Articolo metodologico

Frammentazione di idrogel sfusi e lavorazione in idrogel granulari per applicazioni biomediche

DOI:

10.3791/63867

⸱

17 maggio 2022

 ,  , 
1Department of Bioengineering, School of Engineering and Applied Sciences, University of Pennsylvania, 2BioFrontiers Institute, University of Colorado Boulder, 3Department of Chemical and Biological Engineering, College of Engineering and Applied Science, University of Colorado Boulder

In questo articolo

Sommario

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Questo lavoro descrive metodi semplici, adattabili e a basso costo per fabbricare microgel con frammentazione di estrusione, elaborare i microgel in idrogel granulari iniettabili e applicare gli idrogel granulari come inchiostri da stampa per estrusione per applicazioni biomediche.

Abstract

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Gli idrogel granulari sono gruppi inceppati di microparticelle di idrogel (cioè "microgel"). Nel campo dei biomateriali, gli idrogel granulari hanno molte proprietà vantaggiose, tra cui iniettabilità, porosità su microscala e sintoniabilità mescolando più popolazioni di microgel. I metodi per fabbricare microgel spesso si basano su emulsioni acqua-in-olio (ad esempio, microfluidica, emulsioni batch, elettrospraying) o fotolitografia, che possono presentare elevate richieste in termini di risorse e costi e potrebbero non essere compatibili con molti idrogel. Questo lavoro descrive metodi semplici ma altamente efficaci per fabbricare microgel utilizzando la frammentazione dell'estrusione e per elaborarli in idrogel granulari utili per applicazioni biomediche (ad esempio, inchiostri per stampa 3D). In primo luogo, gli idrogel sfusi (utilizzando l'acido ialuronico fotocollegabile (HA) come esempio) vengono estrusi attraverso una serie di aghi con diametri sequenzialmente più piccoli per formare microgel frammentati. Questa tecnica di fabbricazione in microgel è rapida, a basso costo e altamente scalabile. Vengono descritti i metodi per inceppare i microgel in idrogel granulari mediante centrifugazione e filtrazione sotto vuoto, con post-reticolazione opzionale per la stabilizzazione dell'idrogel. Infine, gli idrogel granulari fabbricati da microgel frammentati sono dimostrati come inchiostri da stampa per estrusione. Mentre gli esempi qui descritti utilizzano HA fotocollegabile per la stampa 3D, i metodi sono facilmente adattabili per un'ampia varietà di tipi di idrogel e applicazioni biomediche.

Introduzione

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Gli idrogel granulari sono fabbricati attraverso l'imballaggio di particelle di idrogel (cioè microgel) e sono una classe entusiasmante di biomateriali con molte proprietà vantaggiose per applicazioni biomediche 1,2,3. A causa della loro struttura particolata, gli idrogel granulari sono diradamento del taglio e auto-guarigione, consentendo il loro uso come inchiostri per la stampa di estrusione (bio) inchiostri, supporti granulari per la stampa incorporata e terapie iniettabili 4,5,6,7,8,9....

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Protocollo

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1. Fabbricazione di idrogel sfusi all'interno di una siringa utilizzando il photocrosslinking

NOTA: una panoramica della fabbricazione di idrogel sfuso all'interno di una siringa mediante fotocollegamento è mostrata nella Figura 1. Questo protocollo utilizza acido ialuronico modificato dal norbornene (NorHA) per fabbricare idrogel di massa utilizzando una reazione tiolo-ene foto-mediata. Le procedure dettagliate per la sintesi di NorHA sono descritte altrove38. Tuttavia, questo protocollo è altamente adattabile a qualsiasi idrogel fotocollegabile. Per ulteriori informazion....

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Risultati

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I risultati rappresentativi di questi protocolli sono mostrati nella Figura 3 e nella Figura 6. La frammentazione dell'estrusione produce microgel con forme poligonali frastagliate con diametri compresi tra 10 e 300 μm (Figura 3). Inoltre, la circolarità varia da 0,2 (non circolare) a quasi 1 (cerchio perfetto) e le proporzioni vanno da 1 a 3 (Figura 3). Questi parametri descrivono le forme irregolari e.......

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Discussione

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Qui vengono descritti i metodi per fabbricare idrogel granulari utilizzando microgel frammentati per estrusione e imballaggio mediante centrifugazione o filtrazione sotto vuoto. Rispetto ad altri metodi di fabbricazione di microgel (ad esempio, microfluidica, emulsioni batch, elettrospruzzi, fotolitografia), la fabbricazione di microgel a frammentazione di estrusione è altamente rapida, a basso costo, facilmente scalabile e suscettibile di un'ampia varietà di sistemi di idrogel. Inoltre, questo protocollo è altamente rip.......

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno interessi finanziari concorrenti.

Ringraziamenti

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Questo lavoro è stato supportato dalla National Science Foundation attraverso il programma UPenn MRSEC (DMR-1720530) e borse di ricerca universitarie (a V.G.M e M.E.P.) e il National Institutes of Health (R01AR077362 a J.A.B.).

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Materiali

Provetta da sonda di

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
centrifuga conica in plastica da 15 mL Corning430766
punta di erogazione serie NT Premium da 30 gJensen GlobalJG30-0.5HPXIl numero di catalogo qui elencato è per ago da 30 g, 0.5". Sono disponibili varie dimensioni.
Siringhe monouso BD con punte Luer-Lok (3 mL)Fisher Scientific14-823-435Il numero di catalogo qui elencato è per siringhe da 3 mL. Sono disponibili varie misure (14-823-XXX).
Cartelle nereVari fornitori Ago
monouso per l'uso con siringhe e macchine erogatrici (18 g, 0,5")Grainger5FVH5Il numero di catalogo qui elencato è per aghi da 18 g, 0,5". Sono disponibili varie dimensioni.
Ago sonda monouso per l'uso con siringhe e macchine erogatrici (23 g, 0,5")Grainger5FVJ3
Ago sonda monouso per l'uso con siringhe e macchine erogatrici (27 g, 1,5")Grainger5FVL0
Soluzione salina tamponata con fosfato di DulbeccoFisher Scientific14190-250Il numero di catalogo qui elencato si riferisce a una cassa di 10 flaconi da 500 ml.
Filtro a membrana Durapore, 0,22 &; micro; mMilliporeGVWP04700
Microscopio epifluorescente o confocaleVari fornitoriPer visualizzare microgel e idrogel granulari
Eppendorf Snap-Cap Microcentrifuge Safe-Lock TubesFisher Scientific05-402-25
Stampante per estrusioneCostruito su misura Possonoessere utilizzate altre stampanti per estrusione, come ad esempio BIOX disponibile in commercio.
Adattatori per filtriFisher Scientific05-888-107Il numero di catalogo qui elencato si riferisce a un set di più dimensioni. Sono disponibili varie misure (05-888-XXX).
Pallone filtranteVari fornitori Fluoresceina
isotiocianato-destrano (2 MDa)Sigma-Aldrich52471
Vetrino per microscopioVari fornitori ImageJ
National Institutes of Health"Analizza particelle" link informativo: https://imagej.nih.gov/ij/docs/menus/analyze.html
Computer portatileVari fornitori Tappi
per punte Luer-Lock Soluzionierogazione integrate9991329
Spatola metallica per la raccoltaVari fornitori Microcentrifuga
Vari fornitoriIn grado di raggiungere velocità fino a 18.000 x g
Microscoft ExeclMicrosoft Èpossibile utilizzare altri programmi, come Google Slides.
Sistema di polimerizzazione UV spot OmniCure S2000Excelitas TechnologiesS2000Diversi sistemi di illuminazione possono essere utilizzati per fabbricare idrogel sfusi, se lo si desidera.
Imbuto Buchner in porcellana con piastra perforata fissaFisher ScientificFB966CIl numero di catalogo qui elencato è per piastre di diametro 56 mm. Sono disponibili varie dimensioni.
RadiometroFornitori vari Repetier
HostHot-World GmbH & Co. KGSoftware di stampa 3D
Stampante per estrusione a viteFornitori vari Questostudio ha utilizzato una stampante FDM 3D modificata su misura (Velleman K8200). Sono disponibili molte alternative.
Software Solidworks/CADDassault Systè mes SolidWorks CorporationPossono essere utilizzati altri programmi, come Blender o TinkerCAD.
Tubi per collegare il pallone filtrante alla linea del vuotoVari fornitori Protezione
UV degli occhi (ad esempio, occhiali di sicurezza)Vari fornitori

Riferimenti

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Daly, A. C., Riley, L., Segura, T., Burdick, J. A. Hydrogel microparticles for biomedical applications. Nature Reviews Materials. 5 (1), 20-43 (2020).
  2. Qazi, T. H., Burdick, J. A. Granular hydrogels for endogenous tissue repair. Biomaterials and Biosystems. 1, 10....

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