פיצול הידרוג'לים בתפזורת ועיבוד להידרוג'לים גרעיניים ליישומים ביו-רפואיים
17 במאי 2022
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.
הידרוג'לים גרעיניים הם סוג חדש ומלהיב של ביו-חומרים עם תכונות יתרון רבות. תקוותנו היא כי בשיתוף שיטות אלה, נוכל להגדיל את הגישה והחדשנות בהידרוגלים גרעיניים ליישומים ביו-רפואיים. טכניקה זו היא פשוטה, זולה, ניתנת להתאמה בקלות לכימיה רבות וניתן ליישם אותה כמעט בכל מעבדה.
טען מזרק 3 מיליליטר עם תמיסת מבשר הידרוג'ל. הסר את הבוכנה מהחלק האחורי של מזרק ריק של 3 מיליליטר והוסף מכסה קצה לחלק העליון של חבית המזרק. השתמש בפיפטה של 1, 000 מיקרוליטרים כדי להעביר את תמיסת מבשר ההידרוג'ל לתוך חבית המזרק עם מכסה הקצה.
החזק את חבית המזרק עם תמיסת מבשר הידרוג'ל ביד אחת כאשר מכסה הקצה פונה כלפי מטה והקצה הפתוח של הקנה פונה כלפי מעלה. החזירו את בוכנת המזרקים לפתח החלק האחורי של חבית המזרקים. דוחפים בעדינות את בוכנת המזרק לתוך הקנה מספיק כדי לאטום את הפתח בחלק האחורי של חבית המזרק, ומחזיקים בזהירות את הבוכנה ואת חבית המזרק יחד כדי להבטיח שהחלק האחורי של חבית המזרקים אטום עם הבוכנה.
הפוך את המזרק כך שהבוכנה פונה כלפי מטה וכובע הקצה פונה כעת כלפי מעלה. הסר את מכסה הקצה ודחף בעדינות את הבוכנה לתוך קנה המזרק עד שכל האוויר מוסר מהמזרק. חברו מחדש את מכסה הקצה למזרק.
ודא כי תמיסת מבשר ההידרוג'ל מאובטחת בתוך מזרק 3 מיליליטר עם מכסה קצה. ודא שציוד מגן אישי מתאים ואמצעי הגנה נלקחים לפני הפעלת מנורת ה- UV. מקם את מזרק 3 מיליליטר עמוס בתמיסת מבשר ההידרוג'ל מתחת למנורת ריפוי הכתמים של UV למשך פרק זמן רצוי כדי לצלם באופן מלא את הקישור.
כבו את מנורת ה-UV והסירו את המזרק. ודא כי ההידרוג'ל נמצא כעת בתוך המזרק. הסר את הבוכנה מהחלק האחורי של מזרק ריק של 3 מיליליטר.
הדק את מכסה הטיפ למנעול ה-luer. הסר את מכסה הקצה מהמזרק המכיל את ההידרוג'ל בתפזורת עם קישור צולב. יישרו את החלק העליון של מזרק ההידרוג'ל עם פתיחת החבית על המזרק הריק.
מוציאים את ההידרוג'ל בתפזורת דרך פתח המזרק לתוך הקנה של המזרק הריק. החזיקו את המזרק המכיל את ההידרוג'ל המובלט כך שמכסה הקצה פונה כלפי מטה ופתח הקנה פונה כלפי מעלה. באמצעות פיפטה של 1, 000 מיקרוליטרים, מוסיפים 1.5 מיקרוליטרים של PBS לקנה המזרק.
יישמו את בוכנת המזרק עם פתח הקנה, רק בקושי דחפו את הבוכנה פנימה מספיק כדי ליצור אטימה. הופכים את המזרק כך שהבוכנה פונה כעת כלפי מטה ומכסה הקצה פונה כלפי מעלה, תוך הקפדה להחזיק את הבוכנה ואת חבית המזרק יחד במקומם כך ששום הידרוג'ל או PBS לא ידלוף החוצה. הפוך מספר פעמים כדי לערבב את ההידרוג'ל המקוטע עם ה- PBS שנוסף.
החזיקו את המזרק כך שמכסה הקצה פונה כלפי מעלה והבוכנה פונה כלפי מטה. הסר את מכסה הטיפ. בעדינות רבה, דחפו את הבוכנה כלפי מעלה כדי להסיר כל אוויר מהחלק הפנימי של המזרק.
הבלט את תמיסת ההידרוג'ל המקוטעת באמצעות סדרה של מחטים כדי ליצור מיקרוג'לים מקוטעים. הצמידו מחט קהה בעלת 18 מדים לחלק העליון של המזרק המכיל את ההידרוג'ל המקוטע ואת ה-PBS. מסירים את הבוכנה ממזרק 3 מיליליטר טרי ומצמידים מכסה קצה לחבית המזרק הריקה.
הוציאו את תמיסת ההידרוג'ל המקוטעת דרך המחט בת 18 המדים לתוך החלק האחורי של חבית המזרק הריקה. השליכו את המזרק הריק ואת המחט לזרם הפסולת החדות המתאים. חזור על ההבלטה של תמיסת הידרוג'ל עם מחט 23, 27 ו-30 מדים.
בשלב ההבלטה האחרון, שחררו את תמיסת המיקרוג'ל המקוטעת לצינורות מיקרוצנטריפוגה. יש לשטוף ולבודד את תרחיף המיקרוגל המקוטע. באמצעות microcentrifuge, סובב את תמיסת המיקרוג'ל המקוטעת ב 5, 000 פעמים גרם במשך 5 דקות.
השתמש בפיפטה כדי להסיר את supernatant. הוסיפו 1 מיליליטר של PBS לכל צינור מיקרו-צנטריפוג המכיל מיקרו-ג'לים מקוטעים ומערבולת למשך 5 עד 10 שניות. שלבו 20 מיקרוליטרים של תרחיף מיקרו-ג'ל מקוטע עם 180 מיקרוליטרים של PBS כדי ליצור תרחיף מיקרו-ג'ל מקוטע מדולל.
מערבולת כדי לערבב ביסודיות. העבר 50 מיקרוליטרים של תרחיף מיקרוג'ל מקוטע מדולל לשקופית מיקרוסקופ זכוכית. השתמש במיקרוסקופ אפיפלואורסצנטי כדי לרכוש תמונות של מיקרוג'לים בעלי תווית פלואורסצנטית בזום של 4x או 10x.
מיקרוג'לים מקוטעים באמצעות סינון מונחה ואקום. הרכיבו ובדקו את מנגנון הסינון מונחה הוואקום. אבטחו משפך בוכנר בתוך בקבוקון מסנן.
השתמש בצינורות כדי לחבר את בקבוקון המסנן לקו ואקום. הניחו מסנן ממברנה בכוס המשפך של באקנר. הפעל את קו הוואקום על ידי פתיחת שסתום החוגה.
בדקו את החיבור על ידי צנרת של כ-0.5 מיליליטרים של PBS על מסנן הממברנה ותראו שכל ה-PBS עובר דרך המסנן ונאסף בתחתית בקבוקון המסנן. לאחר הפעלת קו הוואקום והבטחת אטימה מלאה, מערבולת את תמיסת המיקרוג'ל המקוטעת. באמצעות פיפטה של 1, 000 מיקרוליטרים, מעבירים את תמיסת המיקרוג'ל המקוטעת למסנן הממברנה.
המתן כ-30 שניות עד שהוואקום יוציא את PBS מתמיסת המיקרוג'ל. כבה את קו הוואקום. השג מזרק טרי של 3 מיליליטרים והסר את הבוכנה.
השתמשו במרית מתכת כדי להוציא את ההידרוג'ל הגרעיני המקוטע מהמסנן ולהעביר אותו לחלק האחורי של חבית המזרקים הריקה. החזירו את הבוכנה למזרק. טען את ההידרוג'ל הגרעיני המקוטע לתוך המזרק וכעת הוא מוכן לשימוש.
הסר את מכסה הקצה והחלף אותו במחט לפי בחירה. טען את המזרק לתוך פלטפורמת ההדפסה המועדפת. טען את קובץ קוד ה- G המוכן משלב התכנון לתוכנת ההדפסה התלת-ממדית.
נווט אל החלונית 'תצוגה מקדימה של הדפסה' והקש על הדפס. ברגע שהתצהיר ההדפסה הושלם, חשוף את מבני ההידרוג'ל הגרגיריים המקוטעים לאור UV לצורך קישור צולב וייצוב פוטו. פיצול שחול מניב מיקרוג'לים עם צורות מצולעים משוננות בקטרים הנעים בין 10 ל-300 מיקרומטר.
המעגליות נעה בין 0.2 לכמעט 1 ויחס הגובה-רוחב נע בין 1 ל-3. פרמטרים אלה מתארים את צורות המיקרוג'ל הלא סדירות והמשוררות שנוצרו על ידי תהליך הפיצול. כאשר הוא ארוז יחד באמצעות צנטריפוגה או סינון מונחה ואקום, ההידרוג'ל הגרעיני המורכב הוא דילול גזירה וריפוי עצמי.
ההידרוג'ל הגרעיני המקוטע הוא בעל נאמנות גבוהה ושלמות מכנית עבור הידרוג'ל הניתן להזרקה. בנוסף לשימוש בהידרוג'לים גרגיריים מקוטעים להדפסה תלת-ממדית, מערכות אלה יכולות לשמש גם כפלטפורמות תרביות תאים במבחנה, כמו גם כמערכות הזרקה לתיקון רקמות ואספקת תרופות. שיטות פשוטות וזולות אלה מביאות את היתרונות של ביו-חומרים הידרוג'לים גרגיריים לחוקרים רבים יותר ומאפשרות גישה מוגברת לייצור הידרוג'ל גרעיני, כמו גם חדשנות בתחום הביו-חומרים.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה
העבודה הזו מתארת שיטות פשוטות, מתאימות ובעלות עלות נמוכה לייצור מיקרוג'לים באמצעות פיצול בכפייה. המיקרוג'לים מעובדים לג'לים הידרוגליים גרגיריים שניתן להחדירם, וניתן ליישם אותם כדיו להדפסה בכפייה ליישומי רפואה ביולוגית.
רכיבי מחקר עיקריים
תחום המדע
- הנדסה ביו-רפואית
- מדע החומרים
- חומרים ביולוגיים
רקע
- ג'לים הידרוגליים גרגיריים הם סוג חדש של חומרים ביולוגיים.
- יש להם תכונות רבות ומועילות ליישומים ביו-רפואיים.
- גישה לשיטות חדשניות יכולה לשפר את המחקר בתחום זה.
- הטכניקות הן פשוטות ובעלות עלות נמוכה, מה שהופך אותן לנגישות למעבדות שונות.
מטרת המחקר
- לחלוק שיטות להגברת הגישה לג'לים הידרוגליים גרגיריים.
- לקדם חדשנות בשימוש בחומרים אלו ליישומים ביו-רפואיים.
- לספק גישה פשוטה לייצור הג'לים ההידרוגליים הללו.
שיטות ששימשו
- פיצול בכפייה לייצור מיקרוג'לים.
- עיבוד מיקרוג'לים לג'לים הידרוגליים גרגיריים להחדרה.
- שימוש בג'לים הידרוגליים גרגיריים כדיו להדפסה בכפייה.
- יישום במגוון סביבות מעבדתיות.
תוצאות עיקריות
- הוכחו שיטות בעלות עלות נמוכה לייצור הידרוג'לים.
- הוצגה התאמה לכימיה שונה.
- סופק פרוטוקול לטעינת תמיסות מקדימות של הידרוג'לים.
- עודדה גישה רחבה יותר לג'לים הידרוגליים גרגיריים במחקר.
מסקנות
- ג'לים הידרוגליים גרגיריים יכולים להיות מיוצרים ביעילות באמצעות שיטות פשוטות.
- הטכניקות יכולות להקל על יישומים ביו-רפואיים.
- גישה מוגברת עשויה להוביל לחדשנות נוספת בתחום.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
Granular hydrogels fabricated via extrusion fragmentation offer scalable, low-cost access to tunable biomaterials for early-stage biopharma R&D. Their injectability, microscale porosity, and adaptability to diverse chemistries position them as versatile platforms for assay development, 3D bioprinting, and advanced in vitro modeling. This method enables broader innovation and standardization in biomaterials workflows, supporting portfolio-wide translational research.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables rapid prototyping of biologically relevant matrices for mechanistic studies.
- Facilitates functional validation of cell-matrix interactions in disease-relevant systems.
- Supports predictive confidence in early-stage target assessment by providing tunable microenvironments.
Screening & Assay Development
- Provides standardized, reproducible hydrogel platforms for quantitative cell-based assays.
- Enables preparation of injectable and printable matrices for high-throughput screening formats.
- Supports assay scalability and platform reuse across compound evaluation campaigns.
Translational & Preclinical Research
- Offers adaptable hydrogel systems for in vitro modeling of tissue repair and drug delivery scenarios.
- Facilitates continuity from discovery through preclinical validation by supporting 3D culture and injectable delivery studies.
- Reduces translational risk by enabling physiologically relevant testing environments.
Pipeline & Workflow Integration
This extrusion fragmentation method integrates from early discovery through assay development and preclinical modeling, supporting iterative hypothesis testing and platform standardization.
- Discovery Biology: Accelerates hypothesis testing by enabling rapid fabrication of tunable microenvironments.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative hydrogel matrices for robust assay outputs.
- Analytics: Supports measurement of microgel size, shape, and mechanical properties for condition comparison.
- Translational Research: Aligns with preclinical needs for injectable and 3D-printable biomaterials.
- Enterprise Reuse: Establishes a broadly adaptable platform for diverse R&D teams and applications.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in cell-matrix studies.
- Operational Value: Enables standardized, scalable, and low-cost hydrogel fabrication across teams.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision quality and capital efficiency by supporting robust assay development.
- Portfolio Impact: Facilitates risk-adjusted prioritization and advancement of biomaterial-enabled programs.
Implementation Considerations
- Requires basic laboratory skills and standard syringes, needles, and filtration equipment.
- Needs access to UV crosslinking and microscopy for hydrogel characterization.
- Demands cross-team agreement on microgel size and mechanical property standards.
- Adaptable to a wide range of hydrogel chemistries and model systems.
- Limitations include variability in microgel shape and size inherent to fragmentation.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:33
Fabricating Bulk Hydrogels Inside of a Syringe Using Photocrosslinking
2:35
Fabricating Microgels Using Extrusion Fragmentation
5:37
Imaging Fragmented Microgels in Suspension Using Epifluorescent Microscope
6:15
Assembling Fragmented Microgels into Granular Hydrogels
7:56
Extrusion Printing with Fragmented Granular Hydrogels Inks
8:36
Results: Characterizing Fragmented Microgel Particles Using ImageJ
9:31
Conclusion
