April 16th, 2018
프로토콜 분해성 thermoresponsive hydrogels hydrazone 대량 규모, 미, 그리고 나노, 젤 나노 입자 및 nanofibers의 준비에 대 한 후자에 고분자 올리고의 cross-linking에 따라 제작에 대 한 설명 합니다.
이 프로토콜의 전반적인 목표는 길이 스케일과 형상이 제어된 thermoresponsive hydrogel의 분해 가능한 버전을 제작하는 것입니다. 이 방법은 장기적이고 최소 침습적인 국소 약물 전달을 촉진하거나, 조직 공학을 위한 반응형 골격을 만들거나, 표적 핵 요법을 설계하는 것과 같은 생체 의학 재료 시나리오의 주요 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다. 우리 기술의 주요 장점은 고분자 전구체 혼합 형상을 변경하여 분해 가능한 하이드로겔의 크기와 모양을 제어할 수 있는 빠른 역바이오히드라존 화학입니다.
이러한 유연성을 통해 엽산 겔, 마이크로겔, 나노겔 및 나노섬유를 모두 동일한 출발 물질로 제조할 수 있습니다. 먼저, 5 중량 %에서 40 % 사이의 농도와 10 밀리몰 인산염 완충 식염수를 가진 히드라지드 및 알데히드 기능성 열반응성 전구체 중합체 용액을 각각 약 2 밀리리터씩 준비합니다. 단일 배럴 주사기를 사용하여 전구체 폴리머 용액을 2.5ml, 1:1 이중 배럴 주사기의 별도 배럴에 로드합니다.
그런 다음 1.5인치 스태틱 믹서를 2.5밀리리터 1:1 더블 배럴 주사기에 연결합니다. 원하는 경우 18 게이지 또는 20 게이지 1.5인치 바늘을 고정식 믹서에 부착합니다. 그런 다음 원하는 두께의 부드러운 실리콘 고무 시트에서 자릅니다.
표준 현미경 슬라이드 정도의 크기입니다. 펀치 세트를 사용하여 실리콘 고무 시트에 원하는 모양의 구멍을 하나 이상 펀칭합니다. 실리콘 고무 몰드를 깨끗한 유리 슬라이드에 놓고 모든 구멍이 유리로 뒷받침되도록 합니다.
금형을 슬라이드에 부드럽게 눌러 제자리에 고정합니다. 실리콘 고무 시트는 우수한 기판 접착력을 보장하기 위해 지지대로 사용할 수도 있습니다. 히드라지드 및 알데히드 기능성 고분자 용액을 정적 혼합기를 통해 웰이 완전히 채워질 때까지 금형 웰로 공동 압출합니다.
두 번째 깨끗한 유리 슬라이드로 금형을 덮고 겔화가 완료될 때까지 기다립니다. 그런 다음 상단 슬라이드를 제거하고 주걱을 사용하여 실리콘 고무 몰드에서 하이드로겔을 분리합니다. 슬라이드에서 금형을 들어 올려 하이드로겔을 회수합니다.
절차에 앞서, 미세입자 생성을 위한 미세유체 칩을 제작합니다. 히드라지드와 알데히드 기능성 폴리 NIPAM을 합성합니다. 시작하려면 탈이온수에 히드라지드와 알데히드 기능성 폴리 NIPAM의 6중량% 용액을 각각 2밀리리터씩 준비합니다.
폴리머 전구체 용액을 별도의 5ml 주사기에 로드합니다. 다음으로, 중질 파라핀 오일에 1중량 단위의 소르비탄 모노올레이트 용액 150ml를 준비합니다. 이 용액을 두 개의 표준 60ml 주사기에 넣으십시오.
4개의 주사기를 별도의 주입 주사기 펌프에 장착합니다. 다음으로, 45cm 길이의 실리콘 튜브를 미세유체 칩 배출구에 연결합니다. 배출 튜브의 끝을 쓰레기통에 넣습니다.
폴리머 용액 주사기를 30cm 길이의 실리콘 튜브가 있는 미세유체 칩의 폴리머 입구 채널에 연결합니다. 파라핀 오일 용액 주사기 1개를 실리콘 튜브를 사용하여 업스트림 오일 주입구 채널에 연결합니다. 다른 오일 주사기를 실리콘 튜브와 U자형 주사기 조인트를 사용하여 두 다운스트림 오일 주입구 채널에 연결합니다.
오일 주사기가 장착된 펌프의 유량을 시간당 1.1밀리리터에서 5.5밀리리터 사이로 설정합니다. 최소 30분 동안 미세유체 칩을 통해 오일을 흐르게 하여 칩을 프라이밍하고 칩에 결함이 없는지 확인합니다. 그런 다음 두 폴리머 용액을 동시에 시간당 03mL로 프라이밍된 칩에 공급합니다.
폴리머와 오일의 흐름이 30분에서 1시간 동안 평형을 이루도록 합니다. 미세유체 노즐에서 전구체 중합체의 조기 겔화를 방지하기 위해서는 튜브를 조심스럽게 프라이밍하고 동시에 중합체의 흐름을 시작하여 두 중합체 저장소로의 역류를 방지하는 것이 중요합니다. 미세유체 칩의 노즐에서 균일한 겔 미세입자가 형성되면 활성 자기 교반 막대가 있는 플라스틱 원심분리기 튜브에 입자를 수집합니다.
오일이 소모되면 실린지 펌프와 교반 모터를 정지하십시오. 겔 미세입자가 튜브에 가라앉으면 피펫으로 파라핀 오일을 디캔팅합니다. 플라스크에 미립자 5mL당 10mL의 펜탄을 추가합니다.
약 1분 동안 에볼루션을 세게 섞습니다. 피펫으로 펜탄을 디캔팅하기 전에 입자가 1-2시간 동안 가라앉도록 합니다. 이 펜탄 세척을 최소 5회 반복하십시오.
세척된 겔 미립자를 작은 유리 섬광 바이알로 옮깁니다. 1-2 밀리리터의 탈 이온수에 입자를 재현 탁시킵니다. 이 절차를 시작하려면 탈이온수에 1%의 히드라지드 용액과 알데히드 기능성 폴리 NIPAM을 각각 5ml씩 준비합니다.
교반하면서 히드라지드 기능성 폴리 NIPAM 용액 5ml를 섭씨 70도까지 가열합니다. 용액이 불투명해질 때 모니터링하고 눈에 보이는 침전물이 형성되지 않는지 확인합니다. 그런 다음 5-10초 동안 가열된 히드라지드 기능화 폴리 NIPAM 용액에 0.25ml의 알데히드 기능화 폴리 NIPAM 용액을 적하 방향으로 추가합니다.
혼합물을 섭씨 70도에서 15분 동안 저어줍니다. 그런 다음 오일 배스에서 혼합물을 제거하고 밤새 실온으로 냉각시켜 정제를 위한 나노겔을 얻습니다. 나노 겔 혼합물을 3500 킬로달톤 분자량 절단 투석막에 놓습니다.
비가교 폴리머를 제거하기 위해 6시간 주기로 6회 디이온화된 물에 대해 나노겔을 투석합니다. 원하는 경우, 정제된 나노겔을 동결건조하여 보관합니다. 겔 나노섬유 제조 절차를 시작하려면 탈이온수에 히드라지드와 알데히드 기능성 POEGMA의 15중량% 용액을 각각 1ml씩 준비합니다.
그런 다음 탈이온수에 몰리큘러량이 높은 폴리에틸렌 옥사이드의 5% 중량 용액 2ml를 준비합니다. 각 POEGMA 전구체 용액을 1ml의 폴리에틸렌 산화물 용액과 결합합니다. 전구체 용액을 이중 배럴 주사기의 별도 배럴에 로드합니다.
그런 다음 1.5인치 정적 믹서와 뭉툭한 팁 18게이지 바늘을 2.5밀리리터, 1:1 이중 배럴 주사기에 연결합니다. 주입 주사기 펌프에 이중 배럴 주사기를 장착합니다. 그런 다음 바늘 끝에서 10cm 떨어진 알루미늄 디스크 전기 방사 수집기를 장착합니다.
콜렉터에 고전압 전원 공급 장치를 접지하고 전원 공급 장치를 바늘에 연결합니다. 주사기 펌프를 시간당 0.48밀리리터로 설정하고 전원 공급 장치를 10킬로볼트로 설정합니다. 주사기 펌프와 전원 공급 장치를 동시에 시작하여 전기 방사를 시작합니다.
원하는 두께에 도달하거나 전구체가 소진 될 때까지 계속하십시오. 나노 섬유 생산이 완료되면 전기 방사 어셈블리를 끄고 분리하십시오. 수집된 겔 나노섬유를 탈이온수에 24시간 동안 담가 폴리에틸렌 옥사이드를 제거합니다.
이중 배럴 주사기 전달은 전구체 폴리머 농도, 반응성 작용기 밀도 및 단량체의 에틸렌 옥사이드 반복 단위 수에 따라 다양한 역학, 겔화 시간 및 투명도를 가진 히드라존 가교 결합 POEGMA 벌크 히드라 겔을 생산했습니다. 파라핀 오일과 폴리머 전구체 용액의 유속은 미세유체 장치로 제작된 하이드로존 가교 폴리 NIPAM 겔 미세입자의 크기에 영향을 미쳤습니다. 가역적 온도 의존적 팽창은 고온 스테이지 광학 현미경으로 관찰되었습니다.
겔 마이크로 입자는 시간이 지남에 따라 올리고머 전구체로 분해되었습니다. 자체 조립 히드라존 가교 폴리 NIPAM 나노 겔의 크기는 알데히드 대 히드라지드 기능화 된 고분자 전구체-질량 비율에 따라 다양했지만 높은 모노 분산을 유지했습니다. 질량 비율이 증가함에 따라 더 적은 열 팽창이 관찰되었습니다.
겔 미립자와 마찬가지로 나노겔은 시간이 지남에 따라 올리고머 전구체로 분해되었습니다. 직경이 300나노미터 정도인 Hydrazone 가교 POEGMA 하이드로겔 나노섬유는 반응성 전기방사에 의해 생산되었습니다. 나노 섬유 수화는 동일한 폴리머 조성을 가진 벌크 겔의 수화보다 약 2 배 더 빨랐습니다.
나노 섬유는 생리학적 조건에서 분해되기 전에 8주 이상 나노 섬유질 형태를 유지했습니다. 산성 환경에서 더 빠른 분해가 발생했습니다. 나노 섬유는 건조 상태와 부풀어 오른 상태 모두에서 기계적으로 견고했습니다.
이 비디오를 시청한 후, 겔 전구체 폴리머가 만들어지는 기하학적 구조를 제어하여 분해 가능한 열 반응성 하이드로겔을 만드는 방법을 잘 이해하셨기를 바랍니다. 폴리머 전구체의 겔화 시간이 각 입자의 요구 사항과 일치하는지 확인하는 것을 잊지 마십시오. 너무 빠른 겔화는 마이크로겔과 나노섬유 제조를 억제합니다.
너무 느린 겔화는 완전히 굳어진 형태학을 초래합니다. 이러한 기술은 약물 전달 및 조직 공학 분야의 연구자들을 위한 길을 열어줍니다. 약물 방출의 속도 또는 위치를 제어하거나 조직 재생을 자극하기 위해 잘 정의된 하이드로겔 골격을 설계합니다.
이 기사는 히드라존 교차 결합을 사용한 분해 가능한 열반응성 하이드로겔 제조 프로토콜을 제시합니다. 이 방법들은 겔 나노입자 및 나노섬유를 포함한 벌크, 마이크로스케일 및 나노스케일 레벨에서 하이드로겔 생성을 가능하게 합니다.
This protocol enables the fabrication of degradable thermoresponsive hydrogels across multiple length scales, addressing a key translational barrier in smart material development: the lack of biologically relevant degradation in conventional thermoresponsive polymers. By enabling renal clearance through hydrolytically degradable hydrazone cross-links, the method supports the translation of thermoresponsive hydrogels for applications requiring controlled residence time, such as metabolism-regulated drug delivery and transient tissue scaffolds. The approach provides a versatile platform for generating hydrogels with tunable size, shape, and degradation kinetics, facilitating preclinical evaluation of responsive materials under physiologically relevant conditions.
The method integrates into the discovery continuum from early target validation through lead optimization and preclinical development, providing degradable hydrogel platforms that can be adapted for screening, formulation, and mechanistic studies.