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, hidrojel mikropartiküllerinin (yani, “mikrojeller”) sıkışmış montajlarıdır. Biyomalzemeler alanında, granüler hidrojeller, enjekte edilebilirlik, mikro ölçekli gözeneklilik ve çoklu mikrojel popülasyonlarını karıştırarak ayarlanabilirlik gibi birçok avantajlı özelliğe sahiptir. Mikrojelleri üretme yöntemleri genellikle yağda su emülsiyonlarına (örneğin, mikroakışkanlar, toplu emülsiyonlar, elektropüskürtme) veya fotolitografiye dayanır, bu da kaynaklar ve maliyetler açısından yüksek talepler sunabilir ve birçok hidrojelle uyumlu olmayabilir. Bu çalışma, ekstrüzyon parçalanması kullanarak mikrojelleri üretmek ve bunları biyomedikal uygulamalar için yararlı granüler hidrojellere (örneğin, 3D baskı mürekkepleri) işlemek için basit ama oldukça etkili yöntemleri detaylandırmaktadır. İlk olarak, dökme hidrojeller (örnek olarak fotokrolinklenebilir hyaluronik asit (HA) kullanılarak), parçalanmış mikrojeller oluşturmak için sırayla daha küçük çaplara sahip bir dizi iğne yoluyla ekstrüde edilir. Bu mikrojel üretim tekniği hızlı, düşük maliyetli ve yüksek oranda ölçeklenebilir. Santrifüjleme ve vakumla çalışan filtreleme yoluyla mikrojelleri granüler hidrojellere sıkıştırma yöntemleri, hidrojel stabilizasyonu için isteğe bağlı çapraz bağlama sonrası ile açıklanmaktadır. Son olarak, parçalanmış mikrojellerden imal edilen granüler hidrojeller, ekstrüzyon baskı mürekkepleri olarak gösterilmektedir. Burada açıklanan örnekler 3D baskı için fotokros bağlanabilir HA kullanırken, yöntemler çok çeşitli hidrojel türleri ve biyomedikal uygulamalar için kolayca uyarlanabilir.
Granüler hidrojeller, hidrojel partiküllerinin (yani mikrojellerin) paketlenmesiyle üretilir ve biyomedikal uygulamalar için birçok avantajlı özelliğe sahip heyecan verici bir biyomalzeme sınıfıdır 1,2,3. Partikül yapıları nedeniyle, granüler hidrojeller kesme inceltici ve kendi kendini iyileştiricidir, ekstrüzyon baskı (biyo) mürekkepleri, gömülü baskı için granüler destekler ve enjekte edilebilir terapötikler 4,5,6,7,8,9 olarak kullanılmalarına izin verir. Ek olarak, mikrojeller arasındaki boşluk, hücre hareketi ve moleküler difüzyon8,10,11 için mikro ölçekli bir gözeneklilik sağlar. Ayrıca, çoklu mikrojel popülasyonları, gelişmiş ayarlanabilirlik ve malzeme işlevselliğisağlamak için tek bir formülasyonda birleştirilebilir 8,10,12,13. Bu önemli özellikler, son yıllarda granüler hidrojel gelişiminin hızlı genişlemesini motive etmiştir.
Granüler hidrojel üretimine yönelik mikrojeller oluşturmak için, her biri kendi avantaj ve dezavantajlarına sahip bir dizi yöntem mevcuttur. Örneğin, mikrojeller genellikle damlacık mikroakışkanları 4,11,13,14,15,16,17, toplu emülsiyonlar 7,18,19,20,21,22 veya elektropüskürtme 6,23 kullanılarak yağda su emülsiyonlarından oluşturulur. 24,25. Bu yöntemler, üniform (mikroakışkanlar) veya polidispers (toplu emülsiyonlar, elektropüskürtme) çaplara sahip küresel mikrojeller verir. Bu yağda su emülsiyonu üretim yöntemlerinde, potansiyel olarak düşük verimli üretim, düşük viskoziteli hidrojel öncü çözümlerine duyulan ihtiyaç ve kurulum için yüksek maliyet ve kaynaklar dahil olmak üzere bazı sınırlamalar vardır. Ek olarak, bu protokoller, işleme adımları ekleyen prosedürler kullanılarak mikrojellerden yıkanması gereken sert yağlar ve yüzey aktif maddeler gerektirebilir ve birçok laboratuvarda biyomedikal uygulamalar için steril koşullara çevrilmesi zor olabilir. Yağda su emülsiyonlarına olan ihtiyacı ortadan kaldırarak, mikrojellerin hidrojel öncü çözeltilerinden kürlenmesini kontrol etmek için kalıpların veya fotomaskelerin kullanıldığı (foto) litografi de kullanılabilir 1,26,27. Mikroakışkanlar gibi, bu yöntemler de üretim çıktılarında sınırlı olabilir, bu da büyük hacimlere ihtiyaç duyulduğunda büyük bir zorluktur.
Bu yöntemlere alternatif olarak, dökme hidrojellerin mekanik parçalanması, düzensiz boyutlarda 19,28,29,30,31,32 mikrojellerin üretilmesinde kullanılmıştır. Örneğin, dökme hidrojeller önceden oluşturulabilir ve daha sonra parçalanmış mikrojeller oluşturmak için ağlardan veya eleklerden geçirilebilir, bu işlem mikrojel iplikçikleri içindeki hücrelerin varlığında bile yapılmıştır33,34. Dökme hidrojeller ayrıca harç ve havaneli ile taşlama gibi teknikler kullanılarak veya ticari karıştırıcılar kullanılarak mekanik bozulma ile mikrojellere işlenmiştir35,36,37. Diğerleri ayrıca parçalanmış mikrojelleri (yani sıvı jelleri) üretmek için hidrojel oluşumu sırasında mekanik ajitasyon kullanmışlardır31.
Buradaki yöntemler, bu mekanik parçalanma tekniklerini genişletmekte ve örnek olarak fotokrolinklenebilir hyaluronik asit (HA) hidrojelleri kullanarak, ekstrüzyon fragmanı ile mikrojellerin üretilmesi için basit bir yaklaşım sunmaktadır. Ekstrüzyon parçalanması, parçalanmış mikrojelleri çok çeşitli hidrojeller için uygun olan düşük maliyetli, yüksek verimli ve kolayca ölçeklenebilir bir yöntemle üretmek için yalnızca şırıngalar ve iğneler kullanır19,32. Ayrıca, bu parçalanmış mikrojelleri granüler hidrojellere monte etme yöntemleri, santrifüjleme (düşük paketleme) veya vakum tahrikli filtreleme (yüksek paketleme) kullanılarak tanımlanmıştır. Son olarak, bu parçalanmış granüler hidrojellerin uygulanması, ekstrüzyon baskı mürekkebi olarak kullanılmak üzere tartışılmıştır. Bu protokolün amacı, çok çeşitli hidrojellere uyarlanabilen ve granüler hidrojellerle ilgilenen hemen hemen her laboratuvarda uygulanabilen basit yöntemler sunmaktır.
Burada, ekstrüzyon parçalı mikrojeller kullanılarak granüler hidrojellerin üretilmesi ve santrifüjleme veya vakum tahrikli filtrasyon yoluyla ambalajlanması yöntemleri açıklanmaktadır. Diğer mikrojel üretim yöntemleriyle (yani, mikroakışkanlar, toplu emülsiyonlar, elektropüskürtme, fotolitografi) karşılaştırıldığında, ekstrüzyon parçalanması mikrojel üretimi oldukça hızlı, düşük maliyetli, kolayca ölçeklenebilir ve çok çeşitli hidrojel sistemlerine uygundur. Ayrıca, bu protokol…
The authors have nothing to disclose.
Bu çalışma, Ulusal Bilim Vakfı tarafından UPenn MRSEC programı (DMR-1720530) ve lisansüstü araştırma bursları (V.G.M ve M.E.P.) ve Ulusal Sağlık Enstitüleri (R01AR077362 ila J.A.B.) aracılığıyla desteklenmiştir.
15 mL Plastic Conical Centrifuge Tube | Corning | 430766 | |
30 G NT Premium Series Dispensing Tip | Jensen Global | JG30-0.5HPX | Catalog Number listed here is for 30 G, 0.5" needle. Various sizes are available. |
BD Disposable Syringes with Luer-Lok Tips (3 mL) | Fisher Scientific | 14-823-435 | Catalog Number listed here is for 3 mL syringe. Various sizes are available (14-823-XXX). |
Black folders | Various Vendors | ||
Disposable Probe Needle For Use With Syringes and Dispensing Machines (18 G, 0.5") | Grainger | 5FVH5 | Catalog Number listed here is for 18 G, 0.5" needle. Various sizes are available. |
Disposable Probe Needle For Use With Syringes and Dispensing Machines (23 G, 0.5") | Grainger | 5FVJ3 | |
Disposable Probe Needle For Use With Syringes and Dispensing Machines (27 G, 1.5") | Grainger | 5FVL0 | |
Dulbecco's Phosphate Buffered Saline | Fisher Scientific | 14190-250 | Catalog Number listed here is for a case of 10 x 500 mL bottles. |
Durapore Membrane Filter, 0.22 µm | Millipore | GVWP04700 | |
Epifluorescent or confocal microscope | Various Vendors | To visualize microgels and granular hydrogels | |
Eppendorf Snap-Cap Microcentrifuge Safe-Lock Tubes | Fisher Scientific | 05-402-25 | |
Extrusion printer | Custom-built | Other extrusion printers can be use,d such as commercially available BIOX. | |
Filter Adapters | Fisher Scientific | 05-888-107 | Catalog Number listed here is for a set of multiple sizes. Various sizes are available (05-888-XXX). |
Filter Flask | Various Vendors | ||
Fluorescein isothiocyanate-dextran (2 MDa) | Sigma-Aldrich | 52471 | |
Glass microscope slide | Various Vendors | ||
ImageJ | National Institutes of Health | "Analyze Particles" information link: https://imagej.nih.gov/ij/docs/menus/analyze.html | |
Laptop | Various Vendors | ||
Luer-Lock Tip Caps | Integrated Dispensin g Solutions | 9991329 | |
Metal spatula for scooping | Various Vendors | ||
Microcentrifuge | Various Vendors | Capable of speed up to 18,000 x g | |
Microscoft Execl | Microsoft | Other programs can be used, such as Google Slides. | |
OmniCure S2000 Spot UV Curing System | Excelitas Technologies | S2000 | Different light systems may be used to fabricate bulk hydrogels if desired. |
Porcelain Buchner Funnel with Fixed Perforated Plate | Fisher Scientific | FB966C | Catalog Number listed here is for 56mm diameter plate. Various sizes are available. |
Radiometer | Various Vendors | ||
Repetier Host | Hot-World GmbH & Co. KG | 3D printing software | |
Screw-based extrusion printer | Various Vendors | This study used a custom-modified 3D FDM printer (Velleman K8200). Many alternatives are available. | |
Solidworks/CAD software | Dassault Systèmes SolidWorks Corporation | Other programs can be used, such as Blender or TinkerCAD. | |
Tubing to Connect Filter Flask to Vacuum Line | Various Vendors | ||
UV Eye Protection (i.e., safety glasses) | Various Vendors |