La tecnologia Microgel è emersa come uno strumento potente e versatile per la medicina rigenerativa e le applicazioni di ingegneria tissutale1. Proprio come le loro controparti di massa, i microgel sono caratterizzati da un alto contenuto di acqua, proprietà fisico-chimiche regolabili e mimetismo dell'ambiente extracellulare nativo. Grazie ai progressi nelle tecniche di fabbricazione, i microgel possono essere prodotti in diverse forme e dimensioni da una gamma di polimeri naturali e sintetici. Possono anche essere utilizzati per l'incapsulamento controllato di cellule e terapie. Uno dei principali vantaggi dei microgel rispetto ai tradizionali idrogel sfusi è che sono facilmente iniettabili, consentendo così la somministrazione minimamente invasiva di carichi cellulari, farmaci o impalcature biologiche per la riparazione dei tessuti. Inoltre, i sistemi modulari di microgel sono facilmente raggiungibili mescolando popolazioni di microgel con proprietà distinte, mentre l'incorporazione di microgel in idrogel convenzionali fornisce un percorso verso i compositi di materia soffice. Quando molti microgel vengono impacchettati in uno stato inceppato, danno origine a gel granulari, materiali sfusi con proprietà dinamiche su macroscala che possono essere sfruttati sia come bagno di supporto per la stampa tridimensionale (3D) incorporata che come inchiostri per stampa 3D. Questa raccolta di articoli esplora un'ampia gamma di metodi per la formulazione e la fabbricazione di microgel, nonché il loro utilizzo per potenziali applicazioni biomediche.
Per la generazione di microgel in grandi quantità sono necessari approcci economici, privi di emulsioni e tecnologicamente non impegnativi. Per risolvere questo problema, Muir et al. hanno dimostrato un protocollo elegante per la generazione di microgel di acido ialuronico (HA) modificato con norbornene tramite frammentazione per estrusione2. Gli idrogel sfusi foto-reticolati sono stati estrusi attraverso una serie di aghi con diametri sequenzialmente più piccoli. Le particelle di microgel frammentate risultanti sono state quindi bloccate mediante filtrazione sotto vuoto per formare un idrogel granulare ben confezionato che può essere utilizzato come inchiostro per la stampa 3D basata sull'estrusione. Stager et al. hanno presentato un altro approccio di frammentazione in cui un idrogel di chitosano reticolato è stato estruso attraverso un filtro a rete per generare particelle di microgel con dimensione controllata3. È stato quindi dimostrato che gli idrogel frammentati promuovono la rigenerazione del tessuto cartilagineo quando impiegati in un modello di ratto con lesione della cartilagine di crescita.
L'interconnessione di particelle di microgel inceppate dà origine a idrogel granulari ricotti e scaffold porosi con microarchitetture uniche. Anderson et al. hanno fornito un protocollo per la generazione basata su microfluidica di microgel di HA fotoreticolabili che vengono successivamente liofilizzati senza danneggiare la rete polimerica4. La reidratazione controllata dei microgel liofilizzati e la successiva interconnessione tramite uno schema di reticolazione biortogonale porta alla formazione di scaffold porosi di HA con frazione di particelle controllata, che gli autori hanno dimostrato di influenzare significativamente l'infiltrazione e la migrazione cellulare. Roosa et al. hanno descritto un metodo per la sintesi microfluidica ad alto rendimento di grandi volumi di microgel di polietilenglicole (PEG)5. Gli autori dimostrano quindi approcci per la purificazione di microgel, la caratterizzazione di base delle microparticelle e la ricottura delle particelle basati su un meccanismo di reticolazione secondario per formare uno scaffold microporoso. Rommel et al. hanno mostrato un approccio per generare scaffold ricotti con maggiore porosità utilizzando particelle di microgel anisotrope6. Hanno sfruttato la microfluidica a focalizzazione del flusso per creare barre di microgel da polimeri star-PEG con rapporti di aspetto controllabili. Gli scaffold a barre in microgel ricotto possono essere utilizzati come ambiente 3D per esperimenti cellulari. Luo et al. hanno dimostrato un metodo per la generazione di microsfere porose altamente aperte attraverso un semplice approccio microfluidico che potrebbe essere utilizzato per la somministrazione di cellule o farmaci biologici7.
Le proprietà reologiche uniche dei gel granulari li rendono supporti ideali per la stampa 3D incorporata di idrogel morbidi e cellule8. Machour et al. hanno combinato un approccio per la stampa 3D incorporata all'interno di gel granulari di gelatina con la stampa 3D sacrificale basata su stampi per creare lembi di tessuto ingegnerizzati9. Questo metodo ibrido è stato sfruttato per creare una rete vascolare gerarchica da inchiostro a base di collagene mescolato con cellule endoteliali. Il lembo ingegnerizzato è stato quindi impiantato direttamente in un'arteria femorale di ratto. Jalandhra et al. hanno dimostrato un approccio per la creazione di costrutti che imitano l'osso tramite la stampa 3D incorporata di un inchiostro ceramico a base di fosfato di calcio all'interno di gel granulare carico di cellule a base di microgel di metacrilato di gelatina (GelMA)10. Il supporto granulare è stato ricotto post-stampa per dare supporto alla crescita cellulare attorno alle strutture ingegnerizzate che imitano l'osso. Kajtez et al. hanno impiegato la stampa 3D incorporata per creare costrutti di tessuto neurale basati su cellule staminali umane11. Hanno sviluppato un materiale composito di supporto alla stampa che combina microgel di alginato e una soluzione di matrice extracellulare a base di collagene. La reticolazione delicata del collagene ricottura il supporto di stampa per fornire un ambiente favorevole per la differenziazione delle cellule staminali neurali in neuroni funzionali. Senior et al. hanno sfruttato l'elaborazione a taglio durante l'approccio di gelificazione per generare un bagno di supporto a base di agarosio per la stampa 3D incorporata12. Le proprietà termiche dell'agarosio consentono di coltivare costrutti di idrogel stampati carichi di cellule senza fondere il bagno di supporto.
Gli inchiostri microgel inceppati presentano un percorso per la stampa 3D controllabile di qualsiasi idrogel altrimenti difficile da stampare a causa della sua bassa viscosità o della dinamica di reticolazione difficile da controllare13. Come inchiostri microgel, gli idrogel possono essere stampati in modo tradizionale strato per strato o in un bagno di sospensione. Possono anche ospitare cellule per formare bioink granulari. Pertanto, i bioink granulari forniscono una soluzione per la biostampa di materiali non compatibili con i metodi tradizionali che potrebbero richiedere additivi o condizioni di reticolazione dannose per le cellule. Zaman et al. forniscono un metodo che migliora ulteriormente la stampabilità di questi inchiostri programmando idrogel GelMA con autoassemblaggio di nanoparticelle interfacciali reversibili14. A causa delle interazioni interparticellari alterate, i bioinchiostri granulari nanoingegnerizzati risultanti possono essere stampati a una densità di impacchettamento inferiore, il che consente la formulazione di bioinchiostri granulari con maggiore microporosità ben preservata durante tutto il processo di stampa. Inoltre, gli autori descrivono una metodologia per la generazione di microparticelle di idrogel microfluidico ad alto rendimento, la conversione in micro-aerogel e la ricottura granulare dell'inchiostro utilizzando la transglutaminasi.
In sintesi, questa raccolta di articoli fornisce una guida pratica dettagliata per un'ampia gamma di applicazioni della tecnologia microgel. La collezione non solo descrive l'uso di diversi materiali idrogel e meccanismi di reticolazione, ma presenta anche diverse tecniche di fabbricazione per la generazione di microparticelle di idrogel. Soprattutto, la collezione fornisce informazioni utili su come impiegare le microparticelle di idrogel per la stampa 3D e la medicina rigenerativa, applicazioni molto promettenti delle tecnologie di microgel e gel granulari.