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
2022年5月17日
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。
粒状ヒドロゲルは、多くの有利な特性を有する刺激的な新しいクラスの生体材料である。私たちの希望は、これらの方法を共有することで、生物医学的用途のための粒状ヒドロゲルへのアクセスと革新を高めることができるということです。この技術は、シンプルで低コストで、多くの化学に容易に適応可能であり、事実上あらゆる実験室で実装することができます。
3ミリリットルのシリンジにヒドロゲル前駆体溶液を装填する。空の3ミリリットルのシリンジの背面からプランジャーを取り外し、シリンジバレルの上部にチップキャップを追加します。1,000マイクロリットルのピペットを使用して、ヒドロゲル前駆体溶液をチップキャップ付きのシリンジバレルに移す。
ヒドロゲル前駆体溶液を入れたシリンジバレルを片手で持ち、先端キャップを下向きにし、バレルの開放端を上向きにします。シリンジプランジャーをシリンジバレルの背面の開口部に戻します。シリンジバレルの背面の開口部を密閉するのに十分なだけシリンジプランジャーをバレルに静かに押し込み、プランジャーとシリンジバレルを慎重に保持して、シリンジバレルの背面がプランジャーで密閉されるようにします。
プランジャーが下を向き、チップキャップが上を向くようにシリンジを反転させます。チップキャップを外し、すべての空気がシリンジから取り除かれるまで、プランジャーをシリンジバレルに静かに押し込みます。先端キャップをシリンジに取り付け直します。
ヒドロゲル前駆体溶液がチップキャップ付きの3ミリリットルシリンジ内に固定されていることを確認する。UVランプを点灯させる前に、適切な個人用保護具と安全対策が講じられていることを確認してください。ヒドロゲル前駆体溶液を装填した3ミリリットルのシリンジをUVスポット硬化ランプの下に所望の時間置き、完全に光架橋させる。
UVランプを消灯し、シリンジを取り外します。ヒドロゲルがシリンジ内で光架橋されていることを確認します。空の3ミリリットルシリンジの背面からプランジャーを取り外します。
先端キャップをルアーロックに固定します。光架橋バルクヒドロゲルを含むシリンジから先端キャップを取り外す。ヒドロゲルシリンジの上部を空のシリンジのバレルの開口部に揃える。
バルクヒドロゲルをシリンジ開口部から空のシリンジのバレルに押し出す。押し出されたハイドロゲルを含むシリンジを、先端キャップが下を向き、バレル開口部が上を向くように保持する。1, 000マイクロリットルのピペットを使用して、1.5マイクロリットルのPBSをシリンジバレルに加える。
シリンジプランジャーをバレルの開口部に合わせ、シールを作成するのに十分なだけプランジャーをかろうじて押し込みます。プランジャーが下を向き、チップキャップが上を向くようにシリンジを反転させ、プランジャーとシリンジバレルを所定の位置に保持して、ハイドロゲルやPBSが漏れないようにします。断片化したヒドロゲルをPBS添加と混合するために複数回反転させる。
先端キャップが上を向き、プランジャーが下を向くようにシリンジを持ちます。先端キャップを取り外します。非常に穏やかに、プランジャーを上に押し上げて、シリンジの内側から空気を取り除きます。
断片化されたヒドロゲル溶液を一連の針を通して押し出し、断片化されたミクロゲルを作成する。断片化されたヒドロゲルおよびPBSを含むシリンジの上部に鈍い先端18ゲージ針を固定する。新しい3ミリリットルのシリンジからプランジャーを取り外し、チップキャップを空のシリンジバレルに固定します。
断片化したヒドロゲル溶液を18ゲージの針を通して空のシリンジバレルの背面に押し出す。空のシリンジと針を適切な鋭利な廃棄物の流れに捨てます。ヒドロゲル溶液の押し出しを23ゲージ、27ゲージ、および30ゲージ針で繰り返す。
最後の押出工程に際し、断片化したミクロゲル溶液を微小遠心チューブに押し出す。断片化されたミクロゲル懸濁液を洗浄して単離する。微量遠心機を用いて、断片化したミクロゲル溶液を5,000倍gで5分間スピンダウンする。
ピペットを使用して上清を除去します。断片化したミクロゲルを含む各微量遠心管に1ミリリットルのPBSを加え、5〜10秒間渦巻きます。20マイクロリットルの断片化ミクロゲル懸濁液と180マイクロリットルのPBSを組み合わせて、希薄断片化ミクロゲル懸濁液を作成する。
徹底的に混ぜる渦。50マイクロリットルの希薄断片化ミクロゲル懸濁液をガラス顕微鏡スライドに移す。エピ蛍光顕微鏡を使用して、蛍光標識されたミクロゲルの画像を4倍または10倍ズームで取得します。
断片化されたミクロゲルを真空駆動濾過を用いてジャムする。真空駆動ろ過装置を組み立ててテストします。フィルターフラスコの内側にブフナー漏斗を固定します。
チューブを使用して、フィルターフラスコを真空ラインに接続します。バックナー漏斗カップにメンブレンフィルターを置きます。ダイヤルバルブを開いて真空ラインをオンにします。
約0.5ミリリットルのPBSをメンブレンフィルターにピペッティングして接続をテストし、すべてのPBSがフィルターを通過してフィルターフラスコの底に集まることを確認します。真空ラインをオンにして完全なシールを確認した後、断片化されたミクロゲル溶液を渦巻きます。1,000マイクロリットルのピペットを用いて、断片化したミクロゲル溶液をメンブレンフィルター上に移す。
真空がミクロゲル溶液からPBSを引き出すまで約30秒間待つ。真空ラインをオフにします。新鮮な3ミリリットルのシリンジを入手し、プランジャーを取り外します。
金属ヘラを使用して、断片化された顆粒状ヒドロゲルをフィルターからすくい取り、空のシリンジバレルの背面に移す。プランジャーをシリンジに戻します。断片化された粒状ヒドロゲルをシリンジに装填すると、使用準備が整いました。
先端キャップを外し、お好みの針と交換してください。シリンジを選択した印刷プラットフォームにロードします。準備したGコードファイルを計画段階から3D印刷ソフトウェアにロードします。
印刷プレビューパネルに移動し、印刷を押します。印刷堆積が完了したらすぐに、断片化された粒状ヒドロゲル構築物をUV光にさらして、光架橋および安定化を行う。押出フラグメンテーションは、直径10〜300マイクロメートルの範囲のギザギザの多角形を有するミクロゲルを生成する。
円形度の範囲は 0.2 ~ ほぼ 1 で、アスペクト比の範囲は 1 ~ 3 です。これらのパラメータは、フラグメンテーションプロセスによって形成される不規則でギザギザのミクロゲル形状を記述する。遠心分離または真空駆動ろ過のいずれかを使用して一緒に充填すると、組み立てられた粒状ヒドロゲルは剪断減粘および自己修復性である。
断片化された顆粒状ヒドロゲルは、注射用ヒドロゲルに対して高い形状忠実度および機械的完全性を有する。3Dプリンティングに断片化された顆粒状ヒドロゲルを使用することに加えて、これらのシステムは、インビトロ細胞培養プラットフォーム、ならびに組織修復および薬物送達のための注射可能システムとしても使用することができる。これらのシンプルで低コストの方法は、より多くの研究者に粒状ヒドロゲル生体材料の利点をもたらし、粒状ヒドロゲル製造へのアクセスの増加と生体材料分野における革新を可能にします。
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概要
この研究では、エクストルージョン破砕によるマイクロゲルの製造に関する、シンプルで適応性が高く、低コストの方法について説明しています。このマイクロゲルは注射可能な顆粒状ハイドロゲルに加工され、生体医工学的応用のためのエクストルージョン印刷インクとして使用できます。
主要な研究構成要素
科学の分野
- 生体医工学
- 材料科学
- 生体材料
背景
- 顆粒状ハイドロゲルは、新しいクラスの生体材料です。
- これらは生体医工学的応用に有利な特性を持っています。
- 革新的な方法へのアクセスは、この分野での研究を促進できます。
- 技術はシンプルで低コストであり、様々な研究室で利用可能になっています。
研究の目的
- 顆粒状ハイドロゲルへのアクセスを増やすための方法を共有すること。
- これらの材料の生体医工学的応用における革新を促進すること。
- これらのハイドロゲルを作製するシンプルなアプローチを提供すること。
使用した方法
- マイクロゲルの製造のためのエクストルージョン破砕。
- マイクロゲルから注射可能な顆粒状ハイドロゲルへの加工。
- 顆粒状ハイドロゲルのエクストルージョン印刷インクとしての使用。
- 様々な研究室での実施。
主な結果
- ハイドロゲル製造のための低コストの方法を実証しました。
- 異なる化学的性質への適応性を示しました。
- ハイドロゲル前駆体溶液のロードのためのプロトコルを提供しました。
- 研究における顆粒状ハイドロゲルへのアクセスを広げました。
結論
- 顆粒状ハイドロゲルはシンプルな方法で効果的に製造できます。
- これらの技術は生体医工学的応用を促進できます。
- アクセシビリティの向上は、この分野でのさらなる革新につながる可能性があります。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Granular hydrogels fabricated via extrusion fragmentation offer scalable, low-cost access to tunable biomaterials for early-stage biopharma R&D. Their injectability, microscale porosity, and adaptability to diverse chemistries position them as versatile platforms for assay development, 3D bioprinting, and advanced in vitro modeling. This method enables broader innovation and standardization in biomaterials workflows, supporting portfolio-wide translational research.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables rapid prototyping of biologically relevant matrices for mechanistic studies.
- Facilitates functional validation of cell-matrix interactions in disease-relevant systems.
- Supports predictive confidence in early-stage target assessment by providing tunable microenvironments.
Screening & Assay Development
- Provides standardized, reproducible hydrogel platforms for quantitative cell-based assays.
- Enables preparation of injectable and printable matrices for high-throughput screening formats.
- Supports assay scalability and platform reuse across compound evaluation campaigns.
Translational & Preclinical Research
- Offers adaptable hydrogel systems for in vitro modeling of tissue repair and drug delivery scenarios.
- Facilitates continuity from discovery through preclinical validation by supporting 3D culture and injectable delivery studies.
- Reduces translational risk by enabling physiologically relevant testing environments.
Pipeline & Workflow Integration
This extrusion fragmentation method integrates from early discovery through assay development and preclinical modeling, supporting iterative hypothesis testing and platform standardization.
- Discovery Biology: Accelerates hypothesis testing by enabling rapid fabrication of tunable microenvironments.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative hydrogel matrices for robust assay outputs.
- Analytics: Supports measurement of microgel size, shape, and mechanical properties for condition comparison.
- Translational Research: Aligns with preclinical needs for injectable and 3D-printable biomaterials.
- Enterprise Reuse: Establishes a broadly adaptable platform for diverse R&D teams and applications.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in cell-matrix studies.
- Operational Value: Enables standardized, scalable, and low-cost hydrogel fabrication across teams.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision quality and capital efficiency by supporting robust assay development.
- Portfolio Impact: Facilitates risk-adjusted prioritization and advancement of biomaterial-enabled programs.
Implementation Considerations
- Requires basic laboratory skills and standard syringes, needles, and filtration equipment.
- Needs access to UV crosslinking and microscopy for hydrogel characterization.
- Demands cross-team agreement on microgel size and mechanical property standards.
- Adaptable to a wide range of hydrogel chemistries and model systems.
- Limitations include variability in microgel shape and size inherent to fragmentation.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:33
Fabricating Bulk Hydrogels Inside of a Syringe Using Photocrosslinking
2:35
Fabricating Microgels Using Extrusion Fragmentation
5:37
Imaging Fragmented Microgels in Suspension Using Epifluorescent Microscope
6:15
Assembling Fragmented Microgels into Granular Hydrogels
7:56
Extrusion Printing with Fragmented Granular Hydrogels Inks
8:36
Results: Characterizing Fragmented Microgel Particles Using ImageJ
9:31
Conclusion
