Name: 自己組織化反応押出、マイクロフルイディクス, 経由で複数の長さスケールでの分解性感温ハイドロゲルを加工・ エレクトロスピニング (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-16T13:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 7 s
Description: 学ぶ、ヒドラゾン架橋を用いて分解性の温度応答性ハイドロゲルをバルク、ミクロ、ナノスケールで製造する方法。マイクロフルイディクスとエレクトロスピニングにより、制御された形状のゲル粒子とナノファイバーを作成できます。

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自然科学工学研究会議のカナダ (レベル)、レベルの作成から資金調達-同上 (細胞外マトリックスの統合デザイン) プログラム 20/20: レベル眼生体材料研究ネットワーク、およびオンタリオ研究省と技術革新の初期研究者賞プログラムが認められています。

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スマート材料は、外部および/または環境の信号にリバーシブルの「オンデマンド」応答のための潜在性ための重要な注目を集めています。温度応答性材料は温度 T での沈殿物の温度駆動の結果下の臨界溶液温度 (LCST) 動作により特定の関心を集めている &gt; LCST1,2。感温ハイドロゲルのコンテキストでこの下限臨界溶液温度現象は可逆 swelling/腫れイベント一括温度可変サイズの結果によって明示される (T で大きく &lt; LCST)3細孔のサイズ (大きい T で&lt; LCST)4、および界面特性 (T で親水性 &lt; LCST)5。このような遷移は、ドラッグデリバリーに広く適用されている (外部または環境にトリガー可能な薬物4,6,7をリリース)、組織エンジニア リングと細胞培養 (可逆細胞粘着のため/はく離8,9,10)、(切替可能な膜の気孔率と浸透率またはサーマル リサイクル可能の診断サポート11,12,の版13)、マイクロ流体処理 (オン ・ オフ弁の流れ14,15を調整する)、およびレオロジー修飾子 (の温度可変粘性16)。重要な (そして増加) 仕事も oligoethylene リコール (ポリメタクリル酸に行ったものの、最も一般的感温ハイドロゲルは、poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM)17、に基づいてを調査 (POEGMA)2 ,18 , poly(vinylcaprolactam) (PVCL)19,20。POEGMA は、数の異なる基を有するモノマーの線形予測を混合物の21,22の予想される改善された生体適合性とその曲安易な LCST 挙動を与えられた特定の最近の関心を集めています。エチレンオキシドの側鎖の繰り返し単位を変えたり ~ 20 ° C から LCST &gt; 90 ° C2,23。ただし、これらのポリマーのラジカル重合により作製した、従って潜在的なユーティリティおよび生物医学アプリケーションのコンテキストでこのような高分子の訳しを著しく抑える炭素-炭素バックボーンが含まれています分解 (または少なくとも腎のろ過によりクリアランスのための容量) の要件は、通常。
この制限に対し、我々 が最近広く報告ヒドラゾン化学の応用で (すなわち、ヒドラジドとアルデヒド官能基化前ポリマー反応) 感温の分解性類縁体を準備するには。ヒドロゲル24,25,26,27,28,29。機能性前駆体高分子30の混合時に酸ヒドラジドとアルデヒド グループ間急速かつ可逆的反応により両方の in situゲル化 (安易な注入を必要とせずにこれらの材料を有効にする手術注入または任意の種類の UV 照射や化学開始など外部重合刺激) 化学架橋サイトの密度によって制御される速度でネットワークの加水分解の分解だけでなく。さらに、腎の濾過限度以下ヒドロゲルを準備するために使用前のポリマーの分子量を図り、このアプローチを使用したゲルは、25 本体から消去することができますオリゴマー前駆体ポリマーに戻って低下します。 ,,2728。低毒性とこれら材料25,26,27による低の炎症性組織反応と相まって、このアプローチを提供する可能性のある変換可能な感温の使用法医学、特に場合は、すべての長さにこのようなヒドロゲルの制御された分解性アナログ スケール (一括、マイクロ、ナノ) スマート ゲルを作製できます。
このプロトコル合成感温前ポリマー ヒドラジドとアルデヒド グループと同様の方法これらのポリマーに適用する上明確に定義された寸法を持つゲルを作成する制御番号、機能集積化を行うための方法について述べる様々 な長さのスケール。特に、この原稿は、反応性酸ヒドラジドとアルデヒド官能基化前ポリマーの混合を制御する開発し、, このように明確に定義されたジオメトリと感温ハイドロゲル ネットワークを作成する 4 つの異なるアプローチを説明しますと形態:
スタティック ミキサーをそのコンセントに装備して、その後に共押出ダブルバレル シリンジの樽に反応前のポリマーを読み込まテンプレート戦略を説明、定義されたサイズに分解性一括ヒドロゲルを作成する、シリコン金型目的ハイドロゲル形状および寸法21,27 (図 1)。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig1.jpg"> 図 1: 一括ハイドロゲル形成の模式。ヒドラジドとアルデヒド官能基化高分子溶液 (水または緩衝水溶液) はダブル バレル シリンジの樽に読み込まれ、円筒形のシリコーン型に、このスタティック ミキサーを通して共押出します。ミックス フォーム ヒドラゾン架橋ハイドロゲルが自立 (一度金型を削除) を分前駆体高分子の濃度および官能基密度によって数秒以内にその場で急速なゲル。<a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
ミクロン スケールの分解性ゲル粒子を作成するため反応マイクロ メソッドが記載されて、前駆体高分子溶液は、同時に混合し、ソフト リソグラフィ テンプレート マイクロ流体チップ設計を使用して、有効にすることを乳化、混合反応性高分子液滴の形成その後ゲルその場でテンプレートのサイズとフォーム ゲル微粒子乳剤 (図 2)31,32。
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig2.jpg"> 図 2: ゲル微粒子形成反応マイクロ流体を介してのスケマティック。(A, B)ヒドラジドとアルデヒド官能基化高分子溶液 (水または緩衝水溶液) は、ジグザグの一連の水路の逆流を防いで圧力勾配を作成するように設計を介して下流に接続されている別の貯水池にシリンジ ポンプによって供給されます。ポリマー、(またシリンジ ポンプによって駆動される) 両側から流れるパラフィン オイルでせん断される直前に混合し、水の流れ中心生産の結果ノズルを通して強制連続パラフィン油相 (高分子溶液) 液滴(ノズル面積と液滴形成過程の図の (B) 参照)。追加の 2 つパラフィン油入口ノズルをさらに別のコレクション チャネル流、その後生成される微粒子ゲル粒子除去する前に完全なゲル化への水滴の後配置します。磁気撹拌ビーカー; で収集(C) ノズルの液滴生成プロセスの画像 (そのヒドラジド ポリマーは混合を説明するために青というレッテルに注意)
反応前駆体ポリマー (「シード」高分子) の 1 つのソリューションがあり、安定した nanoaggregate を形成するための LCST 上記方法について説明自己反応性熱駆動、ナノスケールの分解性ゲル粒子を作成するには相補的な反応前駆体ポリマー (「架橋」ポリマー); 添加による架橋後結果ヒドラゾン架橋ナノゲル28nanoaggregate (図 3) で直接テンプレート化されたサイズがあります。
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig3v2.jpg"> 図 3: 熱駆動を介してナノゲル形成反応の概略図自己集合。上記の安定した uncrosslinked nanoaggregate を作成するその下限臨界溶液温度 (感温) ヒドラジド官能基化ポリマーを含む水溶液を加熱します。次、アルデヒド官能基化ポリマーはヒドラゾン結合形成を介して nanoaggregate 架橋に追加し、したがって、LCST 以下で冷却にナノゲル粒子を安定させます。<a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig3v2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
(一括ゲルを作るために使用)、そのコンセントでスタティック ミキサー搭載ダブル バレル注射器は標準エレクトロスピニング プラットフォーム (図 4 に接続されている反応エレクトロスピニング法を説明分解性ナノファイバーの作製、)33。
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig4.jpg"> 図 4: ハイドロゲル ナノファイバー形成反応エレクトロスピニング模式。スタティック ミキサー (一括ヒドロゲルのとおりロードしますが、またエレクトロスピニングの援助として高分子量 poly(ethylene oxide) の分数を含む) でダブル バレル注射器が接続されている注射器の終わりに針とシリンジ ポンプにマウントされています。高電圧電源。ヒドラゾンの架橋は、ストリーム (アルミ箔やアルミ円板) コレクターに達するナノ形態を維持するため、紡糸プロセス中に発生します。<a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig4large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
興味のポリマーとして PNIPAM または POEGMA のいずれかを使用してこのプロトコルで分解スマート ハイドロゲル ネットワークを作成するこのような手法の応用を実証します。粘度の適切な調整はあるものの、任意の水溶性ポリマーに記載されている基本的なアプローチを翻訳ことができますただし、(の場合、自己組織化ナノゲル作製法) 種子の形成の前のポリマーの安定性nanoaggregate。

<table><tbody><tr><td><ストロング>ケミカルズ</ストロング></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>2,2 - アゾビスイソ酪酸ジメチルエステル</td><td>和光ケミカル</td>ズ <td>101138</td><td></td></tr><tr><td>ジ(エチレングリコール)メチルエーテルメタクリレート(M(EO)2MA)</td><td>シグマアルドリッチ</td><td>447927</td><td>188.2 g/mol, n=2 エチレンオキシドリピート単位</td></tr><tr><td>オリゴ(エチレングリコール)メチルエーテルメタクリレート(OEGMA475)</td><td>シグマアルドリッチ</td><td>447943</td><td>475 g/mol、n=8-9 エチレンオキシド繰り返し単位</td></tr><tr><td>アクリル酸 (AA)、99%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>147230</td><td></td></tr><tr><td>チオグリコール酸 (TGA)、98%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>T3758</td><td></td></tr><tr><td>ジオキサン、99%</td><td>Caledon Labs</td><td>360481</td><td></td></tr><tr><td>窒素、UHP グレード</td><td>エア リキード</td><td>Alphagaz1 765A-44</td><td></td></tr><tr><td>アジピン酸ジヒドラジド (ADH)、98%</td> <td>Alfa Aesar</td><td>A15119</td><td></td></tr><tr><td>N'-エチル-N-(3-ジメチルアミノプロピル)-カルボジイミド(EDC、x%)</td><td>カルボシンス</td><td>FD05800</td><td></td></tr><tr><td>塩酸(HCl)、37%</td><td>シグマアルドリッチ</td><td>320331</td><td></td></tr><tr><td>水酸化ナトリウム(NaOH)、97%</td><td>シグマアルドリッチ</td><td>221465</td><td></td></tr><tr><td>アミノアセチルアルデヒドジメチルアセタール、99%</td><td>シグマアルドリッチ</td><td>121967</td><td></td></tr><tr><td>4-ヒドロキシ-テンポ、97%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>176141</td><td></td></tr><tr><td>塩化メタクリロイル、97x%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>523216</td><td></td></tr><tr><td>石油エーテル、95%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>32047</td><td></td></tr>硫酸<tr><td>マグネシウム、99.5%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>M7506</td><td></td></tr><tr><td>tert-ブチルメチルエーテル、>99.0%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>443808</td><td></td></tr><tr><td>リン酸緩衝生理食塩水</td><td>BioShop</td><td>PBS405.1</td><td>1x、pH 7.3-7.5</td></tr><tr><td>N-イソプロピルアクリルアミド、99%</td><td>J&K Scientific</td><td>258717</td><td>60% ヘキサン/40% トルエン</td></tr><tr><td>エタノール、無水</td><td>Commerical Alchols</td><td>P016EAAN</td><td></td></tr><tr><td>Span 80</td><td>Sigma Aldrich</td><td>S6760</td><td></td></tr><tr><td>重質パラフィン油</td><td>Caledon Labs</td><td>1326197</td><td></td></tr><tr><td>Pentane、試薬グレード</td><td>Caledon Labs</td><td>1/10/7800</td><td></td></tr><tr><td>ポリ(エチレンオキシド) 平均 Mv 600,000</td><td>シグマ アルドリッチ</td><td>182028</td><td></td></tr><tr><td>Supplies 合成とハイドロゲル製造に必須</強力></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>ロータリー蒸発器</td><td>ハイドルフ</td><td>G3</td><td></td></tr><tr><td>透析チューブ (3500 Da 分子量カットオフ)</td><td>Spectrum Labs</td><td>28170-166</td><td>Vol/length= 6.4mL/cm</td></tr><tr><td>ダブルバレルシリンジ</td><td>Medmix</td><td>L シリーズ</td><td>Lシリーズ、2.5 mL、容量比 1:1</td></tr><tr><td>スタティックミキサー</td><td>Medmix</td><td>L シリーズ</td><td>L シリーズ、2.5 mL、容量比 1:1、長さ 1.5 インチ</td></tr><tr><td>シリコーンゴムシート、厚さ 1/16 インチ</td><td>McMaster-Carr</td><td>9010K12、30A デュロメーター (スーパーソフト)</td><td></td></tr><tr><td>シリンジポンプ</td><td>KD Scientific</td><td>KDS Legato 200</td><td>デュアルシリンジポンプのみ注入</td></tr><tr><td>高電圧電源</td><td>スペルマン</td><td>230-20R</td><td>0 to 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 & micro;mの厚さ;Pドープ;<100>向き&nbsp;</td></tr><tr><td>SU-8 100</td><td>MicroChem</td><td>Y131273</td><td></td></tr><tr><td>SU-8 Developer</td><td>MicroChem</td><td>Y020100</td><td></td></tr><tr><td>Custom 2.5" スピンコーター</td><td>社内製</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>マスク アライナー</td><td>KARL SUSS</td><td>MJB3 UV400 (276 W ランプ付き)</td><td></td></tr><tr><td>Masterflex L/S 13 シリコンチューブ</td><td>コール パーマー</td><td>OF-96400-13</td><td>過酸化物硬化</td></tr><tr><td>ダウコーニングSygard 184シリコーンエラストマーベース&nbsp;</td><td>Ellsworth Adhesives</td><td>4019862</td><td></td></tr><tr><td>Dow Corning Sygard 184シリコーンエラストマー硬化剤&nbsp;</td><td>エルスワース接着剤4019862</td><td></td><td></td></tr><tr><td>ハイパワープラズマクリーナー&nbsp;</td><td>Harrick</td><td>PDC-002-HP</td><td></td></tr><tr><td>Characterization Instruments</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Mach 1 マイクロメカニカルテスター</td><td>Biomomentum</td><td>LB007-EN</td><td></td></tr><tr><td>Cellstar 組織培養 12 ウェルプレート</td><td>Greiner Bio-one</td><td>665 180</td><td></td></tr><tr><td>12 ウェルプレート用細胞培養インサート</td><td>Corning</td><td>08-771-12</td><td>8 & micro;m孔径</td></tr><tr><td>光学顕微鏡</td><td>オリンパス BX51 光学顕微鏡</td><td>BX51</td><td></td></tr><tr><td>温度制御顕微鏡ステージ</td><td>リンカム・サイエンティフィック</td><td>・ THMS600</td><td></td></tr><tr><td>ゲル浸透クロマトグラフ (GPC)</td><td>ウォーターズ</td><td>590 HPLC ポンプ</td><td>ウォーターズ・スティラゲルカラム (HR2, HR3, HR4; 30 cm x 7.8 mm (ID); 5 mm 粒子), Waters 410 屈折率検出器</td></tr><tr><td>動的光散乱 (DLS)</td><td>ブルックヘブン</td><td>90Plus粒子サイズアナライザー</td><td></td></tr><tr><td>透過型電子顕微鏡(TEM)</td><td>TEMSCAN</td><td>JEOL 1200EX</td><td>加速電圧 100 kV</td></tr><tr><td>走査型電子顕微鏡(SEM)</td><td>Tescan</td><td>Vega II LSU</td><td>加速電圧 10 kV</td></tr><tr><td>マイクロスクイッシャー</td><td>CellScale 生体材料試験</td><td>MS-50M-01</td><td></td></tr></tbody></table>

自己組織化反応押出、マイクロフルイディクス, 経由で複数の長さスケールでの分解性感温ハイドロゲルを加工・ エレクトロスピニング

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

その究極の臨床使用を生物学的関連性の欠如によって妨げられている様々 なスマート材料は、さまざまな生物医学アプリケーション (例えばドラッグデリバリー、ティッシュ エンジニア リング、バイオ イメージングなど) の検討されている間最もスマート材料の観察の劣化。特に、ほぼ一様に、機能的分解性ポリマーに基づく温度応答性ハイドロゲルのです (例えばpoly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) または (oligoethylene リコール ポリメタクリル酸 (POEGMA)).可変セル材料相互作用、潜在的な theranostic 材料細胞骨格のリモート制御や代謝規制薬物送達の課題に感温ハイドロゲルの可能性を効果的に翻訳するなど、イメージングとドラッグデリバリー システムと他のアプリケーションのメソッドは (完全分解ではない) の場合、少なくとも腎クリアランスの材料の必要な有効期間を次のことができる、ヒドロゲルをレンダリングに必要なです。そのために、このプロトコルはヒドラジドと分子のアルデヒド官能基化 PNIPAM または POEGMA オリゴマーの反応に基づいて複数の長さスケールで加水分解分解ヒドラゾン架橋ハイドロゲルの調製をについて説明します。腎の濾過限度以下の重み。具体的には、分解性感温一括ヒドロゲル (ダブル バレル シリンジ法を使用して) を作製する方法ヒドロゲル粒子 (同時混合を促進するマイクロ流体プラットフォームを使用して両方のマイクロ スケールで、前駆体ポリマーの熱対流を使用してナノ乳化自己架橋法と)、ハイドロゲル ナノファイバー (反応性エレクトロスピニング戦略を使用して) 記述されています。それぞれのケースで従来自由ラジカル架橋プロセスを介して達成に類似した温度応答性のプロパティを持つハイドロゲルを達成することができます、しかし、ヒドラゾン架橋ネットワークは、オリゴマーに再編成する時間の経過と共に低下する可能性が前駆体高分子と有効にするクリアランス。そのため、(これが一般的、合成に応用水溶性ポリマー、スマート材料なだけではなく) これらのメソッドは合成スマート材料臨床応用への移行が容易になります期待しています。

一括ヒドロゲル シリコーン型にダブル バレル、注射器から押出成形金型の寸法に合わせるなりフリースタンディングにカビの除去;ゲル化は通常、数秒から数分ポリマー前駆体によって共押出次使用を発生します。(培細胞文化挿入を使用して腫れのソリューションから、ハイドロゲルを簡単に削除する測定)、腫れによる典型的な特性 thermoresponsivity (同じテクニックを使用して、上記の培養温度のサイクリングを測定し、相転移温度)、下 (測定を使用して、同じ手法で、以上のより長い期間)、劣化とせん断または圧縮弾性率 (2 mm 厚、7 mm 径の成形サンプルを使用して測定される) を示します、ハイドロゲルの可変性(具体的には、長鎖 OEGMA モノマー、ハイドロゲルを準備するために使用する短いの比 POEGMA) の前駆体ポリマーの化学によって反応前駆体高分子とそれらの濃度に官能基のモル分率前駆体ポリマー (図 5)27。
マイクロ流体は油および/または複合高分子水溶液相 (図 6 a)31の流量に基づく制御のサイズ、25-100 μ m のサイズのスケールに明確に定義されたゲル微粒子の形成に します。高温顕微鏡確認感温性 (に起因する可逆温度依存性腫れ-主のみわずかなヒステリシスをサイクル 1 を示すバルク ヒドロゲルをゲル微粒子に維持折りたたまれた状態の34で近隣のアミド グループの不可逆的な水素結合形成) が一括 PNIPAM ヒドロゲル (図 6 b)32で見られた一貫しました。さらに、ゲル微粒子が低下するそのオリゴマーの前駆体に戻る時間をかけて腎クリアランス (図 6)32を有効にします。
ヒドラジド修飾 PNIPAM ポリマー アルデヒド官能基化 PNIPAM 架橋続いて温水溶液中の nanoaggregation によって駆動される自己組織化高分子が高い単分散ナノゲルの結果 (多分散性 &lt; 0.1) で、プロセス条件に応じて、180-300 nm のサイズの範囲は、(図 7A)28を使用しました。ナノゲル熱主より架橋ポリマーが追加されました (図 7B) として観察のより低い角度の従来のラジカル架橋 PNIPAM ナノゲルの典型的な感温動作を保持します。ナノゲルを凍結乾燥して粉粒 (図 7C) に変更することがなくできるナノゲル (図 7D) を策定する使用されるオリゴマー前駆体ポリマーを再形成するため加水分解を介して時間をかけて低下と。
反応エレクトロスピニング構造が作成され、仁科ハイドロゲル (図 8A) 〜 300 程度のナノファイバーの直径を持つ nm 可視クラスターイオンビーム粒子存在33なし達成可能な。水で POEGMA ベース ナノファイバーを浸漬急速な水分補給 (約 2 桁、図 8Bは、同じ組成物の一括ゲルと達成よりも高速化) ですが 8-10 週間以上前にナノ形態を維持生理学的な条件で加水分解劣化ヒドラゾン酸触媒付着劣化 (図 8C) 可能性がある期待どおりに、劣化が速くは酸触媒環境で観察されます。ナノ構造、また機械的に堅牢な乾燥と腫れた状態の両方複数のサイクルで取り扱いが容易で繰り返しひずみ (図 8D) を有効にします。
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig5v2.jpg"> 図 5:その場で -ゲル化性バルク分解性感温ハイドロゲル。(A) 代表 POEGMA ゲルのネットワーク組織と一括ヒドロゲル前駆体ポリマー; OEGMA475のモル % 混入の関数としての対応するゲル化時間画像(B ・ C)PO100ヒドロゲル前駆体高分子濃度変化 (B) と (C) モル % 機能グループ設立前駆体ポリマー; あたりでの貯蔵弾性率(D-F)POEGMA ゲル OEGMA475モル % 混入の関数としての生理化学的性質: (D) 貯蔵弾性率 (E) 劣化プロファイル 1 M HCl と温度反応 (F) 体積相転移温度範囲にわたって変更 20-60 ° c.すべての誤差範囲を表す n の標準偏差 = 4 複製測定。エルゼビアの許可を得て参照27から適応。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig5v2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig6.jpg"> 図 6: 反応性マイクロから分解性ゲル微粒子のプロパティ。(A) 水 (精製) ゲル微粒子サイズにパラフィン油流量の影響(上と下の体積相転移温度; 単一熱サイクルの後に水で精製ゲル微粒子の Thermoresponsivity B)(C) 視覚評価 (写真) とゲル浸透クロマトグラフィー トレース (グラフ) ゲル微粒子の劣化を確認するに戻るその前駆体ポリマーのコンポーネント (ここでは、イメージングの時間スケールで加速劣化を促進する 1 M HCl で);スケールバー = 100 μ m. 適合からの参照32。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig6large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig7v2.jpg"> 図 7: 反応性から分解性ナノゲルの特性自己集合。(動的光散乱法から異なるアルデヒド: ヒドラジド高分子質量比を使用したナノゲルの A) 粒径分布 (inset: 透過電子顕微鏡写真、ナノゲルの球面の性質を確認する);(B) 感応 (動的光散乱法) からナノゲルの準備に使用されるアルデヒド: ヒドラジド ポリマー間質量比の関数として自己組織化粒子の n の標準偏差を表す誤差 = 4 複製;(C) 視覚確認ナノゲル集計の欠如の前と後の凍結乾燥;(ナノゲルの酸触媒劣化の D) 視覚的に確認 (ここでは上記の他の研究との整合性のため 1 M HCl);(E) ゲル浸透クロマト グラフ トレース ヒドラジドとアルデヒド官能基化前駆体ポリマーに類似性を示すナノゲル分解生成物。参照28から許可を適応します。著作権の 2015 年、アメリカの化学社会。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig7v2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54502/54502fig8v2.jpg"> 図 8: 分解反応の静電紡糸ナノファイバーのプロパティ。(A) 走査電子顕微鏡、ドライでナノファイバーの画像状態 (左)、水 (中間、薄いフィルム) に浸漬半分と完全に (右、厚い足場); 一晩水に浸した(B) 同じ組成のバルク ハイドロゲル (青) を基準にして (赤) 仁科ハイドロゲルの腫れ、誤差範囲 n の標準偏差を表す = 4 複製;(C) 走査型電子顕微鏡および (インセット) 視覚イメージ 1 M 塩酸; ナノファイバーの酸触媒劣化の追跡(ドライ (80 サイクル、20% 伸長/サイクル) の D) 引張サイクリングや腫れ (325 サイクル、10% 伸長/サイクル 10 mm PBS) エレクトロスピニング仁科ヒドロゲル。図は参照33から変更され、王立化学会から許可を得て再現します。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54502/54502fig8v2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。

分解性感温ハイドロゲル ヒドラゾン架橋高分子オリゴマー バルク スケール、マイクロ スケール、およびナノスケール、ゲル粒子・ ナノファイバーの調製のための後者のに基づいて作製のためのプロトコルを説明します。

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

このプロトコルの全体的な目標は、制御された長さスケールと形状を持つ熱応答性ヒドロゲルの分解性バージョンを製造することです。この方法は、長期的で低侵襲な局所薬物送達の促進、組織工学のための応答性足場の作成、標的ナノ治療薬の設計など、生物医学材料のシナリオにおける主要な課題に対処するのに役立ちます。私たちの技術の主な利点は、ポリマー前駆体の混合形状を変更することにより、分解性ヒドロゲルのサイズと形状を制御できる迅速な逆バイオヒドラゾン化学です。この柔軟性により、葉ジェル、マイクロゲル、ナノゲル、ナノファイバーのすべてを同じ出発材料で作製することができます。まず、ヒドラジドとアルデヒド官能化熱応答性前駆体ポリマー溶液をそれぞれ約2ミリリットル調製し、濃度が5〜40重量%で、10ミリモルのリン酸緩衝生理食塩水を準備します。シングルバレルシリンジを使用して、前駆体ポリマー溶液を2.5ミリリットル、1:1ダブルバレルシリンジの別々のバレルにロードします。次に、1.5インチのスタティックミキサーを2.5ミリリットルの1:1ダブルバレルシリンジに接続します。必要に応じて、18ゲージまたは20ゲージの1.5インチ針をスタティックミキサーに取り付けます。次に、希望の厚さの柔らかいシリコーンゴムシートから切り取ります。標準的な顕微鏡のスライドほどの大きさの作品です。パンチセットを使用して、シリコーンゴムシートに目的の形状の少なくとも1つの穴を開けます。シリコーンゴムの型をきれいなスライドガラスの上に置き、すべての穴がガラスで支えられていることを確認します。金型をスライドにそっと押し付けて、所定の位置に固定します。シリコーンゴムシートは、基材の良好な接着性を確保するためのバッキングとしても使用できます。ヒドラジドとアルデヒド官能化ポリマー溶液をスタティックミキサーでモールドウェルに押し出し、ウェルが完全に充填されるまでします。型を2枚目のきれいなスライドガラスで覆い、ゲル化が完了するのを待ちます。次に、トップスライドを取り外し、へらを使用してシリコーンゴム型からハイドロゲルを分離します。金型をスライドから持ち上げて、ハイドロゲルを回収します。手順の前に、微粒子生成用のマイクロ流体チップを作製します。ヒドラジドとアルデヒド官能化ポリNIPAMを合成します。まず、脱イオン水中のヒドラジドとアルデヒド官能化ポリNIPAMの6重量%溶液をそれぞれ2ミリリットル調製します。ポリマー前駆体溶液を別々の5ミリリットルシリンジに入れます。次に、重質パラフィン油中のモノオレイン酸ソルビタンの1重量%溶液150ミリリットルを調製します。この溶液を2つの標準60ミリリットルシリンジに入れます。4つのシリンジを別々の輸液シリンジポンプに取り付けます。次に、長さ45センチメートルのシリコンチューブをマイクロ流体チップ出口に接続します。アウトレットチューブの端を廃棄物容器に入れます。ポリマー溶液シリンジを、長さ30cmのシリコンチューブでマイクロ流体チップのポリマーインレットチャネルに接続します。1つのパラフィン油溶液シリンジをシリコンチューブで上流の油入口チャネルに接続します。もう一方のオイルシリンジを、シリコンチューブとU字型シリンジジョイントを使用して、両方の下流のオイルインレットチャネルに接続します。オイルシリンジを装備したポンプの流量を1時間あたり1.1〜5.5ミリリットルに設定します。マイクロ流体チップにオイルを少なくとも30分間流して、チップをプライミングし、チップに欠陥がないことを確認します。次に、両方のポリマー溶液をプライミングしたチップに1時間あたり03 mLで同時に送達します。ポリマーとオイルの流れを30分から1時間平衡化させます。マイクロ流体ノズルでの前駆体ポリマーの早期ゲル化を防ぐためには、チューブを慎重にプライミングし、ポリマーの流れを正確に開始して、いずれかのポリマーリザーバーへの逆流を防ぐことが不可欠です。マイクロ流体チップのノズルで均一なゲル微粒子が形成されたら、アクティブマグネチックスターバーを備えたプラスチック遠心分離チューブに粒子を収集します。オイルが消費されたら、シリンジポンプと攪拌モーターを停止します。ゲル微粒子がチューブ内に沈殿したら、ピペットでパラフィンオイルをデカントします。5mLの微粒子ごとに10ミリリットルのペンタンをフラスコに加えます。エモルションを約1分間激しく混ぜます。粒子が1〜2時間沈殿するのを待ってから、ピペットでペンタンをデカントします。このペンタンウォッシュを少なくとも5回繰り返します。洗浄したゲル微粒子を小さなガラスシンチレーションバイアルに移します。粒子を1〜2ミリリットルの脱イオン水に再懸濁します。この手順を開始するには、脱イオン水中のヒドラジドとアルデヒド官能化ポリNIPAMの1%溶液をそれぞれ5ミリリットル調製します。.ヒドラジド官能基化ポリNIPAM溶液の5ミリリットルを攪拌しながら摂氏70度に加熱します。溶液が不透明になるのを監視し、目に見える沈殿物が形成されていないことを確認します。次に、0.25ミリリットルのアルデヒド官能化ポリNIPAM溶液を、加熱したヒドラジド官能化ポリNIPAM溶液に5〜10秒間かけて滴下します。混合物を摂氏70度で15分間攪拌します。次に、混合物をオイルバスから取り出し、一晩室温まで冷まして、精製用のナノゲルを取得します。ナノゲル混合物を分子量3500キロダルトンのカットオフ透析膜に入れます。ナノゲルをイオン化水に対して6時間サイクルで6回透析し、架橋されていないポリマーを除去します。必要に応じて、精製したナノゲルを凍結乾燥して保存します。ゲルナノファイバー作製手順を開始するには、脱イオン水中のヒドラジドおよびアルデヒド官能化POEGMAの15重量%溶液をそれぞれ1ミリリットル調製します。次に、脱イオン水中に高分子量ポリエチレンオキシドの5重量%溶液を2ミリリットル調製します。各POEGMA前駆体溶液を1ミリリットルのポリエチレンオキシド溶液と組み合わせます。前駆体溶液をダブルバレルシリンジの別々のバレルにロードします。次に、1.5インチのスタティックミキサーと先端が鈍い18ゲージの針を2.5ミリリットルの1:1ダブルバレルシリンジに接続します。ダブルバレルシリンジを輸液シリンジポンプに取り付けます。次に、針の端から10cmのところにアルミディスクエレクトロスピニングコレクターを取り付けます。高電圧電源をコレクターで接地し、電源を針に接続します。シリンジポンプを0.48ミリリットル/時に設定し、電源を10キロボルトに設定します。シリンジポンプと電源を同時に始動して、エレクトロスピニングを開始します。所望の厚さに達するか、前駆体が使い果たされるまで続けます。ナノファイバーの製造が終了したら、エレクトロスピニングアセンブリの電源を切り、切断します。回収したゲルナノファイバーを脱イオン水に24時間浸し、ポリエチレンオキシドを除去します。ダブルバレルシリンジ送達により、前駆体ポリマー濃度、反応性官能基密度、およびモノマー上のエチレンオキシドリピート単位の数に応じて、さまざまな力学、ゲル化時間、および透明性を備えたヒドラゾン架橋POEGMAバルクヒドラゲルが作製されました。パラフィン油とポリマー前駆体溶液の両方の流速は、マイクロ流体デバイスで作製されたハイドロゾーン架橋ポリNIPAMゲル微粒子のサイズに影響を与えました。可逆的な温度依存性の腫脹がホットステージ光学顕微鏡法で観察されました。ゲルマイクロ粒子は、時間の経過とともにオリゴマー前駆体に分解されました。自己組織化ヒドラゾン架橋ポリNIPAMナノゲルのサイズは、アルデヒドとヒドラジド官能基化ポリマーのプレカーサー質量比によって異なりましたが、高度にモノ分散したままでした。質量比が増加するにつれて、熱膨張が少なく観察されました。ゲル微粒子と同様に、ナノゲルは時間の経過とともにオリゴマー前駆体に分解されます。反応性エレクトロスピニングにより、直径300ナノメートルオーダーのヒドラゾン架橋POEGMAハイドロゲルナノファイバーを作製しました。ナノファイバーの水和は、同じポリマー組成のバルクゲルの水和よりも約2桁速かった。ナノファイバーは、生理学的条件下で分解する前に、ナノファイバーの形態を8週間以上保持しました。酸性環境では、より速い劣化が起こりました。ナノファイバーは、乾燥状態と膨潤状態の両方で機械的に堅牢でした。このビデオをご覧になった後、ゲル前駆体ポリマーが作られる形状を制御することにより、分解性で熱応答性のあるハイドロゲルを作成する方法について十分に理解していただければ幸いです。ポリマー前駆体のゲル化時間が各粒子のニーズに一致していることを確認することを忘れないでください。ゲル化が速すぎると、マイクロゲル化とナノファイバー製造が阻害されます。ゲル化が遅すぎると、完全に凝集した形態になります。これらの技術は、薬物送達と組織工学の分野の研究者に道を開きます。また、薬物放出の速度や位置を制御したり、組織再生を刺激したりするための、明確に定義されたハイドロゲルスキャフォールドを設計します。

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

バイオエンジニアリング（生体工学）

簡単なテクニックは、通常の細胞培養基板上への動的なマスク投影リソグラフィ用デジタルマイクロミラーデバイスを用いた微細加工神経培養システムの急速な生産のために説明されています。これらの培養系は、天然の生物学的なアーキテクチャのより代表的かもしれない、と説明された技法は数多くのアプリケーションに適応することができます。...

動的なマスク投影リソグラフィーを用いたニューラル培養システムのためのマイクロパターンハイドロゲルの作製

bioprinter、犠牲型に基づいてパターン化されたハイドロゲルを作成するために使用された。ポロキサマー型は第二のヒドロゲルで埋め戻した後、溶出し、第三のハイドロゲルを充填した空隙を残していた。この方法では、生体高分子から複雑なアーキテクチャを生成する高速溶出及びポロキサマーの良い印刷適性を使用しています。...

模様の作成3D細胞培養のための2つの成分​​のために温度応答性ハイドロゲルリバース金型の印刷

溝状のマイクロ流体チャネルを通過する2つの隣接流体は、前重合体コアの周りに鞘を形成するように導くことができる。その後、形状と断面の両方を決定します。チオールクリック化学のような光開始重合は、コア液を所定の大きさおよび形状を有するマイクロファイバーに迅速に固化させるのに適している。...

あらかじめ設計されたサイズと形状を用いるポリマー繊維およびバイオハイブリッド繊維のマイクロ流体製造

私たちは、過飽和NIPAAmモノマー溶液の相分離に基づいて明確に区画化された構造を持つ、完全に同じ基材であるポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)(PNIPAAm)で構成されるヤヌスマイクロハイドロゲルを合成するためのプロトコルを提示します。合成されたヤヌスマイクロヒドロゲルは、異方性熱応答性、有機親和性/親水性ローディング能力などのユニークな特性を示します。...

ポリの合成（<em&gt; N</em&gt; -isopropylacrylamide）異方性熱応答性および有機性/親水性ローディング機能のためのヤヌスMicrohydrogels

私たちは、マイクロパターン化されたハイドロゲルシートの簡単なプロセスでの製造について説明しています。これは、自立した形で組み立てて操作することができます。これらのモジュール式ハイドロゲルシートを使用すると、制御された細胞微小環境でシンプルなマクロスケールの3D細胞培養システムを生成できます。...

マイクロパターンマクロスケール3D細胞構造のためのモジュラーヒドロゲルシートの構築

このプロトコルは、ポリ(エチレングリコール)ジアクリレート(PEGDA)ハイドロゲルに埋め込まれた血管由来の生体模倣マイクロ流体ネットワークを製造するための、イメージ誘導レーザーベースのハイドロゲル分解の実装を概説しています。これらの生体模倣マイクロ流体システムは、組織工学アプリケーション、in...

血管由来のマイクロ流体ネットワークの画像誘導、レーザーベースの試作

ハイドロゲルを用いたマイクロ磁気応答性の高いコンポーネントとの容易な迅速な製造のための製造技術の添加剤

この研究は、押出断片化を伴うミクロゲルを製造し、ミクロゲルを注射可能な顆粒状ヒドロゲルに加工し、顆粒状ヒドロゲルを生物医学的用途のための押出印刷インクとして適用するための、簡単で適応性のある低コストの方法を記述している。...

バルクヒドロゲルの断片化と生物医学的応用のための粒状ヒドロゲルへの加工

この記事では、マイクロ流体デバイスを使用したハイスループットゼラチンメタクリロイルミクロゲル製造、ミクロゲルの再懸濁可能な粉末(マイクロエアロゲル)への変換、粒状ヒドロゲル足場を形成するためのミクロゲルの化学集合、および3Dバイオプリンティング用のマイクロ多孔性が保存された粒状ヒドロゲルバイオインクの開発のプロトコルについて説明します。...

ゼラチンメタクリロイル粒状ヒドロゲル足場:ハイスループットミクロゲル製造、凍結乾燥、化学アセンブリ、および3Dバイオプリンティング

本稿では、フォトチューナブルハイドロゲルを3Dバイオプリントして、細胞外マトリックスの硬化と線維芽細胞の活性化を研究する方法について説明します。...

線維芽細胞の活性化を研究するための3Dバイオプリンティング用フォトチューナブルハイドロゲル

学ぶ、ヒドラゾン架橋を用いて分解性の温度応答性ハイドロゲルをバルク、ミクロ、ナノスケールで製造する方法。マイクロフルイディクスとエレクトロスピニングにより、制御された形状のゲル粒子とナノファイバーを作成できます。

自己組織化反応押出、マイクロフルイディクス, 経由で複数の長さスケールでの分解性感温ハイドロゲルを加工・エレクトロスピニング

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自己組織化反応押出、マイクロフルイディクス, 経由で複数の長さスケールでの分解性感温ハイドロゲルを加工・ エレクトロスピニング

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