Biyomedikal Uygulamalar için Dökme Hidrojellerin Parçalanması ve Granüler Hidrojellere İşlenmesi
17 Mayıs 2022
Bu çalışma, ekstrüzyon parçalanması ile mikrojelleri üretmek, mikrojelleri enjekte edilebilir granüler hidrojellere işlemek ve granüler hidrojelleri biyomedikal uygulamalar için ekstrüzyon baskı mürekkepleri olarak uygulamak için basit, uyarlanabilir ve düşük maliyetli yöntemleri açıklamaktadır.
Granüler hidrojeller, birçok avantajlı özelliğe sahip heyecan verici yeni bir biyomalzeme sınıfıdır. Umudumuz, bu yöntemleri paylaşarak, biyomedikal uygulamalar için granüler hidrojellere erişimi ve yeniliği artırabilmemizdir. Bu teknik basit, düşük maliyetlidir, birçok kimyaya kolayca uyarlanabilir ve hemen hemen her laboratuvarda uygulanabilir.
Hidrojel öncü çözeltisi ile 3 mililitrelik bir şırınga yükleyin. Pistonu boş bir 3 mililitrelik şırınganın arkasından çıkarın ve şırınga namlusunun üstüne bir uç kapağı ekleyin. Hidrojel öncü çözeltisini uç kapağıyla şırınga namlusuna aktarmak için 1.000 mikrolitrelik bir pipet kullanın.
Şırınga namlusunu hidrojel öncü çözeltisi ile bir elinizde uç kapağı aşağı bakacak ve namlunun açık ucu yukarı bakacak şekilde tutun. Şırınga pistonunu şırınga namlusunun arkasının açıklığına geri getirin. Şırınga pistonunu, şırınga namlusunun arkasındaki açıklığı kapatacak kadar yavaşça namluya itin, şırınga namlusunun arkasının pistonla kapatıldığından emin olmak için pistonu ve şırınga namlusunu dikkatlice bir arada tutun.
Şırıngayı, piston aşağı bakacak ve uç kapağı şimdi yukarı bakacak şekilde ters çevirin. Uç kapağını çıkarın ve tüm hava şırıngadan çıkarılana kadar pistonu yavaşça şırınga namlusuna itin. Uç kapağını şırıngaya yeniden takın.
Hidrojel öncü çözeltisinin, 3 mililitrelik şırınga içinde bir uç kapağı ile sabitlendiğinden emin olun. UV lambasını açmadan önce uygun kişisel koruyucu ekipman ve önlemlerin alındığından emin olun. Hidrojel öncü çözeltisi ile yüklenen 3 mililitrelik şırıngayı UV spot kür lambasının altına tamamen foto-çapraz bağlamak için istenen süre boyunca yerleştirin.
UV lambasını kapatın ve şırıngayı çıkarın. Hidrojelin artık şırınga içinde foto-çapraz bağlı olduğundan emin olun. Pistonu boş bir 3 mililitrelik şırınganın arkasından çıkarın.
Bir uç kapağını luer kilidine sabitleyin. Uç kapağını, foto-çapraz bağlı dökme hidrojeli içeren şırıngadan çıkarın. Hidrojel şırınganın üst kısmını, namlunun boş şırınga üzerindeki açıklığı ile hizalayın.
Toplu hidrojeli şırınga açıklığından boş şırınganın namlusuna ekstrüzyon yapın. Ekstrüde hidrojeli içeren şırıngayı, uç kapağı aşağı bakacak ve namlu açıklığı yukarı bakacak şekilde tutun. 1.000 mikrolitrelik bir pipet kullanarak, şırınga namlusuna 1,5 mikrolitre PBS ekleyin.
Şırınga pistonunu namlunun açıklığıyla hizalayın, sadece pistonu bir conta oluşturacak kadar zar zor itin. Şırıngayı, piston şimdi aşağı bakacak ve uç kapağı yukarı bakacak şekilde ters çevirin, pistonu ve şırınga namlusunu bir arada tuttuğunuzdan emin olun, böylece hiçbir hidrojel veya PBS sızmaz. Parçalanmış hidrojeli eklenen PBS ile karıştırmak için birkaç kez ters çevirin.
Şırıngayı, uç kapağı yukarı bakacak ve piston aşağı bakacak şekilde tutun. Uç kapağını çıkarın. Çok nazikçe, şırınganın içindeki herhangi bir havayı çıkarmak için pistonu yukarı doğru itin.
Parçalanmış mikrojeller oluşturmak için parçalanmış hidrojel çözeltisini bir dizi iğneden ekstrüzyon yapın. Parçalanmış hidrojel ve PBS içeren şırınganın tepesine künt uçlu 18 gauge iğne sabitleyin. Pistonu taze bir 3 mililitrelik şırıngadan çıkarın ve boş şırınga namlusuna bir uç kapağı sabitleyin.
Parçalanmış hidrojel çözeltisini 18 gauge iğneden boş şırınga namlusunun arkasına ekstrüzyon yapın. Boş şırıngayı ve iğneyi uygun keskin atık akışına atın. Hidrojel çözeltisinin ekstrüzyonunu 23, 27 ve 30 gauge iğne ile tekrarlayın.
Son ekstrüzyon adımında, parçalanmış mikrojel çözeltisini mikrosantrifüj tüplerine ekstrüzyon yapın. Parçalanmış mikrojel süspansiyonunu yıkayın ve izole edin. Bir mikrosantrifüj kullanarak, parçalanmış mikrojel çözeltisini 5 dakika boyunca 5.000 kez g'de döndürün.
Süper nantantı çıkarmak için bir pipet kullanın. Parçalanmış mikrojeller ve vorteks içeren her bir mikrosantrifüj tüpüne 5 ila 10 saniye boyunca 1 mililitre PBS ekleyin. Seyreltik parçalanmış mikrojel süspansiyonu oluşturmak için 20 mikrolitre parçalanmış mikrojel süspansiyonunu 180 mikrolitre PBS ile birleştirin.
İyice karıştırmak için vorteks. 50 mikrolitre seyreltik parçalanmış mikrojel süspansiyonunu bir cam mikroskop slaydına aktarın. 4x veya 10x zoom'da floresan etiketli mikrojellerin görüntülerini elde etmek için bir epifloresan mikroskop kullanın.
Vakumla çalışan filtrasyon kullanarak parçalanmış mikrojelleri reçel haline getirin. Vakumla çalışan filtreleme aparatını monte edin ve test edin. Bir Buchner hunisini bir filtre şişesinin içine sabitleyin.
Filtre şişesini bir vakum hattına bağlamak için boru kullanın. Buckner huni kabına bir membran filtre yerleştirin. Kadran valfini açarak vakum hattını açın.
Membran filtreye yaklaşık 0,5 mililitre PBS pipetleyerek bağlantıyı test edin ve tüm PBS'nin filtreden geçtiğini ve filtre şişesinin dibinde toplandığını gözlemleyin. Vakum hattını açtıktan ve tam bir sızdırmazlık sağladıktan sonra, parçalanmış mikrojel çözeltisini vorteksleyin. 1.000 mikrolitrelik bir pipet kullanarak, parçalanmış mikrojel çözeltisini membran filtresine aktarın.
Vakumun PBS'yi mikrojel çözeltisinden çıkarması için yaklaşık 30 saniye bekleyin. Vakum hattını kapatın. Taze bir 3 mililitrelik şırınga alın ve pistonu çıkarın.
Parçalanmış granüler hidrojeli filtreden çıkarmak ve boş şırınga varilinin arkasına aktarmak için metal bir spatula kullanın. Pistonu şırıngaya geri döndürün. Parçalanmış granüler hidrojeli şırıngaya yükleyin ve şimdi kullanıma hazırdır.
Uç kapağını çıkarın ve seçtiğiniz bir iğneyle değiştirin. Şırıngayı tercih ettiğiniz baskı platformuna yükleyin. Hazırlanan G-kod dosyasını planlama aşamasından 3D baskı yazılımına yükleyin.
Baskı Önizleme paneline gidin ve Print (Yazdır) düğmesine basın. Baskı biriktirme işlemi tamamlanır tamamlanmaz, parçalanmış granüler hidrojel yapılarını foto-çapraz bağlama ve stabilizasyon için UV ışığına maruz bırakın. Ekstrüzyon parçalanması, çapları 10 ila 300 mikrometre arasında değişen pürüzlü çokgen şekillerine sahip mikrojeller verir.
Dairesellik 0,2 ila neredeyse 1 arasında değişir ve en boy oranı 1 ila 3 arasında değişir. Bu parametreler, parçalanma işleminin oluşturduğu düzensiz ve pürüzlü mikrojel şekillerini tanımlar. Santrifüjleme veya vakumla çalışan filtreleme kullanılarak bir araya getirildiğinde, monte edilmiş granüler hidrojel kesme inceltme ve kendi kendini iyileştirme özelliğine sahiptir.
Parçalanmış granüler hidrojel, enjekte edilebilir bir hidrojel için yüksek şekilli doğruluk ve mekanik bütünlüğe sahiptir. 3D baskı için parçalanmış granüler hidrojellerin kullanılmasına ek olarak, bu sistemler in vitro hücre kültürü platformlarının yanı sıra doku onarımı ve ilaç dağıtımı için enjekte edilebilir sistemler olarak da kullanılabilir. Bu basit ve düşük maliyetli yöntemler, granüler hidrojel biyomalzemelerin avantajlarını daha fazla araştırmacıya getirerek, granüler hidrojel üretimine daha fazla erişim ve biyomalzemeler alanında inovasyon sağlar.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu çalışma, ekstrüzyon parçalanmasıyla mikrojel oluşturmanın basit, uyarlanabilir ve düşük maliyetli yöntemlerini açıklar. Mikrojeller, biyomedikal uygulamalar için ekstrüzyon baskı mürekkepleri olarak uygulanabilen enjekte edilebilir granüler hidrojeller halinde işlenir.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Biyomedikal mühendisliği
- Malzeme bilimi
- Biyomalzemeler
Arka Plan
- Granüler hidrojeller, biyomedikal uygulamalar için avantajlı özelliklere sahip yeni bir biyomalzeme sınıfıdır.
- Biyomedikal uygulamalar için birçok avantajlı özelliğe sahiptirler.
- Yenilikçi yöntemlere erişim, bu alanda araştırmayı geliştirebilir.
- Teknikler basit ve düşük maliyetlidir, bu da onları çeşitli laboratuvarlara erişilebilir kılar.
Çalışmanın Amacı
- Granüler hidrojelere erişimi artırmak için yöntemleri paylaşmak.
- Bu malzemelerin biyomedikal uygulamalarda kullanımında inovasyonu teşvik etmek.
- Bu hidrojellerin üretimi için basit bir yaklaşım sağlamak.
Kullanılan Yöntemler
- Mikrojel oluşturmak için ekstrüzyon parçalanması.
- Mikrojelleri enjekte edilebilir granüler hidrojellere işlemek.
- Granüler hidrojellerin ekstrüzyon baskı mürekkepleri olarak kullanımı.
- Çeşitli laboratuvar ortamlarında uygulama.
Ana Sonuçlar
- Hidrojel üretimi için düşük maliyetli yöntemler gösterildi.
- Farklı kimyasallara uyarlanabilirlik gösterildi.
- Hidrojel öncü çözeltilerinin yüklenmesi için bir protokol sağlandı.
- Araştırmada granüler hidrojelere daha geniş erişimi teşvik etti.
Sonuçlar
- Granüler hidrojeller, basit yöntemlerle etkili bir şekilde üretilebilir.
- Teknikler, biyomedikal uygulamaları kolaylaştırabilir.
- Artan erişilebilirlik, alanda daha fazla yenilikçiliğe yol açabilir.
Sıkça Sorulan Sorular
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
