, הרכיב אספן אלקטרוספינינג של דיסק אלומיניום 10 סנטימטרים מקצה המחט.הארקה של ספק כוח במתח גבוה בקולט וחברה את ספק הכוח למחט. הגדר את משאבת המזרק ל-0.48 מיליליטר לשעה ואת אספקת החשמל ל-10 קילו-וולט. הפעל בו זמנית את משאבת המזרק ואת ספק הכוח כדי ליזום אלקטרו-ספינינג.המשך עד להגעה לעובי הרצוי או למיצוי המבשרים. לאחר סיום ייצור הננו-סיבים, כבה ונתק את מכלול האלקטרו-ספינינג. משרים את ננו-סיבי הג'ל שנאספו במים נטולי יונים למשך 24 שעות כדי להסיר את תחמוצת הפוליאתילן.אספקת מזרק חבית כפולה ייצרה הידרזון הידרא-ג'ל בתפזורת POEGMA עם מגוון מכניקה, זמני ג'לציה ושקפים בהתאם לריכוז הפולימר המבשר, צפיפות הקבוצה הפונקציונלית התגובתית ומספר יחידות החזרה של תחמוצת אתילן על המונומרים. קצבי הזרימה הן של שמן הפרפין והן של תמיסות מבשר הפולימר השפיעו על הגדלים של מיקרו-חלקיקי ג'ל פולי NIPAM צולבים הידרוזון המיוצרים עם המכשיר המיקרופלואידי. נפיחות תלוית טמפרטורה הפיכה נצפתה במיקרוסקופיה אופטית בשלב חם.חלקיקי המיקרו של הג'ל התפרקו לקודמיהם האוליגומריים עם הזמן. הגדלים של ננו-ג'ל פולי NIPAM צולבים הידרזון בהרכבה עצמית השתנו עם יחס מבשר מסה של פולימר פונקציונלי אלדהיד להידרזיד, אך נשאר מפוזר מאוד מונו. ככל שיחס המסה גדל, נצפתה פחות נפיחות תרמית.כמו חלקיקי הג'ל, הננו-ג'לים התפרקו לקודמנים האוליגומריים עם הזמן. ננו-סיבי הידרוג'ל POEGMA צולבים של הידרזון בקוטר של 300 ננומטר הופקו על ידי אלקטרו-ספינינג תגובתי. הידרציה של ננו-סיבים הייתה מהירה יותר בשני סדרי גודל מאשר הידרציה של ג'ל בתפזורת עם אותו הרכב פולימרי.הננו-סיבים שמרו על המורפולוגיה הננו-סיבית שלהם במשך יותר משמונה שבועות לפני שהתפרקו בתנאים פיזיולוגיים. פירוק מהיר יותר התרחש בסביבות חומציות. הננו-סיבים היו חזקים מבחינה מכנית הן במצב יבש והן במצב נפוח.לאחר צפייה בסרטון זה, אנו מקווים שיש לך הבנה טובה כיצד ליצור הידרוג'לים מתכלים ומגיבים לחום על ידי שליטה בגיאומטריה שבה עשויים הפולימרים הקודמים של הג'ל. זכור לוודא שזמן הג'לציה של מבשר הפולימר תואם את הצרכים של כל חלקיק. ג'לציה מהירה מדי תעכב את ייצור המיקרוג'ל והננו-סיבים.ג'לציה איטית מדי תביא למורפולוגיה מגובשת במלואה. טכניקות אלו סוללות את הדרך לחוקרים בתחומי אספקת תרופות והנדסת רקמות. ולעצב פיגומי הידרוג'ל מוגדרים היטב לשליטה בקצב או במיקום שחרור התרופה או גירוי התחדשות רקמות.

fabricating-degradable-thermoresponsive-hydrogels-on-multiple-length

Research

JoVE Journal

Bioengineering

הנדסה ביולוגית

טכניקות פשוטות מתוארים לייצור מהיר של microfabricated מערכות תרבות עצביים באמצעות מכשיר micromirror דיגיטלי ליתוגרפיה הקרנת דינמי מסכה על מצעים תרבות קבוע התא. אלה מערכות תרבות יכול להיות נציג נוסף של ארכיטקטורה ביולוגי טבעי, ואת הטכניקות המתוארות יכול להיות מותאם עבור יישומים רבים.

המצאה של הידרוג micropatterned למערכות התרבות עצבית באמצעות photolithography דינמי הקרנה מסכת

Bioprinter שימש ליצירה הידרוג דוגמת המבוסס על תבנית עולה. עובש poloxamer היה backfilled עם הידרוג'ל שני ולאחר מכן eluted, ומשאיר חללים שהיו מלאים בידרוג'ל שלישי. שיטה זו משתמשת elution המהיר וטוב של printability poloxamer לייצר ארכיטקטורות מורכבות מbiopolymers.

הדפסת תבניות היפוך Thermoresponsive ליצירת בדוגמת הידרוג דו רכיבים-תרבות תאי 3D

שני נוזלים סמוכים העוברים דרך ערוץ מיקרופלואידי מחורץ יכולים להיות מכוונים ליצירת נדן סביב ליבת רב-אופן; ובכך לקבוע הן צורה והן חתך רוחב. פולמור Photoinitiated, כגון כימיה לחץ תיול, מתאים היטב לחיזוק במהירות את נוזל הליבה לתוך מיקרופייבר עם גודל וצורה קבועים מראש.

ייצור מיקרופלואידי של סיבים פולימריים וביוהיברידים עם גודל וצורה מעוצבים מראש

אנו מציגים פרוטוקול לסינתזה של מיקרו-הידרוג'לים של Janus המורכבים כולו מאותו חומר בסיס, poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm), עם בסיס מבנה ממודר בבירור על הפרדת הפאזה של תמיסת מונומר NIPAAm סופר-רוויה. המיקרו-הידרוג'לים המסונתזים של Janus מראים תכונות ייחודיות כגון היענות תרמו-אניזוטרופית ויכולת העמסה אורגנופילית/הידרופילית.

סינתזה של פולי (<em&gt; N</em&gt; -isopropylacrylamide) יאנוס Microhydrogels בשל חוסר תגובה Thermo אניזוטרופי ו Organophilic / טוען הידרופיליות יכולת

אנו מתארים ייצור של יריעות הידרוג'ל בתבנית מיקרו בתהליך פשוט, הניתן להרכבה ולתפעל בצורה עצמאית. באמצעות יריעות הידרוג'ל מודולריות אלה, ניתן ליצור מערכת תרבית תאים תלת מימדית פשוטה בקנה מידה מאקרו עם מיקרו-סביבה תאית מבוקרת.

בנייה של גיליונות מודולרי Hydrogel לאדריכלות סלולרית 3D המוקטן מאקרו micropatterned

פרוטוקול זה מתאר את היישום של פירוק הידרוג'ל מונחה תמונה ומבוסס לייזר לייצור רשתות מיקרופלואידיות ביו-נוזליות הנגזרות מכלי דם המוטמעות בהידרוג'לים פולי (אתילן גליקול) דיאקרילט (PEGDA). מערכות מיקרופלואידיות ביומימטיות אלו עשויות להיות שימושיות עבור יישומי הנדסת רקמות, יצירת מודלים של מחלות מבחנה וייצור מכשירים מתקדמים "על שבב".

תמונה מונחה, ייצור מבוסס-לייזר של רשתות Microfluidic הנגזרות דם

אסטרטגיית הייצור מוספים לעיבוד UV-crosslinkable hydrogels פותחה. אסטרטגיה זו מאפשרת הרכבה שכבה אחרי שכבה של מבנים הידרוג microfabricated, כמו גם ההרכבה של רכיבים עצמאיים, מניב מכשירים משולבים המכילים רכיבים לזוז כי הם מגיבים הופעה מגנטי.

תוסף טכניקת הייצור עבור הזיוף נתיישב ומהירה של מבוססי הידרוג Micromachines עם רכיבים תגובה מגנטית

עבודה זו מתארת שיטות פשוטות, ניתנות להתאמה ובעלות נמוכה לייצור מיקרוג'לים עם פיצול שחול, לעבד את המיקרוג'לים להידרוג'לים גרגיריים הניתנים להזרקה, וליישם את ההידרוג'לים הגרעיניים כדיו להדפסת שחול עבור יישומים ביו-רפואיים.

פיצול הידרוג'לים בתפזורת ועיבוד להידרוג'לים גרעיניים ליישומים ביו-רפואיים

מאמר זה מתאר פרוטוקולים לייצור מיקרו-ג'ל ג'לטין מתקרילויל בתפוקה גבוהה באמצעות התקנים מיקרופלואידים, המרת מיקרו-ג'לים לאבקה מתרחפת (מיקרו-אירוג'לים), הרכבה כימית של מיקרו-ג'לים ליצירת פיגומי הידרוג'ל גרגיריים, ופיתוח ביו-דיו הידרוג'ל גרגירי עם מיקרו-נקבוביות משומרת להדפסה ביולוגית תלת-ממדית.

פיגומי הידרוג'ל גרגיריים מג'לטין מתקרילויל: ייצור מיקרוג'ל בתפוקה גבוהה, ליופיליזציה, הרכבה כימית והדפסה ביולוגית תלת-ממדית

מאמר זה מתאר כיצד להדפיס ביו-ממד הידרוג'לים פוטו-ממדיים כדי לחקור התקשות מטריצה חוץ-תאית והפעלת פיברובלסטים.

הדפסה ביולוגית תלת-ממדית הידרוג'לים פוטו-ממדיים לחקר הפעלת פיברובלסטים

למד לייצר הידרוג'לים תרמורספונסיביים מתכלים בקנה מידה בולק, מיקרו וננו באמצעות כימיה של הידרזון. שיטה זו מאפשרת שליטה בגודל ובצורה ליישומים ביורפואיים כמו שחרור תרופות ומהנדסת רקמות.

בדיית Thermoresponsive Hydrogels מתכלה-פיסיקליות מרובים באמצעות שחול תגובתי, מיקרופלואידיקה, הרכבה עצמית, Electrospinning

גלה סרטונים נוספים