Микрогелевая технология стала мощным и универсальным инструментом для регенеративной медицины и применения тканевой инженерии1. Как и их объемные аналоги, микрогели характеризуются высоким содержанием воды, настраиваемыми физико-химическими свойствами и мимикрией нативной внеклеточной среды. Благодаря достижениям в технологиях изготовления, микрогели могут быть изготовлены различных форм и размеров из ряда натуральных и синтетических полимеров. Они также могут быть использованы для контролируемой инкапсуляции клеток и терапии. Одним из основных преимуществ микрогелей по сравнению с традиционными объемными гидрогелями является то, что они легко вводятся, что позволяет минимально инвазивно доставлять клеточный груз, лекарства или биологический каркас для восстановления тканей. Кроме того, модульные системы микрогелей легко достижимы путем смешивания популяций микрогелей с различными свойствами, в то время как встраивание микрогелей в обычные гидрогели обеспечивает путь к композитам из мягких веществ. Когда большое количество микрогелей упаковывается в зажатое состояние, из них образуются гранулированные гели, объемные материалы с динамическими макромасштабными свойствами, которые можно использовать либо в качестве опорной ванны для встраиваемой трехмерной (3D) печати, либо в качестве красок для 3D-печати. В этом сборнике статей рассматривается широкий спектр методов составления рецептур и изготовления микрогелей, а также их использование для потенциальных биомедицинских применений.
Очень нужны экономичные, безэмульсионные и технологически нетребовательные подходы к получению микрогелей в больших количествах. Чтобы решить эту проблему, Muir et al. продемонстрировали элегантный протокол для получения микрогелей гиалуроновой кислоты (ГК), модифицированных норборненом, путем экструзионнойфрагментации2. Фотосшитые объемные гидрогели экструдировали через ряд игл с последовательно меньшими диаметрами. Полученные фрагментированные частицы микрогеля затем были заглушены вакуумной фильтрацией с образованием плотно упакованного гранулированного гидрогеля, который можно использовать в качестве чернил для 3D-печати на основе экструзии. Stager et al. представили другой подход к фрагментации, при котором сшитый гидрогель хитозана экструдировали через сетчатый фильтр для получения микрогелевых частиц с контролируемым размером3. Затем было показано, что фрагментированные гидрогели способствуют регенерации хрящевой ткани при использовании в модели крысы с повреждением пластины роста.
Объединение застрявших частиц микрогеля вместе приводит к образованию отожженных гранулированных гидрогелей и пористых объемных каркасов с уникальной микроархитектурой. Anderson et al. разработали протокол для микрофлюидной генерации фотосшиваемых микрогелей HA, которые впоследствии лиофилизируются без повреждения полимернойсетки. Контролируемая регидратация лиофилизированных микрогелей и последующее сшивание по биортогональной схеме сшивания приводит к образованию пористых скаффолдов HA с контролируемой фракцией частиц, которые, как показали авторы, оказывают существенное влияние на инфильтрацию и миграцию клеток. Roosa et al. описали метод высокопроизводительного микрофлюидного синтеза больших объемов микрогелей полиэтиленгликоля (ПЭГ)5. Затем авторы демонстрируют подходы к очистке микрогелей, базовой характеристике микрочастиц и отжигу частиц на основе механизма вторичной сшивки с образованием микропористого каркаса. Роммель и др. продемонстрировали подход к созданию отожженных каркасов с повышенной пористостью с использованием анизотропных микрогелевых частиц6. Они воспользовались преимуществами микрофлюидики, фокусирующей поток, для создания микрогелевых стержней из полимеров star-PEG с контролируемыми соотношениями сторон. Отожженные микрогелевые стержневые каркасы могут быть использованы в качестве 3D-среды для клеточных экспериментов. Luo et al. продемонстрировали метод получения высокооткрытых пористых микросфер с помощью простого микрофлюидного подхода, который может быть использован для доставки клеток или биологическихпрепаратов.
Уникальные реологические свойства гранулированных гелей делают их идеальными опорами для встраиваемой 3D-печати мягких гидрогелей и ячеек8. Machour et al. объединили подход к встроенной 3D-печати внутри желатиновых гранулированных гелей с 3D-печатью на основе жертвенной формы для создания инженерных тканевых лоскутов9. Этот гибридный метод был использован для создания иерархической сосудистой сети из чернил на основе коллагена, смешанных с эндотелиальными клетками. Затем сконструированный лоскут был имплантирован непосредственно в бедренную артерию крысы. Jalandhra et al. продемонстрировали подход к созданию конструкций, имитирующих кости, с помощью встроенной 3D-печати керамических чернил на основе фосфата кальция внутри гранулированного геля, насыщенного клетками, изготовленного из микрогелей метакрилатажелатина (GelMA). Зернистая основа была отожжена после печати, чтобы обеспечить поддержку роста клеток вокруг сконструированных структур, имитирующих кость. Кайтез и др. использовали встроенную 3D-печать для создания конструкций нервной ткани на основе стволовых клеток человека11. Они разработали композитный материал для печати, который сочетает в себе альгинатные микрогели и раствор внеклеточного матрикса на основе коллагена. Бережное сшивание коллагена отжигает печатную опору для обеспечения благоприятной среды для дифференцировки нейральных стволовых клеток в функциональные нейроны. Сеньор и др. воспользовались преимуществами сдвиговой обработки во время гелеобразования для создания опорной ванны на основе агарозы для встраиваемой 3D-печати12. Термические свойства агарозы позволяют культивировать напечатанные гидрогелевые конструкции без расплавления поддерживающей ванны.
Застрявшие микрогелевые чернила представляют собой путь для контролируемой 3D-печати, возможно, любого гидрогеля, который в противном случае было бы трудно напечатать из-за его низкой вязкости или трудно контролируемой динамики сшивки. В качестве микрогелевых чернил гидрогели могут быть напечатаны традиционным послойным способом или в суспензионной ванне. Они также могут вмещать клетки для формирования гранулированных биочернил. Таким образом, гранулированные биочернила обеспечивают решение для биопечати материалов, несовместимых с традиционными методами, которые могут потребовать добавок или условий сшивания, вредных для клеток. Zaman et al. предлагают метод, который еще больше улучшает пригодность этих чернил для печати путем программирования гидрогелей GelMA с обратимой межфазной самосборкой наночастиц14. Из-за измененных взаимодействий между частицами полученные наноинженерные гранулированные биочернила могут быть напечатаны при более низкой плотности упаковки, что позволяет создавать гранулированные биочернила с повышенной микропористостью, хорошо сохраняющиеся на протяжении всего процесса печати. Кроме того, авторы описывают методологию получения микрочастиц микрофлюидных гидрогелей с высокой пропускной способностью, преобразования в микроаэрогели и отжига гранулированных чернил с использованием трансглютаминазы.
Подводя итог, можно сказать, что в этом сборнике статей представлено подробное практическое руководство по широкому спектру применений микрогелевой технологии. В коллекции не только описывается использование различных гидрогелевых материалов и механизмов сшивки, но и представлено несколько методов изготовления гидрогелевых микрочастиц. Самое главное, что коллекция предоставляет полезную информацию о том, как использовать гидрогелевые микрочастицы для 3D-печати и регенеративной медицины, что является весьма перспективным применением микрогелевых и гранулированных гелевых технологий.