Un additivo tecnica di fabbricazione per la Facile e rapida realizzazione di Micromachines base di idrogel con componenti magneticamente reattivi
18 luglio 2018
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.
Questo metodo dimostra una strategia di fabbricazione per la creazione di microdispositivi sofisticati e biocompatibili basati su idrogel, che sono incorporati con componenti mobili che possono essere azionati magneticamente. Il vantaggio principale di questa tecnica è che si tratta di un metodo rapido e semplice per la micro fabbricazione di dispositivi complessi con idrogel a base di PET, approvati dalla FDA per l'uso negli esseri umani. Il risultato è un dispositivo completamente biocompatibile e impiantabile.
Per iniziare, rivedere il protocollo di testo di accompagnamento e utilizzarlo per fabbricare la camera PDMS e progettare le fotomaschere come descritto nel protocollo di testo di accompagnamento. Quindi, creare il coperchio superiore per la camera PDMS utilizzando un pezzo non trattato di un vetrino coprioggetto numero due. Partendo dal livello zero del dispositivo, abbassare il substrato inferiore utilizzando la testina micrometrica all'altezza desiderata.
Depositare un piccolo volume di prepolimero PEGDA sufficiente a coprire il substrato inferiore e quindi posizionare il substrato superiore sulla camera PDMS. È importante assicurarsi che non vi siano bolle d'aria intrappolate tra i substrati superiore e inferiore. Le bolle d'aria provocheranno la formazione di pori dilatati o difetti nell'idrogel polimerizzato.
Quindi, posiziona una fotomaschera con il disegno desiderato sopra il substrato superiore. Assicurarsi che la maschera sia a pieno contatto con il substrato superiore e allinearla alla parte inferiore del substrato. Indossare occhiali protettivi UV.
Quindi esporre il prepolimero di idrogel alla luce UV attraverso la fotomaschera. La potenza e la durata dell'esposizione ai raggi UV dipendono dal tipo di sistema e dalla formulazione di PEDA. Dopo che lo strato di idrogel è stato polimerizzato, sollevare il substrato superiore dalla camera PDMS.
Gli strati polimerizzati devono essere incollati sul substrato superiore. Bagnare questo strato polimerizzato con un prepolimero in eccesso e non reticolato e conservarlo al riparo dalla luce e per evitare che lo strato si secchi e si screpoli. Conservarlo per utilizzarlo in un secondo momento per sigillare il dispositivo assemblato.
Per creare le strutture di supporto inferiori, iniziare prendendo un vetrino di vetro rivestito PDMS e usarlo come substrato superiore della camera PDMS. Depositare più prepolimero di idrogel sul substrato inferiore e coprire bene il PDMS con il vetrino di copertura rivestito PDMS. Questo per garantire che gli strati polimerizzati rimangano sul substrato inferiore, consentendo all'utente di costruire strati verso l'alto.
Posizionare una fotomaschera sopra il campione, avendo cura di allinearla correttamente. Quindi, esporre nuovamente il campione alla luce UV. Dopo l'esposizione, rimuovere il substrato superiore, aggiungere altro prepolimero PEGDA e abbassare il substrato inferiore utilizzando la testina micrometrica al livello desiderato.
Questo livello dovrebbe corrispondere allo spessore del secondo strato di idrogel da polimerizzare. A questo punto, coprire nuovamente il pozzetto con il substrato superiore in vetro rivestito PDMS e allineare correttamente la fotomaschera. Quindi, esporre il campione alla luce UV.
Ripetere questo processo tutte le volte necessarie per creare il numero desiderato di strati di idrogel. Per assemblare e sigillare il dispositivo, rimuovere prima il vetro di copertura superiore rivestito in PDMS e, utilizzando un paio di pinzette, posizionare i componenti preformati in idrogel, inclusi ingranaggi e componenti drogati con ferro, sulle strutture di supporto. Per sigillare il dispositivo, portare prima il substrato inferiore all'altezza finale desiderata del dispositivo assemblato utilizzando il calibro a vite micrometrico.
Questa dovrebbe essere l'altezza finale del dispositivo, tenendo conto dello spessore degli strati, dei componenti interni e delle eventuali distanze fornite per i componenti in movimento. Successivamente, posizionare lo strato di idrogel preformato, fatto aderire al vetrino di copertura non trattato, sul dispositivo parzialmente assemblato. Posizionare con cura lo strato preformato in modo che sia correttamente allineato alle strutture sottostanti.
Quindi, posiziona una fotomaschera che consenta il soffitto del dispositivo ma protegga i componenti mobili interni dall'esposizione ai raggi UV. Facendo il soffitto del dispositivo, è importante garantire il corretto allineamento della fotomaschera in modo che il dispositivo sia sigillato, evitando l'esposizione dei componenti mobili alle luci UV. In questo modo si evita che i componenti mobili vengano polimerizzati sulle strutture di supporto.
Una volta allineata correttamente, esporre l'intera struttura ai raggi UV. Sollevare il vetrino coprioggetto dalla fase di fabbricazione. Il dispositivo sigillato deve aderire al substrato superiore.
Se il dispositivo rimane aderente al substrato inferiore, sollevare con cautela il dispositivo con un paio di pinzette a punta piatta. Rimuovere con cura l'eccesso di PEGDA non polimerizzato utilizzando l'aspirazione a vuoto. Quindi, utilizzando un paio di pinzette piatte, sollevare con cautela il dispositivo dal vetrino coprivetro.
Immergere il dispositivo in una soluzione salina o in acqua deionizzata per almeno 30 minuti per consentire la stabilizzazione e l'espansione del dispositivo e dei componenti interni. Per azionare il dispositivo, posizionare un magnete al neodimio sotto o sopra il dispositivo entro uno o due centimetri dal dispositivo. Durante lo spostamento del magnete, il movimento dei componenti drogati con ossido di ferro ombreggia il movimento del magnete.
Questo dispositivo funzionale a ingranaggio singolo è stato fabbricato in meno di 15 minuti. Il dispositivo può essere azionato con un magnete e la figura 7B mostra le diverse posizioni del segmento di ossido di ferro quando viene azionato con un magnete. Questa strategia può essere utilizzata per creare diversi tipi di micro dispositivi a base di idrogel.
Ad esempio, ecco una semplice valvola a saracinesca che controlla il rilascio di farmaci da un singolo serbatoio. Il movimento lineare del componente idrogel drogato con ossido di ferro blocca la diffusione di un ipotetico farmaco attraverso uno sbocco. E qui, un collettore lineare con gate controlla il rilascio di farmaci da più serbatoi.
Ogni serbatoio contiene farmaci ipotetici e il movimento del componente drogato con ossido di ferro blocca il movimento dei farmaci fuori da questi serbatoi attraverso una finestra di idrogel che consente la diffusione di questi farmaci dall'esterno. Inoltre, un design sofisticato basato sull'azionamento Geneva può produrre un movimento intermittente. Un ingranaggio conduttore con il perno è in grado di innestare un ingranaggio condotto più grande e produrre una rotazione di 60 gradi dell'ingranaggio per ogni rotazione completa dell'ingranaggio conduttore.
Questa strategia di fabbricazione è un metodo versatile per la creazione di vari tipi di dispositivi basati su idrogel. Sebbene ne abbiamo dimostrato l'uso nella creazione di dispositivi basati su PEG, questa strategia può essere utilizzata per qualsiasi tipo di idrogel fotopolimerizzabile. Questa tecnica crea quella che riteniamo essere la prossima generazione di dispositivi impiantabili: dispositivi sofisticati e completamente biocompatibili che possono essere controllati e azionati magneticamente senza la necessità di una fonte di alimentazione integrata.
Panoramica
Questo articolo presenta una nuova strategia di produzione additiva per la creazione di microdispositivi a base di idrogel biocompatibili con componenti mobili che possono essere attuati magneticamente. Il metodo consente la microfabbricazione rapida e semplice di dispositivi complessi utilizzando idrogel a base di PET approvati dalla FDA.
Componenti Chiave dello Studio
Ambito Scientifico
- Neuroscienze
- Ingegneria Biomedica
- Microfabbricazione
Sfondo
- Gli idrogeli sono materiali versatili utilizzati in diverse applicazioni biomediche.
- L'azionamento magnetico fornisce un metodo non invasivo per controllare i componenti del dispositivo.
- I metodi esistenti per la fabbricazione di idrogeli possono essere complessi e dispendiosi in termini di tempo.
- Questo studio mira a semplificare il processo di fabbricazione garantendo al contempo la biocompatibilità.
Scopo dello studio
- Sviluppare un metodo rapido per la fabbricazione di microdispositivi a base di idrogel.
- Integrare componenti mobili all'interno di questi dispositivi per migliorarne la funzionalità.
- Garantire che i dispositivi siano biocompatibili e adatti per un potenziale utilizzo umano.
Metodi Utilizzati
- Assemblaggio strato dopo strato di strutture a idrogel mediante reticolazione UV.
- Utilizzo di camere in PDMS e fotomaschere per una fabbricazione precisa.
- Attuazione magnetica per controllare il movimento dei componenti in idrogel.
- Stabilizzazione dei dispositivi in soluzione salina dopo la fabbricazione.
Risultati principali
- Realizzazione con successo di dispositivi in idrogel con componenti mobili integrati.
- Dimostrata la capacità di controllare il movimento del dispositivo mediante un magnete.
- Raggiunta la fabbricazione del dispositivo in meno di 15 minuti.
- Sviluppo di diverse progettazioni di dispositivi, inclusi meccanismi di rilascio di farmaci.
Conclusioni
- Il metodo proposto semplifica la fabbricazione di dispositivi idrogel complessi.
- I dispositivi sono biocompatibili e possono essere utilizzati per diverse applicazioni biomediche.
- Questa strategia apre nuove prospettive per lo sviluppo di microdispositivi reattivi.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Questa tecnica di produzione additiva consente una fabbricazione rapida, strato dopo strato, di micromacchine in idrogel biocompatibili con componenti magneticamente sensibili, soddisfacendo la necessità di dispositivi impiantabili che funzionino senza fonti di alimentazione integrate. Integrando nanoparticelle di ossido di ferro superparamagnetiche in idrogel PEGDA, il metodo permette l’azionamento senza contatto e il controllo preciso del movimento, offrendo un valore predittivo per le prime fasi di sviluppo di concetti di dispositivi terapeutici. L’approccio riduce l’ambiguità meccanicistica nei sistemi di somministrazione di farmaci e nei sistemi microfluidici, consentendo la prototipazione riproducibile di architetture con parti mobili compatibili con la FDA.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Bersaglio
- Valore scientifico: Consente l'analisi di ipotesi terapeutiche mediante l'attuazione fisica di meccanismi di rilascio del farmaco, supportando la validazione del bersaglio attraverso letture funzionali.
- Valore operativo: Facilita la prototipazione rapida di dispositivi a base di idrogel per valutare la fattibilità biologica prima di intraprendere percorsi di sviluppo complessi.
Sviluppo di Screening e Saggi
- Valore scientifico: Produce dispositivi in idrogel standardizzati con soglie di movimento quantificabili per schermate di composti coerenti in ambienti microfluidici.
- Valore operativo: Favorisce la riproducibilità dei saggi attraverso l'allineamento di strati reticolati con UV e il controllo dell'attuazione magnetica, riducendo la variabilità nelle misurazioni dei risultati.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Consente test pertinenti alle malattie sui profili di rilascio dei farmaci utilizzando valvole di controllo e manifold lineari in condizioni fisiologiche.
- Valore operativo: Fornisce una piattaforma per la continuità preclinica permettendo l'ottimizzazione iterativa della progettazione di componenti mobili prima degli studi in vivo.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si inserisce nel percorso di scoperta che va dalla progettazione basata su ipotesi all'identificazione di composti promettenti, consentendo un'iterazione rapida dei concetti di dispositivi basati su idrogel prima della validazione preclinica.
- Biologia della scoperta: Supporta la riduzione dei rischi meccanicistici consentendo la verifica sperimentale di ipotesi sulla diffusione dei farmaci mediante componenti attivati magneticamente.
- Screening: Fornisce dispositivi pronti per i saggi, con attivazione riproducibile e finestre di rilascio quantificabili per la valutazione dei composti.
- Analisi: Genera output misurabili come angoli di rotazione (ad esempio, 60° per ciclo di attuazione) e soglie di spostamento lineare per l'analisi comparativa.
- Ricerca traslazionale: Si integra con studi preclinici grazie a costrutti biocompatibili in PEGDA, approvati dalla FDA, adatti a studi di impianto.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce una piattaforma di fabbricazione riutilizzabile per generare svariati design di micromacchine idrogelatiche in diversi progetti.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva consentendo l'osservazione diretta del movimento dei componenti e della cinetica di rilascio del farmaco sotto controllo magnetico.
- Valore operativo: Garantisce la standardizzazione attraverso la fabbricazione degli strati guidata da fotomaschera e la stabilizzazione post-fabbricazione in soluzione salina.
- Valore strategico: Migliora le decisioni di proseguimento o interruzione consentendo una valutazione precoce della funzionalità del dispositivo senza integrazione di alimentazione elettrica.
- Impatto sul portafoglio: Supporta l'avanzamento con rischio controllato validando l'affidabilità meccanica delle parti mobili prima di investire in studi di impianto cronico.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze specialistiche in fotolitografia, chimica degli idrogel e dispersione di nanoparticelle magnetiche.
- Necessita di sistemi di esposizione a UV, piattaforme con controllo micrometrico e capacità di fabbricazione di camere in PDMS.
- Richiede un allineamento tra i diversi gruppi di lavoro riguardo alla costanza nella formulazione degli idrogel e agli standard di progettazione delle fotomaschere.
- Comporta considerazioni di adattamento qualora il protocollo venga trasferito ad altri idrogel foto-polimerizzabili diversi dal PEGDA.
- Comprende limitazioni pratiche, come evitare l'esposizione a UV dei componenti drogati durante la sigillatura, per prevenire polimerizzazioni indesiderate.
