Name: Fabbricando degradabile Hydrogel idrogeli su scale di lunghezza Multiple tramite estrusione reattiva, microfluidica, auto-assemblaggio ed elettrofilatura (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-16T13:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 7 s
Description: Scopri come fabbricare idrogeli termosensibili degradabili su scale multiple usando chimica idrazonica. Questo metodo consente di controllare dimensioni e forme per applicazioni in ingegneria tessutale e rilascio controllato di farmaci.

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Finanziamento da scienze naturali e ingegneria ricerca Consiglio del Canada (NSERC), la creazione di NSERC-IDEM (Design integrato di matrici extracellulari) programma, 20/20: NSERC oftalmico biomateriali Research Network e il Ministero di Ontario di ricerca e Programma di primo ricercatore premi innovazione è riconosciuto.

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Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Materiali intelligenti hanno attirato l'attenzione significativa a causa del loro potenziale per reversibile "on-demand" risposte ai segnali esterni e/o ambientali. Materiale termosensibile hanno attirato particolare interesse dovuto il loro comportamento di temperatura (LCST) soluzione critica inferiore, con conseguente precipitazione temperatura-driven a temperature T &gt; LCST1,2. Nel contesto di idrogel Hydrogel, questo comportamento di temperatura critica soluzione inferiore si manifesta con reversibili gonfiore/de-swelling eventi che provocano dimensioni temperatura-tunable bulk (più grande a T &lt; LCST)3, poro dimensioni (superiori a T &lt; LCST)4e proprietà interfacciali (più idrofilo al T &lt; LCST)5. Tali transizioni sono stati ampiamente applicati nella somministrazione di farmaci (per droga esterna o ambientale-triggerable rilascio4,6,7), coltura delle cellule e di ingegneria tissutale (per adesione cellulare termoreversibile / delaminazione8,9,10), separazioni (per porosità membrana commutabile e permeabilità o supporti diagnostici termicamente riciclabile11,12, 13), processi di microfluidica (per valvole on-off regolazione flusso14,15) e modificatori reologici (per temperatura-tunable viscosità16). Il più comunemente studiato Hydrogel idrogeli sono basati su PNIPPA (PNIPAM)17, anche se lavoro significativo (e crescente) è stato condotto anche su poli (metacrilato di glicole oligoethylene) (POEGMA)2 ,18 e poly(vinylcaprolactam) (PVCL)19,20. POEGMA ha suscitato particolare interesse recente dato sua biocompatibilità miglioramento atteso21,22e relativo comportamento LCST facile-a-tune, in cui le miscele linearmente prevedibile di monomeri con diversi numeri di unità di ossido di etilene ripetere in loro catene laterali possono alterare il LCST da ~ 20 ° C a &gt; 90 ° C2,23. Tuttavia, ciascuno di questi polimeri è preparato mediante polimerizzazione radicalica e contiene pertanto una dorsale di carbonio-carbonio, limitando notevolmente la potenziale utilità e traducibilità di tali polimeri nel contesto delle applicazioni biomediche in cui degradazione (o almeno la capacità per l'autorizzazione mediante filtrazione renale) è in genere un requisito.
In risposta a questa limitazione, recentemente abbiamo riferito ampiamente sull'applicazione della chimica idrazone (cioè., la reazione tra idrazide maleica e aldeide-funzionalizzate pre-polimeri) per preparare analoghi degradabili di Hydrogel idrogeli24,25,26,27,28,29. La reazione rapida e reversibile tra gruppi idrazide maleica e aldeide con la miscelazione di polimeri funzionalizzati precursore30 consente entrambi gelificazione in situ (Abilitazione facile iniezione di questi materiali senza l'esigenza chirurgica l'impianto o qualsiasi tipo di stimolo esterno polimerizzazione come iniziazione di irradiazione o chimico UV) così come degradazione idrolitica della rete ad un tasso controllato dalla chimica e la densità dei siti di reticolazione. Inoltre, mantenendo il peso molecolare dei pre-polimeri usato per preparare l'idrogel sotto il limite di filtrazione renale, idrogeli effettuati utilizzando questo approccio degradano nuovamente dentro i polimeri precursori oligomerici che possono essere eliminati dal corpo25 ,27,28. Accoppiato con la bassa citotossicità e la risposta di basso tessuto infiammatorio indotto da questi materiali25,26,27, questo approccio offre un metodo potenzialmente traducibile per l'uso di Hydrogel idrogeli intelligenti in medicina, in particolare se ben controllati degradabile analoghi di tali idrogeli su tutte le scale di lunghezza (massa, micro e nano) possono essere fabbricati.
In questo protocollo, descriviamo i metodi per rendere Hydrogel sintetica pre-polimeri funzionalizzati con un numero controllato di idrazide maleica e aldeide gruppi nonché metodi per applicare questi polimeri per creare gli idrogel con dimensioni ben definite su varie scale di lunghezza. In particolare, questo manoscritto descrive quattro approcci distinti abbiamo sviluppato per controllare la miscelazione del reattivo idrazide maleica e aldeide-funzionalizzate pre-polimeri e creando reti di idrogel Hydrogel con geometrie ben definite e morfologie:
Per creare massa degradabile idrogel con dimensioni definite, una strategia di templating è descritto mediante il quale i pre-polimeri reattivi vengono caricati in barili separati di una siringa doppia canna dotata al suo sbocco di un miscelatore statico e successivamente co-estruso in un stampo in silicone con l'idrogel desiderata forma e dimensioni21,27 (Figura 1).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig1.jpg"> Figura 1 : Schematico di formazione di massa idrogel. Idrazide maleica e soluzioni di polimeri funzionalizzati aldeide (in acqua o tampone acquoso) vengono caricati in barili separati di una siringa a doppia canna e quindi co-estrusa attraverso un miscelatore statico in uno stampo in silicone cilindrico. Rapida in situ gelificazione miscelazione forme un idrogel di reticolato idrazone, che è free standing (una volta rimossa la muffa) in pochi secondi a minuti a seconda della concentrazione e gruppo funzionale della densità dei polimeri precursore. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig1large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
Per creare particelle di gel degradabile scala del micron, un metodo di microfluidica reattiva è descritto in quale precursore soluzioni polimeriche sono simultaneamente misto ed emulsionato utilizzando una progettazione di chip microfluidici basati su modelli Litografia morbida, consentendo la Formazione di goccioline di polimero reattivo misto di gel che successivamente in situ di microparticelle di gel di forma con dimensioni basato su modelli dall'emulsione (Figura 2)31,32.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig2.jpg"> Figura 2 : Schematico della formazione di microparticelle di gel via reattiva microfluidica. (A, B) Idrazide maleica e soluzioni di polimeri funzionalizzati aldeide (in acqua o tampone acquoso) sono alimentati da pompa a siringa in serbatoi separati che sono collegati a valle attraverso una serie di zig-zag di canali progettato per creare un gradiente di pressione impedendo il riflusso. I polimeri sono poi mescolati poco prima di essere tosato di olio di paraffina che scorre da entrambi i lati (anche guidati da una pompa a siringa) e forzati attraverso un ugello, con conseguente produzione di flusso-messa a fuoco di acquoso goccioline (soluzione di polimero) in una fase di olio di paraffina continuo (vedere (B) per un'illustrazione della zona dell'ugello e del processo di formazione delle gocce). Un ulteriore due insenature di olio di paraffina sono posizionati dopo l'ugello per separare ulteriormente le goccioline nel canale di raccolta per consentire completa gelificazione prima della rimozione di particelle da flusso laminare, dopo di che il risultante microparticellari gel sono raccolti in un becher magneticamente agitato; (C) foto del processo di generazione della gocciolina all'ugello (notare quel polimero idrazide maleica viene etichettato come blu per illustrare la miscelazione)
Per creare particelle di gel degradabile su scala nanometrica, termicamente determinato reattivo autoassemblaggio metodo è descritto in cui una soluzione di uno dei polimeri reattivi precursore (il polimero "seme") è riscaldata sopra il LCST per formare un nanoaggregati stabile che è successivamente reticolato mediante l'aggiunta del polimero precursore reattivi complementari (polimero "reticolazione"); la risultante idrazone reticolato nanogel ha una dimensione basata su modelli direttamente di nanoaggregati (Figura 3)28.
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig3v2.jpg"> Figura 3 : Schematico di formazione nanogel via termicamente determinato reattivo autoassemblaggio. Una soluzione acquosa contenente il polimero (hydrogel) idrazide maleica-funzionalizzate è scaldata sopra sua bassa temperatura critica soluzione per creare un reticolato stabile nanoaggregati. In seguito, un polimero dell'aldeide-funzionalizzate viene aggiunto al crosslink nanoaggregati tramite formazione di legami idrazone e quindi stabilizzare la particella nanogel sul raffreddamento sotto il LCST. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig3v2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
Per creare le nanofibre degradabile, una tecnica di elettrofilatura reattiva è descritta in cui una siringa doppia canna con un miscelatore statico al suo sbocco (come quello usato per la fabbricazione di idrogeli di massa) è collegata a una piattaforma standard elettrofilatura (Figura 4 )33.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig4.jpg"> Figura 4 : Schematico di idrogel nanofibra formazione via reattiva elettrofilatura. Una siringa doppia canna con un miscelatore statico (caricato come descritto per idrogeli di massa ma anche tra una frazione di poly(ethylene oxide) ad alto peso molecolare come sussidio di elettrofilatura) è montata su una pompa a siringa, con l'ago all'estremità della siringa collegata di un alimentatore ad alta tensione. Idrazone reticolazione si verifica durante il processo di filatura in modo che quando il flusso colpisce il collettore (o foglio di alluminio o un disco rotante di alluminio) la morfologia nanofibrous è mantenuta in fibra. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig4large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
L'applicazione di tali metodi per la creazione di reti degradabile idrogel intelligente è dimostrato in questo protocollo utilizzando PNIPAM o POEGMA come il polimero di interesse; Tuttavia, gli approcci di base descritti possono essere tradotta in qualunque polimero solubile in acqua, anche se con opportune regolazioni per viscosità e (nel caso del metodo di fabbricazione autoassemblaggio nanogel) la stabilità del pre-polimero nel formare il seme nanoaggregati.

<table><tbody><tr><td><forte>Sostanze chimiche</forte></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>2,2 - estere dimetilico dell'acido azobisisobutririco</td><td>Wako Chemicals</td><td>101138</td><td></td></tr><tr><td>Di(etilenglicole) metil etere metacrilato (M(EO)2MA)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>447927</td><td>188,2 g/mol, n=2 unità di ripetizione dell'ossido di etilene</td></tr><tr><td>Oligo (glicole etilenico) metil etere metacrilato (OEGMA475)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>447943</td><td>475 g/mol, n=8-9 unità ripetute di ossido di etilene</td></tr><tr><td>Acido acrilico (AA), 99%</td><td>Acido tioglicolico Sigma Aldrich</td><td>147230</td><td></td></tr><tr><td>(TGA), 98%</td><td>Diossano Sigma Aldrich</td><td>T3758</td><td></td></tr><tr><td>, 99%</td>Azoto <td>360481</td><td></td> <td>Caledon Labs</td></tr><tr><td>, Aria</td><td>liquida</td><td>UHP Alphagaz1 765A-44</td><td></td></tr><tr><td>Diidrazide acido adipico (ADH), 98%</td><td>Alfa Aesar</td><td>A15119</td><td></td></tr><tr><td>N'-etil-N-(3-dimetilamminopropil)-carbodiimmide (EDC, x%)</td><td>Carbosynth</td><td>FD05800</td><td></td></tr><tr><td>Acido cloridrico (HCl), 37%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>320331</td><td></td></tr><tr><td>Idrossido di sodio (NaOH), 97%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>221465</td><td></td></tr><tr><td>Aminoacetil aldeide dimetil acetale, 99%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>121967</td><td></td></tr><tr><td>4-idrossi-TEMPO, 97%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>176141</td><td></td></tr><tr><td>Cloruro di metacriloil,97x%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>523216</td><td></td></tr><tr><td>Etere di petrolio, 95%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>32047</td><td></td></tr><tr><td>Solfato di magnesio, 99,5%</td> <td>Sigma Aldrich</td><td>M7506</td><td></td></tr><tr><td>terz-butil metil etere, >99,0%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>443808</td><td></td></tr><tr><td>Soluzione salina</td> <td>tamponata con fosfatoBioShop</td><td>PBS405.1</td><td>1x, pH 7,3-7,5</td></tr><tr><td>N-isopropilacrilammide, 99%</td><td>J& K Scientific</td><td>258717</td><td>Ricristallizzato da 60% esano/40% toluene</td></tr><tr><td>Etanolo, anidro</td><td>Alcol commerciale</td><td>P016EAAN</td><td></td></tr><tr><td>Span 80</td><td>Sigma Aldrich</td><td>S6760</td><td></td></tr><tr><td>Olio di paraffina pesante</td><td>Caledon Labs</td><td>1326197</td><td></td></tr><tr><td>Pentano, grado reagente</td><td>Caledon Labs</td><td>1/10/7800</td><td></td></tr><tr><td>Poly (ossido di etilene) medio Mv 600.000</td><td>Sigma Aldrich</td><td>182028</td><td></td></tr><tr><td>Forniture essenziali per la sintesi e la fabbricazione di idrogel</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Evaporatore rotante</td><td>Heidolph</td><td>G3</td><td></td></tr><tr><td>Tubo per dialisi (3500 Da cut-off del peso molecolare)</td><td>Spectrum Labs</td><td>28170-166</td><td>Vol/length= 6,4 ml/cm</td></tr><tr><td>Siringa a doppio cilindro</td><td>Medmix</td><td>L serie</td><td>L 2,5 mL, rapporto di volume 1:1</td></tr><tr><td>Miscelatore statico</td><td>Medmix</td><td>serie L</td><td>serie L, 2,5 mL, rapporto di volume 1:1, lunghezza 1,5"</td></tr><tr><td>Foglio di gomma siliconica, spessore 1/16"</td><td>McMaster-Carr</td><td>9010K12, durometro 30A (Super Soft)</td><td></td></tr><tr><td>Pompa a siringa</td><td>KD Scientific</td><td>KDS Legato 200</td><td>Infuse Only Doppia pompa a siringa</td></tr><tr><td>Alimentatore ad alta tensione</td><td>Spellman</td><td>230-20R</td><td>Da 0 a 20 kV</td></tr><tr><td>Microfluidic Chip Fabrication</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Silicon wafer</td><td>University Wafer</td><td>2080</td><td>D = 76,2 mm; 380 &; m di spessore; P-dopato; < Orientamento al 100>&nbsp;</td></tr><tr><td>SU-8 100</td><td>MicroChem</td><td>Y131273</td><td></td></tr><tr><td>SU-8 Sviluppatore</td><td>MicroChem</td><td>Y020100</td><td></td></tr><tr><td>Spincoater personalizzato da 2,5"</td><td>Allineatore</td> di maschere <td>N/A</td><td></td>integrato</tr><tr><td></td><td>KARL SUSS</td><td>MJB3 UV400 (con lampada da 276 W)</td><td></td></tr><tr><td>Tubo in silicone Masterflex L/S 13</td><td>Cole Parmer</td><td>OF-96400-13</td><td>Polimerizzato</td></tr> <tr><td>con perossidoDow Corning Sygard 184 Base in elastomero siliconico&nbsp;</td><td>Adesivi Ellsworth</td><td>4019862</td><td></td></tr><tr><td>Dow Corning Sygard 184 Agente indurente per elastomero siliconico&nbsp;</td><td>Adesivi Ellsworth 4019862</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Detergente al plasma ad alta potenza&nbsp;</td><td>Harrick</td><td>PDC-002-HP</td><td></td></tr><<tr><td>strong>Caratterizzazione Strumenti</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Mach 1 tester micromeccanico</td><td>Biomomentum</td><td>LB007-EN</td><td></td></tr><tr><td>Piastra a 12 pozzetti per colture tissutali</td><td>Cellstar Greiner Bio-one</td><td>665 180</td><td></td></tr><tr><td>Inserto per colture cellulari per piastra a 12 pozzetti</td><td>Corning</td><td>08-771-12</td><td>8 &; m dimensione dei pori</td></tr><tr><td>Microscopio ottico</td><td>Microscopio ottico Olympus BX51</td><td>BX51</td><td></td></tr><tr><td>Tavolino per microscopio a temperatura controllata</td><td>Linkam Scientific</td><td>THMS600</td><td></td></tr><tr><td>Cromatografo a permeazione di gel (GPC)</td><td></td><td>Pompa HPLC Waters 590 Colonne</td><td>Waters Styragel (HR2, HR3, HR4; 30 cm x 7,8 mm (ID); particelle da 5 mm), Rivelatore dell'indice di rifrazione Waters 410</td></tr><tr><td>Diffusione dinamica della luce (DLS)</td><td>Analizzatore</td><td></td><td>di dimensioni delle particelle Brookhaven 90Plus</td></tr><tr><td>Microscopia elettronica a trasmissione (TEM)</td><td>TEMSCAN</td><td>JEOL 1200EX</td><td>Tensione di accelerazione 100 kV</td></tr><tr><td>Microscopia elettronica a scansione (SEM)</td><td>Tescan</td><td>Vega II LSU</td><td>Tensione di accelerazione 10 kV</td></tr><tr><td>Microsquisher</td><td>CellTest di biomateriali su scala</td><td>MS-50M-01</td><td></td></tr></tbody></table>

fabbricando degradabile hydrogel idrogeli su scale di lunghezza multiple tramite estrusione reattiva, microfluidica, auto-assemblaggio ed elettrofilatura

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

Mentre vari materiali intelligenti sono stati esplorati per una varietà di applicazioni biomediche (ad es., somministrazione di farmaci, ingegneria tissutale, bioimmagini, ecc.), loro ultimo uso clinico è stata ostacolata dalla mancanza di biologicamente rilevanti degradazione osservata per materiali più intelligenti. Ciò è particolarmente vero per gli idrogel termosensibile, che sono quasi uniformemente basati su polimeri che sono funzionalmente non degradabili (ad es., PNIPPA (PNIPAM) o poli (metacrilato di glicole oligoethylene) (POEGMA) ). Come tale, per tradurre efficacemente il potenziale di idrogel Hydrogel per le sfide di consegna della droga telecomandati o metabolismo-regolato, ponteggi di cella con sintonizzabile interazioni cellula-materiale, teranostici materiali con il potenziale per l'imaging e consegna della droga e altre applicazioni, un metodo è richiesto per il rendering nel caso degli idrogeli (se non completamente degradabili) almeno in grado di clearance renale dopo la necessaria durata del materiale. A tal fine, questo protocollo descrive la preparazione di idrogeli idroliticamente degradabile idrazone-reticolato su scale di lunghezza più basate sulla reazione tra idrazide maleica e aldeide-funzionalizzate oligomeri PNIPAM o POEGMA con molecolare pesi inferiori al limite di filtrazione renale. In particolare, metodi per fabbricare degradabile Hydrogel idrogeli di massa (usando una tecnica di siringa doppia canna), particelle di idrogel (su microscala entrambi attraverso l'uso di una piattaforma di microfluidica facilitare la miscelazione simultanea e emulsificazione dei polimeri precursore e nanoscala attraverso l'uso di un termicamente determinato auto-assemblaggio e metodo di cross-linking), e nanofibre di idrogel (usando una strategia reattiva elettrofilatura) sono descritti. In ogni caso, gli idrogel con termosensibile proprietà simili a quelli ottenuti tramite processi di reticolazione del radicale libero convenzionale possono essere raggiunto, ma la rete di cross-linked idrazone può essere degradata nel tempo a ri-formare l'oligomerici polimeri di precursore e la clearance di enable. Come tale, possiamo anticipare questi metodi (che può essere genericamente applicato a ogni sintetico polimero solubile in acqua, non solo intelligenti materiali) sarà più facile traduzione di materiali sintetici intelligenti per applicazioni cliniche.

Alla rinfusa idrogeli estrusi da una siringa doppia canna in uno stampo in silicone sono conformi alle dimensioni dello stampo e diventare autoportante su rimozione della muffa; gelificazione si verifica in genere secondi a minuti seguenti co-estrusione a seconda dei precursori del polimero utilizzato. Tipica caratterizzazione tramite gonfiore (misurato gravimetricamente usando un inserto di cultura cellulare per rimuovere facilmente l'idrogel dalla soluzione gonfiore), thermoresponsivity (misurato utilizzando la stessa tecnica, ma in bicicletta alla temperatura di incubazione prima e di sotto della temperatura di transizione di fase), degradazione (misurato utilizzando la stessa tecnica, ma per periodi di tempo più lungo) e al taglio o modulo di compressione (misurata utilizzando 2 mm di spessore e 7 mm diametro stampato campioni) dimostra l'accordabilità dell'idrogel le risposte a seconda la chimica del polimero precursore (in particolare, per POEGMA, il rapporto tra breve ai monomeri OEGMA lunga catena usate per preparare l'idrogel), la frazione molare di gruppi funzionali su polimeri il precursore e la concentrazione di quelli precursore di polimeri (Figura 5)27.
Microfluidica conduce alla formazione di microparticelle di gel di ben definiti sulla scala di dimensioni di 25-100 µm, con la dimensione controllabile sulla base dei tassi di flusso di olio e/o il polimero acquosa combinato fasi (Figura 6A)31. Microscopia ottica fase calda conferma che le microparticelle di gel di mantengano la natura di Hydrogel di idrogeli di massa, presentano reversibile temperatura-dipendente gonfiore-deturgescenza con solo una leggera isteresi su ciclo 1 (attribuibili alla Formazione di irreversibile legame idrogeno tra i gruppi di ammide vicini in stato compresso34) coerente con quello osservato in massa PNIPAM idrogel (Figura 6B)32. Inoltre, le microparticelle di gel di degradano torna a loro precursori oligomerici nel tempo, consentendo la clearance renale (Figura 6)32.
Autoassemblaggio guidato dalla nanoaggregation di un polimero PNIPAM idrazide maleica-funzionalizzati in una soluzione riscaldata seguita da reticolazione con un'aldeide-funzionalizzate PNIPAM polimero si traduce in altamente monodispersi nanogel (polidispersità &lt; 0,1) sul intervallo di grandezza di 180-300 nm, a seconda delle condizioni di processo utilizzato (Figura 7A)28. Il nanogel mantenere il comportamento tipico Hydrogel di convenzionali radicali liberi reticolato PNIPAM nanogel, con gradi inferiori di deturgescenza termico osservato come polimero più cross-linking è stato aggiunto (Figura 7B). Il nanogel possono essere liofilizzati e ridisperse senza un cambiamento nella dimensione delle particelle (Figura 7C) e degradare nel tempo tramite idrolisi a ri-formare i polimeri precursori oligomerici utilizzati per formulare il nanogel (Figura 7D).
Reattiva elettrofilatura crea un nanofibrous struttura idrogel (Figura 8A), con diametri di nanofibra sull'ordine di ~ 300 nm realizzabile senza particelle visibili electrosprayed presentano33. Ammollo le nanofibre basati su POEGMA in acqua provoca la rapida idratazione (circa due ordini di grandezza più veloce rispetto a quanto ottenuto con un gel di massa della stessa composizione, Figura 8B) ma mantiene la morfologia nanofibrous per 8-10 settimane prima di degradazione idrolitica alle condizioni fisiologiche; precoce decadimento è osservato in ambienti di acido-catalizzata, come previsto a causa del potenziale per la degradazione di acido-catalizzata idrazone bond (Figura 8C). Le strutture di nanofibrous sono anche meccanicamente robuste in entrambi gli Stati asciutti e gonfi in più cicli, consentendo facile manipolazione e ripetitivo che sforza (Figura 8D).
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig5v2.jpg"> Figura 5 : Proprietà di in situ -gelificazione di massa idrogel Hydrogel degradabile. (A) POEGMA rappresentante gel microstrutture di rete e alla rinfusa idrogel immagini con tempi di gelificazione corrispondenti come una funzione dell'incorporazione mole % di OEGMA475 nei polimeri precursore; (B-C) Modulo elastico di PO100 idrogeli di diversa concentrazione di polimero precursore (B) e (C) mole % gruppo funzionale incorporazione al polimero precursore; (D-F) Proprietà chimico-fisico di idrogeli POEGMA in funzione della incorporazione di OEGMA475 mole %: profilo di degradazione deposito modulo (E) (D) in 1 M HCl e temperatura di transizione di fase volume (F) in base alla temperatura cambia nell'intervallo 20-60 ° C. Tutte le barre di errore rappresentano la deviazione standard di n = 4 misurazioni duplicate. Adattato da riferimento27 con permesso da Elsevier. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig5v2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig6.jpg"> Figura 6 : Proprietà delle microparticelle di gel degradabile da reattiva microfluidica. (A) effetto della portata dell'olio di paraffina sulla dimensione di microparticelle di gel (purificata) in acqua; (B) Thermoresponsivity delle microparticelle di gel purificata in acqua a seguito di un singolo ciclo termico di sopra e di sotto della temperatura di transizione di fase di volume; Valutazione (C) Visual (foto) e gel permeazione Cromatografia tracce (grafico) confermando la degradazione delle microparticelle di gel di nuovo ai loro componenti di polimero precursore (qui, in 1 M HCl per facilitare la degradazione accelerata sulla scala del tempo di imaging); barra della scala = 100 µm. adattato da riferimento32. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig6large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig7v2.jpg"> Figura 7 : Proprietà di degradabile nanogel da reattiva autoassemblaggio. (A) distribuzioni di nanogel preparato con rapporti di massa polimero diverso aldeide: idrazide maleica da diffusione dinamica della luce (inserto: microscopio elettronico a trasmissione confermando la natura sferica del nanogel); (B) termosensibilità delle particelle auto-assemblate in funzione del rapporto massa tra polimero dell'aldeide: idrazide maleica usato per preparare il nanogel (da diffusione dinamica della luce), con barre di errore che rappresenta la deviazione standard di n = 4 ripetizioni; Conferma (C) Visual della mancanza di aggregazione nanogel sia pre- che post-liofilizzazione; (D) visual conferma del degrado acido-catalizzata di nanogel (qui in 1 M HCl per coerenza con altri studi di cui sopra); (E) gel permeazione cromatografo le tracce dei prodotti di degradazione nanogel indicando la loro somiglianza con l'idrazide maleica e polimeri funzionalizzati aldeide precursore. Adattato con permesso da riferimento28. Copyright 2015, American Chemical Society. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig7v2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig8v2.jpg"> Figura 8 : Proprietà di nanofibre degradabile da reattiva elettrofilatura. (A) la microscopia immagini di nanofibre sull'asciutto dello stato (a sinistra), metà immerso in acqua (centrale a film sottile) e completamente imbevuto di acqua durante la notte (destra, spessa impalcatura); (B) gonfiore di idrogel di nanofibrous (rosso) rispetto a un idrogel di massa (blu) della stessa composizione, con barre di errore che rappresenta la deviazione standard di n = 4 ripetizioni; (C) scansione immagini visive (nel riquadro) e microscopia rilevamento la degradazione di acido-catalizzata di nanofibre in 1M HCl; (D) ciclismo resistenza alla trazione di asciutto (80 cicli, 20% allungamento/ciclo) e gonfiore (325 cicli, 10% allungamento/ciclo in 10mm PBS) elettrofilate nanofibrous idrogeli. Figura modificata da riferimento33 e riprodotto con il permesso della Royal Society of Chemistry. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig8v2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>

Protocolli sono descritti per la realizzazione di idrogeli degradabile Hydrogel basati su idrazone cross-linking di oligomeri polimerici sulla scala di massa, microscala e su scala nanometrica, quest'ultimo per preparazione di nanoparticelle di gel e di nanofibre.

Fabbricando degradabile Hydrogel idrogeli su scale di lunghezza Multiple tramite estrusione reattiva, microfluidica, auto-assemblaggio ed elettrofilatura

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

L'obiettivo generale di questo protocollo è quello di fabbricare versioni degradabili di idrogel termoreattivi con scale di lunghezza e geometrie controllate. Questo metodo può aiutare ad affrontare le sfide chiave nello scenario dei materiali biomedici, come la facilitazione della somministrazione di farmaci locali a lungo termine e minimamente invasiva, la creazione di scaffold reattivi per l'ingegneria tissutale o la progettazione di nanoterapie mirate. Il vantaggio principale della nostra tecnica è una rapida chimica a bioidrazone inverso che ci consente di controllare le dimensioni e la forma degli idrogel degradabili modificando la geometria di miscelazione del precursore del polimero.Questa flessibilità ci consente di fabbricare gel folici, microgel, nanogel e nanofibre tutti con lo stesso materiale di partenza. In primo luogo, preparare circa due millilitri ciascuno di soluzioni polimeriche precursori termoreattive funzionalizzate con idrazide e aldeide con concentrazioni comprese tra il 5 e il 40% in peso e 10 millimolari di soluzione salina tamponata con fosfato. Utilizzare siringhe a cilindro singolo per caricare le soluzioni polimeriche precursori in serbatoi separati di una siringa a doppio cilindro 1:1 da 2,5 millilitri.Quindi, collegare un miscelatore statico da 1,5 pollici a una siringa a doppio cilindro 1:1 da 2,5 millilitri. Se lo si desidera, collegare un ago da 18 o 20 gauge da 1.5 pollici al miscelatore statico. Quindi, tagliare da un foglio di gomma siliconica morbida dello spessore desiderato.Un pezzo delle dimensioni di un normale vetrino da microscopio. Utilizzare un set di punzoni per praticare almeno un foro della forma desiderata nel foglio di gomma siliconica. Posizionare lo stampo in gomma siliconica su un vetrino pulito, assicurandosi che tutti i fori siano sostenuti dal vetro.Premere delicatamente lo stampo contro la slitta per fissarlo in posizione. I fogli di gomma siliconica possono anche essere utilizzati come supporto per garantire una buona adesione del substrato. Co estrudere le soluzioni polimeriche funzionalizzate con idrazide e aldeide attraverso il miscelatore statico nei pozzetti dello stampo fino a riempire completamente i pozzetti.Coprire lo stampo con un secondo vetrino pulito e attendere che la gelificazione finisca. Quindi, rimuovere il vetrino superiore e utilizzare una spatola per separare gli idrogel dallo stampo in gomma siliconica. Sollevare lo stampo dal vetrino per recuperare gli idrogel.Prima della procedura, fabbricare un chip microfluidico per la generazione di microparticelle. Sintetizzare il poli NIPAM funzionalizzato con idrazide e aldeide. Per iniziare, preparare due millilitri ciascuno di soluzioni al 6% in peso di poliNIPAM funzionalizzato con idrazide e aldeide in acqua deionizzata.Caricare le soluzioni di precursori polimerici in siringhe separate da cinque millilitri. Quindi, preparare 150 millilitri di una soluzione all'1% in peso di monooleato di sorbitano in olio di paraffina pesante. Caricare questa soluzione in due siringhe standard da 60 millilitri.Montare le quattro siringhe in pompe per siringhe per infusione separate. Quindi, collegare un tubo di silicone lungo 45 centimetri all'uscita del chip microfluidico. Posizionare l'estremità del tubo di scarico in un contenitore per rifiuti.Collegare le siringhe della soluzione polimerica ai canali di ingresso del polimero sul chip microfluidico con 30 centimetri di lunghezza di tubo in silicone. Collegare una siringa di soluzione di olio di paraffina al canale di ingresso dell'olio a monte con un tubo in silicone. Collegare l'altra siringa dell'olio a entrambi i canali di ingresso dell'olio a valle utilizzando un tubo in silicone e un giunto della siringa a forma di U.Impostare le portate delle pompe dotate di siringhe per olio tra 1,1 e 5,5 millilitri all'ora. Far scorrere l'olio attraverso il chip microfluidico per almeno 30 minuti per adescare il chip e confermare che il chip sia privo di difetti. Quindi, erogare contemporaneamente entrambe le soluzioni polimeriche al chip innescato a 03 ml all'ora.Lasciare che il flusso di polimero e olio si equilibri per 30 minuti o un'ora. Per prevenire la gelificazione prematura dei polimeri precursori all'ugello microfluidico, è essenziale adescare con cura il tubo e avviare il flusso di polimero esattamente allo stesso tempo per evitare il riflusso in entrambi i serbatoi del polimero. Una volta che le microparticelle di gel uniformi si stanno formando sull'ugello del chip microfluidico, raccogliere le particelle in una provetta da centrifuga di plastica con un'ancoretta magnetica attiva.Arrestare le pompe a siringa e il motore di agitazione quando l'olio è stato consumato. Una volta che le microparticelle di gel si sono depositate nella provetta, decantare l'olio di paraffina con una pipetta. Aggiungere al pallone 10 millilitri di pentano per ogni 5 mL di microparticelle.Mescolare energicamente l'emolumento per circa un minuto. Lasciare riposare le particelle per una o due ore prima di travasare il pentano con una pipetta. Ripeti questo lavaggio con pentano almeno cinque volte.Trasferire le microparticelle di gel lavate in una piccola fiala di vetro a scintillazione. Risospendere le particelle in uno o due millilitri di acqua deionizzata. Per iniziare questa procedura, preparare cinque millilitri ciascuno di soluzioni all'1% di idrazide e poliNIPAM funzionalizzato con aldeide in acqua deionizzata.Scaldare cinque millilitri della soluzione di poli-NIPAM funzionalizzata con idrazide a 70 gradi Celsius mescolando. Monitorare la soluzione man mano che diventa opaca e verificare che non si formino precipitati visibili. Quindi, aggiungere 0,25 millilitri della soluzione di poli-NIPAM funzionalizzata con aldeide goccia a goccia alla soluzione di poli-NIPAM riscaldata funzionalizzata con idrazide nel corso di cinque-10 secondi.Mescolate il composto per 15 minuti a 70 gradi centigradi. Quindi, rimuovere la miscela dal bagno d'olio e lasciarla raffreddare a temperatura ambiente durante la notte per ottenere i nanogel per la purificazione. Posizionare la miscela di nano gel in una membrana di dialisi tagliata da 3500 kilodalton di peso molecolare.Dializzare i nanogel contro l'acqua dionizzata sei volte in cicli di sei ore per rimuovere i polimeri non reticolati. Se lo si desidera, liofilizzare i nanogel purificati per la conservazione. Per iniziare la procedura di fabbricazione delle nanofibre in gel, preparare un millilitro ciascuno di soluzioni al 15% in peso di idrazide e POEGMA funzionalizzato con aldeide in acqua deionizzata.Quindi, preparare due millilitri di una soluzione al 5% in peso di ossido di polietilene ad alto peso molecolare in acqua deionizzata. Combinare ogni soluzione precursore POEGMA con un millilitro di soluzione di ossido di polietilene. Caricare le soluzioni precursori in serbatoi separati della siringa a doppio fusto.Quindi, collegare un miscelatore statico da 1,5 pollici e un ago calibro 18 con punta smussata a una siringa a doppio cilindro 1:1 da 2,5 millilitri. Montare la siringa a doppio cilindro su una pompa per siringa per infusione. Quindi, montare un collettore di elettrofilatura a disco in alluminio a 10 centimetri dall'estremità dell'ago.Mettere a terra un alimentatore ad alta tensione al collettore e collegare l'alimentatore all'ago. Impostare la pompa a siringa a 0,48 millilitri all'ora e l'alimentazione a 10 kilovolt. Avviare contemporaneamente la pompa a siringa e l'alimentatore per avviare l'elettrofilatura.Continuare fino al raggiungimento dello spessore desiderato o all'esaurimento dei precursori. Al termine della produzione di nanofibre, spegnere e scollegare il gruppo di elettrofilatura. Immergere le nanofibre di gel raccolte in acqua deionizzata per 24 ore per rimuovere l'ossido di polietilene.L'erogazione della siringa a doppio cilindro ha prodotto hydra-gel di massa POEGMA reticolati con una gamma di meccaniche, tempi di gelificazione e trasparenze a seconda della concentrazione del polimero precursore, della densità del gruppo funzionale reattivo e del numero di unità ripetute di ossido di etilene sui monomeri. Le portate sia dell'olio di paraffina che delle soluzioni precursori del polimero hanno influenzato le dimensioni delle microparticelle di gel di polietilene NIPAM reticolato idrozone fabbricate con il dispositivo microfluidico. Con la microscopia ottica a caldo è stato osservato un rigonfiamento reversibile dipendente dalla temperatura.Le micro particelle di gel si sono degradate nei loro precursori oligomerici nel tempo. Le dimensioni dei nanogel di polietilene NIPAM reticolati autoassemblati idrazone variavano con il rapporto di massa precursore del polimero funzionalizzato tra aldeide e idrazide, ma rimanevano altamente monodispersi. All'aumentare del rapporto di massa, è stato osservato un minore rigonfiamento termico.Come le microparticelle di gel, i nanogel si sono degradati nei precursori oligomerici nel tempo. Le nanofibre di idrogel POEGMA reticolato con diametri dell'ordine di 300 nanometri sono state prodotte mediante elettrofilatura reattiva. L'idratazione delle nanofibre era circa due ordini di grandezza più veloce dell'idratazione di un gel sfuso con la stessa composizione polimerica.Le nanofibre hanno mantenuto la loro morfologia nanofibrosa per oltre otto settimane prima di degradarsi in condizioni fisiologiche. La degradazione più rapida si è verificata in ambienti acidi. Le nanofibre erano meccanicamente robuste sia allo stato secco che a quello gonfio.Dopo aver visto questo video, speriamo che tu abbia una buona comprensione di come creare idrogel degradabili e termoreattivi controllando la geometria con cui vengono realizzati i polimeri precursori del gel. Ricordarsi di assicurarsi che il tempo di gelificazione del precursore del polimero corrisponda alle esigenze di ciascuna particella. Una gelificazione troppo veloce inibirà la fabbricazione del microgel e della nanofibra.Una gelificazione troppo lenta si tradurrà in morfologie completamente congelate. Queste tecniche aprono la strada ai ricercatori nei settori della somministrazione di farmaci e dell'ingegneria tissutale. e progettare scaffold in idrogel ben definiti per controllare la velocità o la posizione del rilascio del farmaco o stimolare la rigenerazione dei tessuti.

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Bioingegneria

Semplici tecniche sono descritte per la produzione rapida di microfabbricazione sistemi di coltura neurali utilizzando un dispositivo digitale micromirror per litografia dinamica proiezione maschera su substrati regolari colture cellulari. Questi sistemi di coltura possono essere più rappresentativo dell'architettura naturale biologico, e le tecniche descritte potrebbe essere adattato per numerose applicazioni.

Fabbricazione di idrogel Micropatterned per i sistemi Cultura neurali utilizzando Dynamic Fotolitografia proiezione Mask

Un bioprinter stato usato per creare idrogel patterned basato su uno stampo sacrificale. Lo stampo poloxamer stata riempita con un secondo idrogel e quindi eluita, lasciare vuoti che sono stati riempiti con una terza idrogel. Questo metodo utilizza eluizione veloce e buona stampabilità di polossalene di generare architetture complesse di biopolimeri.

La stampa termosensibile Stampi inversa per la Creazione di Patterned idrogeli a due componenti per coltura cellulare 3D

Due fluidi adiacenti che passano attraverso un canale microfluidico scanalato possono essere diretti a formare una torcia attorno a un nucleo di prepolimeri; determinando così sia la forma che la sezione trasversale. La polimerizzazione fotoiniziata, come la chimica dei clic tiolo, è adatta per solidificare rapidamente il fluido del nucleo in una microfibra con dimensioni e forma predeterminate.

Fabbricazione microfluidica di fibre polimeriche e bioibride con dimensioni e forma predesignate

Presentiamo un protocollo per sintetizzare microidrogel Janus composti interamente dallo stesso materiale di base, poli(N-isopropilacrilammide) (PNIPAAm), con una struttura chiaramente compartimentata basata sulla separazione di fase di una soluzione monomerica NIPAAm supersatura. I microidrogel Janus sintetizzati mostrano proprietà uniche come la termoreattività anisotropa e la capacità di carico organofilo/idrofilo.

Sintesi di Poly (<em&gt; N</em&gt; -isopropylacrylamide) Janus Microhydrogels per anisotropico Thermo-reattività e organofile / idrofilo Caricamento Capability

Descriviamo la fabbricazione di fogli di idrogel micromodellati utilizzando un processo semplice, che può essere assemblato e manipolato in una forma indipendente. Utilizzando questi fogli modulari di idrogel, è possibile generare un semplice sistema di coltura cellulare 3D su macroscala con un microambiente cellulare controllato.

Costruzione di fogli modulare idrogel per micropatterned macro-scala 3D Cellular Architettura

Questo protocollo delinea l'implementazione della degradazione dell'idrogel basata su laser guidata da immagini per fabbricare reti microfluidiche biomimetiche di derivazione vascolare incorporate in idrogel di poli(etilenglicole) diacrilato (PEGDA). Questi sistemi microfluidici biomimetici possono essere utili per applicazioni di ingegneria tissutale, generazione di modelli di malattie in vitro e fabbricazione di dispositivi avanzati "on-a-chip".

Immagine-guidate, Fabrication laser a base di reti microfluidici vascolare-derivati

È stata sviluppata una strategia di produzione di additivi per il trattamento UV-reticolabili idrogeli. Questa strategia consente il montaggio di strato dopo strato di microfabbricati idrogel strutture così come il montaggio di componenti indipendenti, producendo dispositivi integrati che contengono parti in movimento che sono sensibili ad azionamento magnetico.

Un additivo tecnica di fabbricazione per la Facile e rapida realizzazione di Micromachines base di idrogel con componenti magneticamente reattivi

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.

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

Questo articolo descrive i protocolli per la fabbricazione di microgel di gelatina metacriloile ad alta produttività utilizzando dispositivi microfluidici, la conversione di microgel in polvere risostenibile (micro-aerogel), l'assemblaggio chimico di microgel per formare scaffold di idrogel granulare e lo sviluppo di bioink granulari di idrogel con microporosità conservata per il bioprinting 3D.

Scaffold di idrogel granulare di gelatina metacrilico: fabbricazione di microgel ad alta produttività, liofilizzazione, assemblaggio chimico e bioprinting 3D

Questo articolo descrive come biostampare in 3D idrogel fototabili per studiare l'irrigidimento della matrice extracellulare e l'attivazione dei fibroblasti.

Idrogel fotoregistrabili in bioprinting 3D per studiare l'attivazione dei fibroblasti

Scopri come fabbricare idrogeli termosensibili degradabili su scale multiple usando chimica idrazonica. Questo metodo consente di controllare dimensioni e forme per applicazioni in ingegneria tessutale e rilascio controllato di farmaci.

Fabbricando degradabile Hydrogel idrogeli su scale di lunghezza Multiple tramite estrusione reattiva, microfluidica, auto-assemblaggio ed elettrofilatura (Video) | JoVE Journal

Fabbricando degradabile Hydrogel idrogeli su scale di lunghezza Multiple tramite estrusione reattiva, microfluidica, auto-assemblaggio ed elettrofilatura

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