Изготовлении разложению Thermoresponsive гидрогелей на различных масштабах длины через реактивной экструзии, микрофлюидика, самостоятельной сборки и Electrospinning

Общая цель этого протокола заключается в изготовлении разлагаемых версий термочувствительных гидрогелей с контролируемой длиной и геометрией. Этот метод может помочь решить ключевые проблемы в сценарии биомедицинских материалов, такие как содействие долгосрочной, минимально инвазивной местной доставке лекарств, создание адаптивных каркасов для тканевой инженерии или разработка таргетных нанотерапевтических средств. Основным преимуществом нашей технологии является быстрая обратная биогидразонная химия, которая позволяет нам контролировать размер и форму разлагаемых гидрогелей путем изменения геометрии смешивания прекурсоров полимеров.

Эта гибкость позволяет нам изготавливать фолиевые гели, микрогели, наногели и нановолокна из одного и того же исходного материала. Во-первых, приготовьте около двух миллилитров гидразидных и альдегид-функционализированных термочувствительных полимерных растворов-предшественников в концентрациях от 5 до 40% по весу и 10 миллимолярных фосфатно-солевого буфера. Используйте одноствольные шприцы для загрузки растворов прекурсоров полимеров в отдельные цилиндры объемом 2,5 миллилитра, двухствольный шприц 1:1.

Затем подключите 1,5-дюймовый статический миксер к 2,5-миллилитровому двухцилиндровому шприцу 1:1. При желании прикрепите к статическому смесителю иглу 18 или 20 калибра 1,5 дюйма. Затем, вырезаем из мягкого, силиконового каучукового листа нужной толщины.

Кусочек размером со стандартное предметное стекло микроскопа. С помощью набора пуансонов проделайте хотя бы одно отверстие нужной формы в листе силиконовой резины. Поместите форму из силиконовой резины на чистое предметное стекло, убедившись, что все отверстия закрыты стеклом.

Аккуратно прижмите форму к предметному стеклу, чтобы зафиксировать ее на месте. Силиконовый каучуковый лист также может быть использован в качестве основы для обеспечения хорошей адгезии к основанию. Co экструдируют функционализированные полимерные растворы гидразида и альдегида через статический смеситель в формовочные колодцы до полного заполнения лунок.

Накройте форму вторым чистым предметным стеклом и подождите, пока закончится гелеобразование. Затем снимите верхнюю горку и с помощью шпателя отделите гидрогели от формы из силиконовой резины. Снимите форму с предметного стекла, чтобы восстановить гидрогели.

Перед процедурой изготовьте микрофлюидный чип для генерации микрочастиц. Синтез гидразида и альдегида функционализированного поли NIPAM. Для начала приготовьте по два миллилитра 6%-ных по весу растворов гидразида и альдегидного функционализированного поли-NIPAM в деионизированной воде.

Загрузите растворы полимерных прекурсоров в отдельные пятимиллилитровые шприцы. Далее приготовьте 150 миллилитров 1%-ного по весу раствора сорбитана моноолеата в тяжелом парафиновом масле. Загрузите этот раствор в два стандартных шприца по 60 миллилитров

Установите четыре шприца в отдельные инфузионные шприцевые насосы. Затем подсоедините силиконовую трубку длиной 45 сантиметров к выходному отверстию микрофлюидного чипа. Поместите конец выпускной трубки в контейнер для отходов.

Подсоедините шприцы с полимерным раствором к полимерным входным каналам на микрофлюидном чипе с помощью силиконовой трубки длиной 30 сантиметров. Подсоедините один шприц для раствора парафинового масла к входному каналу масла перед входом в масло с помощью силиконовой трубки. Подсоедините другой масляный шприц к обоим нисходящим входным каналам масла с помощью силиконовой трубки и U-образного шприцевого соединения.

Установите расход насосов, оснащенных масляными шприцами, в диапазоне от 1,1 до 5,5 миллилитров в час. Пропустите масло через микрофлюидную микросхему в течение не менее 30 минут, чтобы заправить микросхему и убедиться, что микросхема не имеет дефектов. Затем одновременно подайте оба полимерных раствора в загрунтованный чип со скоростью 03 мл в час.

Дайте течению полимера и масла сбалансироваться от 30 минут до часа. Чтобы предотвратить преждевременное гелеобразование прекурсоров полимеров в микрофлюидном сопле, важно тщательно загрунтовать трубку и начать поток полимера точно в одно и то же время, чтобы предотвратить обратный поток в любой полимерный резервуар. После того, как на сопле микрофлюидного чипа образуются однородные гелевые микрочастицы, соберите частицы в пластиковую центрифужную пробирку с активной магнитной мешалкой.

Остановите шприцевые насосы и двигатель перемешивания после того, как масло будет израсходовано. Как только микрочастицы геля осядут в пробирке, сцедите парафиновое масло с помощью пипетки. Добавляйте в колбу 10 миллилитров пентана на каждые 5 мл микрочастиц.

Энергично перемешивайте эмолюцию в течение минуты. Дайте частицам осесть в течение одного-двух часов, прежде чем сцеживать пентан с помощью пипетки. Повторите эту промывку пентаном не менее пяти раз.

Переложите промытые микрочастицы геля в небольшой стеклянный сцинтилляционный флакон. Ресуспендируйте частицы в одном-двух миллилитрах деионизированной воды. Чтобы начать эту процедуру, приготовьте по пять миллилитров каждого из 1%-ных растворов гидразида и альдегид-функционализированного поли NIPAM в деионизированной воде.

Нагрейте пять миллилитров функционализированного гидразидом раствора поли NIPAM до 70 градусов Цельсия во время помешивания. Следите за тем, как раствор становится непрозрачным, и убедитесь, что не образуется видимый осадок. Затем добавьте 0,25 миллилитра функционализированного альдегидом раствора поли NIPAM по каплям в нагретый раствор поли НИПАМ, функционализированный гидразидом в течение 5-10 секунд.

Помешивайте смесь в течение 15 минут при температуре 70 градусов Цельсия. Затем снимите смесь с масляной ванны и дайте ей остыть до комнатной температуры в течение ночи, чтобы получить наногели для очистки. Поместите наногелевую смесь в отрезанную диализную мембрану с молекулярной массой 3500 килодальтон.

Диализуйте наногели против диионизированной воды шесть раз в течение шестичасовых циклов, чтобы удалить несшитые полимеры. При желании лиофилизируйте очищенные наногели для хранения. Чтобы начать процедуру изготовления гелевого нановолокна, приготовьте по одному миллилитру каждого из 15% по весу растворов гидразида и альдегид-функционализированной POEGMA в деионизированной воде.

Затем приготовьте два миллилитра 5%-ного по весу раствора полиэтиленоксида с высокой молекулярной массой в деионизированной воде. Смешайте каждый раствор прекурсора POEGMA с одним миллилитром раствора полиэтиленоксида. Загрузите растворы прекурсора в отдельные цилиндры двухствольного шприца.

Затем подключите 1,5-дюймовый статический миксер и иглу 18 калибра с тупым наконечником к двухствольному шприцу объемом 2,5 миллилитра 1:1. Установите двухствольный шприц на инфузионный шприцевой насос. Затем смонтируйте алюминиевый дисковый электропрядильный коллектор в 10 сантиметрах от конца иглы.

Заземлите высоковольтный источник питания на коллекторе и подключите блок питания к игле. Установите шприцевой насос на 0,48 миллилитра в час, а блок питания на 10 киловольт. Одновременно запустите насос шприца и блок питания, чтобы начать электроспиннинг.

Продолжайте до тех пор, пока не будет достигнута желаемая толщина или не исчерпаны прекурсоры. После того, как производство нановолокна будет завершено, выключите и отсоедините электропрядильный узел. Замочите собранные гелевые нановолокна в деионизированной воде на 24 часа, чтобы удалить полиэтиленоксид.

С помощью двухцилиндрового шприца были получены гидравлические гели POEGMA с перекрестно сшитыми гидрагелями с различными механиками, временем гелеобразования и прозрачностью в зависимости от концентрации полимера-предшественника, плотности реакционноспособной функциональной группы и количества повторяющихся звеньев окиси этилена на мономерах. Скорость потока как парафинового масла, так и растворов полимерных прекурсоров влияла на размеры микрочастиц геля из сшитого поли-NIPAM гидрозоны, изготовленных с помощью микрофлюидного устройства. Обратимый температурно-зависимый отек наблюдался при оптической микроскопии с горячей стадией.

Микрочастицы геля со временем разлагались до олигомерных предшественников. Размеры самоорганизующихся наногелей гидразона с поперечными связями поли-NIPAM варьировали в зависимости от отношения предшественника предшественника к массе функционализированного полимера альдегида и гидразида, но оставались высокодисперсными. По мере увеличения соотношения масс наблюдалось меньшее термическое разбухание.

Как и микрочастицы геля, наногели со временем разлагались до олигомерных предшественников. Гидрогелевые нановолокна гидразона со сшитыми связями POEGMA диаметром порядка 300 нанометров были получены методом реактивного электропрядения. Гидратация нановолокна происходила примерно на два порядка быстрее, чем гидратация объемного геля с тем же полимерным составом.

Нановолокна сохраняли свою нановолокнистую морфологию в течение более восьми недель, прежде чем разлагаться в физиологических условиях. Более быстрое разложение происходило в кислых средах. Нановолокна были механически прочными как в сухом, так и в набухшем состоянии.

Мы надеемся, что после просмотра этого видео вы хорошо понимаете, как создавать разлагаемые, термочувствительные гидрогели, контролируя геометрию, с которой производятся полимеры-предшественники геля. Не забудьте убедиться, что время гелеобразования полимерного прекурсора соответствует потребностям каждой частицы. Слишком быстрое гелеобразование будет препятствовать производству микрогеля и нановолокна.

Слишком медленное гелеобразование приведет к полному застыванию морфологии. Эти методы прокладывают путь для исследователей в области доставки лекарств и тканевой инженерии. и разработать четко определенные гидрогелевые каркасы для контроля скорости или расположения высвобождения лекарств или стимуляции регенерации тканей.