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

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.