Additief fabricage techniek voor de Facile en snelle fabricage van Hydrogel gebaseerde Micromachines met magnetisch responsieve onderdelen
18 juli 2018
Een additief productie-strategie voor de verwerking van UV-crosslinkable hydrogels heeft ontwikkeld. Deze strategie voorziet in de vergadering van de laag-voor-laag van de microfabricated hydrogel structuren, alsook de vergadering van onafhankelijke onderdelen, levert geïntegreerde apparaten met bewegende onderdelen die inspelen op de magnetische aandrijving.
Deze methode demonstreert een fabricagestrategie voor het maken van geavanceerde, biocompatibele hydrogel-gebaseerde micro-apparaten, die zijn voorzien van bewegende componenten die magnetisch kunnen worden aangestuurd. Het grote voordeel van deze techniek is dat het een snelle en eenvoudige methode is om complexe apparaten te fabriceren uit PET-gebaseerde hydrogels, die FDA-goedgekeurd zijn voor gebruik bij mensen. Dit resulteert in een volledig biocompatibel en implanteerbaar apparaat.
Om te beginnen, bekijk het bijbehorende tekstprotocol en gebruik dit om de PDMS-kamer te fabriceren en de fotomaskers te ontwerpen zoals beschreven in het bijbehorende tekstprotocol. Maak vervolgens het bovenste deksel voor de PDMS-kamer met behulp van een onbehandeld stuk glasdeksel nummer twee. Begin vanaf het nulniveau van het apparaat en verlaag het onderste substraat met behulp van de micrometerkop tot de gewenste hoogte.
Deponeer een kleine hoeveelheid van het PEGDA-prepolymeer dat voldoende is om het onderste substraat te bedekken en plaats vervolgens het bovenste substraat op de PDMS-kamer. Het is belangrijk om ervoor te zorgen dat er geen luchtbellen zijn gevangen tussen de bovenste en onderste substraten. Luchtbellen zullen leiden tot grote poriën of defecten in het gepolymeriseerde hydrogel.
Plaats vervolgens een fotomasker met het gewenste ontwerp bovenop het bovenste substraat. Zorg ervoor dat de masker volledig in contact staat met het bovenste substraat en lijn het uit met de onderkant van het substraat. Plaats beschermende UV-bril op.
Steek vervolgens het hydrogel-prepolymeer bloot aan UV-licht door de fotomasker. De kracht en duur van de UV-blootstelling hangt af van het type systeem en PEGDA-formulering. Nadat de hydrogellaag is gepolymeriseerd, tilt u het bovenste substraat van de PDMS-kamer af.
De gepolymeriseerde lagen moeten op het bovenste substraat worden gehecht. Bevochtig deze gepolymeriseerde laag met overtollig, niet-overkruisd prepolymeer en bewaar het uit de lichtbron om te voorkomen dat de laag uitdroogt en barst. Bewaar het voor later gebruik om het geassembleerde apparaat te verzegelen.
Om de onderste steunstructuren te maken, begint u met het nemen van een PDMS-gecoate glasdeksel en gebruikt dit als het bovenste substraat van de PDMS-kamer. Deponeer meer hydrogel-prepolymeer op het onderste substraat en bedek de PDMS-put met de PDMS-gecoate glasdeksel. Dit is om ervoor te zorgen dat de gepolymeriseerde lagen op het onderste substraat blijven, waardoor de gebruiker lagen naar boven kan bouwen.
Plaats een fotomasker op de bovenkant van het monster, zorg ervoor dat het goed is uitgelijnd. Blootstel het monster vervolgens opnieuw aan UV-licht. Na de blootstelling verwijdert u het bovenste substraat, voegt u meer PEGDA-prepolymeer toe en verlaagt u het onderste substraat met behulp van de micrometerkop tot het gewenste niveau.
Dit niveau moet overeenkomen met de dikte van de tweede laag hydrogel die moet worden gepolymeriseerd. Op dit punt bedekt u de put opnieuw met de PDMS-gecoate glazen bovenste substraat en lijnt u de fotomasker goed uit. Blootstel vervolgens het monster aan UV-licht.
Herhaal dit proces zo vaak als nodig is om het gewenste aantal hydrogellagen op te bouwen. Om het apparaat te assembleren en te verzegelen, verwijdert u eerst het bovenste PDMS-gecoate dekglas en plaatst u met behulp van een stel pincet de voorgevormde hydrogelcomponenten, inclusief tandwielen en ijzergedopte componenten, op de ondersteunende structuren. Om het apparaat te verzegelen, brengt u eerst het onderste substraat naar de gewenste eindhoogte van het geassembleerde apparaat met behulp van de micrometerscrewgauge.
Dit zou de eindhoogte van het apparaat moeten zijn, rekening houdend met de dikte van de lagen, de interne componenten en eventuele toleranties voor bewegende componenten. Plaats vervolgens de voorgevormde hydrogellaag, die op het onbehandelde glazen deksel is gehecht, op het gedeeltelijk geassembleerde apparaat. Plaats de voorgevormde laag zorgvuldig zodat deze correct is uitgelijnd met de structuren eronder.
Plaats vervolgens een fotomasker dat het plafond van het apparaat toestaat, maar beschermt de interne bewegende componenten tegen UV-blootstelling. Bij het maken van het plafond van het apparaat is het belangrijk om ervoor te zorgen dat de fotomasker goed is uitgelijnd, zodat het apparaat wordt verzegeld, terwijl wordt voorkomen dat de bewegende componenten worden blootgesteld aan UV-licht. Dit voorkomt dat de bewegende componenten worden gepolymeriseerd op de ondersteunende structuren.
Nadat het goed is uitgelijnd, stelt u de hele structuur bloot aan UV-licht. Til het glazen deksel van de fabricagefase op. Het verzegelde apparaat moet op het bovenste substraat hechten.
Als het apparaat aan het onderste substraat blijft gehecht, tilt u het apparaat voorzichtig met behulp van een stel pincet met platte punten. Verwijder voorzichtig overtollig niet-gepolymeriseerd PEGDA met behulp van vacuümafzuiging. Til vervolgens het apparaat voorzichtig met behulp van een stel pincet van het glazen deksel af.
Plaats het apparaat in zoutoplossing of DI-water gedurende ten minste 30 minuten om stabilisatie en uitzetting van het apparaat en de interne componenten mogelijk te maken. Om het apparaat te activeren, plaatst u een neodymiummagneet onder of boven het apparaat binnen een tot twee centimeter van het apparaat. Terwijl u de magneet beweegt, zal de beweging van de ijzeroxidegedoteerde componenten de beweging van de magneet overschaduwen.
Dit functionele, enkeltandwielapparaat werd in minder dan 15 minuten gemaakt. Het apparaat kan worden aangestuurd met een magneet en figuur 7B toont de verschillende posities van het ijzeroxidesegment wanneer het wordt aangestuurd met een magneet. Deze strategie kan worden gebruikt voor het maken van verschillende soorten hydrogel-gebaseerde micro-apparaten.
Hier is bijvoorbeeld een eenvoudige afsluitklep die de afgifte van geneesmiddelen uit een enkele reservoir regelt. De lineaire beweging van het ijzeroxidegedoteerde
Overzicht
Dit artikel presenteert een nieuwe strategie voor additieve productie om biocompatibele micro-apparaten op basis van hydrogel te creëren met bewegende componenten die magnetisch kunnen worden aangestuurd. De methode maakt een snelle en eenvoudige microfabricage van complexe apparaten mogelijk met behulp van FDA-goedgekeurde hydrogels op basis van PET.
Belangrijkste componenten van de studie
Wetenschappelijk vakgebied
- Neurowetenschappen
- Biomedische Techniek
- Microfabricage
Achtergrond
- Hydrogels zijn veelzijdige materialen die worden gebruikt in diverse biomedische toepassingen.
- Magnetische actuatie biedt een niet-invasieve methode om componenten van het apparaat te besturen.
- Bestaande methoden voor de fabricage van hydrogels kunnen complex en tijdrovend zijn.
- Deze studie heeft tot doel het fabricageproces te vereenvoudigen terwijl de biocompatibiliteit gewaarborgd blijft.
Doel van de studie
- Het ontwikkelen van een snelle methode voor de fabricage van hydrogel-gebaseerde micro-apparaten.
- Het integreren van bewegende componenten binnen deze apparaten voor verbeterde functionaliteit.
- Het waarborgen dat de apparaten biocompatibel zijn en geschikt voor potentieel menselijk gebruik.
Gebruikte methoden
- Laag-voor-laag assemblage van hydrogelstructuren middels UV-crosslinking.
- Gebruik van PDMS-kamers en fotomaskers voor precieze fabricage.
- Magnetische actuatie om de beweging van hydrogelcomponenten te regelen.
- Stabilisatie van apparaten in zoutoplossing na fabricage.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle fabricage van hydrogelapparaten met geïntegreerde bewegende componenten.
- Aangetoond vermogen om de beweging van het apparaat met een magneet te besturen.
- Fabricage van het apparaat gerealiseerd in minder dan 15 minuten.
- Ontwikkeling van diverse apparaatontwerpen, waaronder mechanismen voor medicijnafgifte.
Conclusies
- De voorgestelde methode vereenvoudigt de fabricage van complexe hydrogelapparaten.
- Apparaten zijn biocompatibel en kunnen worden gebruikt voor diverse biomedische toepassingen.
- Deze strategie opent nieuwe wegen voor de ontwikkeling van responsieve micro-apparaten.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Managers
Deze additieve productietechniek maakt de snelle, laag-voor-laag fabricage mogelijk van biocompatibele hydrogel-micromachines met magnetisch responsieve componenten, wat een oplossing biedt voor de behoefte aan implanteerbare apparaten die functioneren zonder ingebouwde stroombronnen. Door superparamagnetische ijzeroxide-nanodeeltjes te integreren in PEGDA-hydrogels, ondersteunt deze methode contactloze actuatie en nauwkeurige bewegingscontrole, wat voorspellende waarde biedt voor concepten van therapeutische apparaten in een vroeg stadium. De aanpak vermindert mechanische ambiguïteit in drug-delivery- en microfluïdische systemen door reproduceerbare, FDA-compatibele prototyping van architecturen met bewegende delen mogelijk te maken.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het toetsen van therapeutische hypothesen mogelijk door fysieke activering van medicijnvrijgave-mechanismen, wat doelwitvalidatie via functionele read-outs ondersteunt.
- Operationele waarde: Faciliteert snelle prototyping van hydrogel-gebaseerde apparaten om de biologische haalbaarheid te beoordelen voordat men overgaat tot complexe ontwikkelingspaden.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Produceert gestandaardiseerde hydrogelapparaten met kwantificeerbare bewegingsdrempels voor consistente screening van verbindingen in microfluïdische omgevingen.
- Operationele waarde: Ondersteunt de reproduceerbaarheid van assays via UV-crosslinked laagalignment en magnetische actuatiecontroles, waardoor de variabiliteit in uitleesmetingen wordt verminderd.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Maakt ziekterelevante tests van drugrelease-profielen mogelijk met behulp van schuifkleppen en lineaire manifolds onder fysiologische omstandigheden.
- Operationele waarde: Biedt een platform voor preklinische continuïteit door iteratieve ontwerpverfijning van bewegende componenten mogelijk te maken voorafgaand aan in vivo studies.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode past binnen het ontdekkingscontinuüm van hypothesengedreven ontwerp tot lead-identificatie, waardoor snelle iteratie van concepten voor hydrogel-gebaseerde apparaten mogelijk is vóór de preklinische validatie.
- Discovery Biology: Ondersteunt het mechanistisch minimaliseren van risico's door fysieke toetsing van hypothesen over drugdiffusie via magnetisch aangestuurde componenten mogelijk te maken.
- Screening: Levert assay-klare apparaten met reproduceerbare activering en kwantificeerbare afgiftevensters voor de evaluatie van verbindingen.
- Analytics: Genereert meetbare output, zoals rotatiehoeken (bijv. 60° per aandrijfcyclus) en lineaire verplaatsingsdrempels voor comparatieve analyse.
- Translationeel Onderzoek: Legt een verbinding met preklinisch werk via biocompatibele, door de FDA goedgekeurde PEGDA-constructen die geschikt zijn voor implantatiestudies.
- Enterprise Hergebruik: Vestigt een herbruikbaar fabricageplatform voor het genereren van diverse hydrogel-micromachine-ontwerpen over meerdere projecten heen.
Operationele en bedrijfsmatige impact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellend vertrouwen door directe observatie van componentbeweging en drug-release-kinetiek onder magnetische controle mogelijk te maken.
- Operationele waarde: Waarborgt standaardisatie via fotomasker-gestuurde laagfabricage en stabilisatie in zoutoplossing na de fabricage.
- Strategische waarde: Verbetert go/no-go-beslissingen door vroege beoordeling van de functionaliteit van het apparaat mogelijk te maken zonder integratie van elektrische voeding.
- Impact op portfolio: Ondersteunt risico-gecorrigeerde voortgang door de mechanische betrouwbaarheid van bewegende delen te valideren voordat er wordt geïnvesteerd in chronische implantatiestudies.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in fotolithografie, hydrogelchemie en dispersie van magnetische nanodeeltjes.
- Vereist UV-belichtingssystemen, micrometer-gestuurde podia en mogelijkheden voor de fabricage van PDMS-kamers.
- Vereist afstemming tussen teams over de consistentie van de hydrogelformulering en standaarden voor het ontwerp van fotomaskers.
- Omvat overwegingen voor aanpassing bij het overdragen van het protocol naar andere fotopolymeriseerbare hydrogels naast PEGDA.
- Bevat praktische beperkingen, zoals het vermijden van UV-belichting van gedoteerde componenten tijdens het afsegelen om onbedoelde polymerisatie te voorkomen.
