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Bioengenharia

जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए दानेदार हाइड्रोगेल में खंडित थोक हाइड्रोगेल और प्रसंस्करण

Published: May 17, 2022
doi:
10.3791/63867
Victoria G. Muir1, Margaret E. Prendergast1, Jason A. Burdick1,2,3
1Department of Bioengineering, School of Engineering and Applied Sciences,University of Pennsylvania, 2BioFrontiers Institute,University of Colorado Boulder, 3Department of Chemical and Biological Engineering, College of Engineering and Applied Science,University of Colorado Boulder

Summary

यह काम एक्सट्रूज़न विखंडन के साथ माइक्रोगेल बनाने के लिए सरल, अनुकूलनीय और कम लागत वाले तरीकों का वर्णन करता है, माइक्रोगेल को इंजेक्शन दानेदार हाइड्रोगेल में संसाधित करता है, और जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए एक्सट्रूज़न प्रिंटिंग स्याही के रूप में दानेदार हाइड्रोगेल लागू करता है।

Abstract

दानेदार हाइड्रोगेल हाइड्रोगेल माइक्रोपार्टिकल्स (यानी, “माइक्रोगेल”) की जाम असेंबली हैं। बायोमैटेरियल्स के क्षेत्र में, दानेदार हाइड्रोगेल में कई फायदेमंद गुण होते हैं, जिनमें कई माइक्रोगेल आबादी को मिलाकर इंजेक्शन, माइक्रोस्केल पोरसिटी और ट्यूनेबिलिटी शामिल हैं। माइक्रोगेल बनाने के तरीके अक्सर पानी में तेल पायस (जैसे, माइक्रोफ्लुइडिक्स, बैच इमल्शन, इलेक्ट्रोस्प्रेइंग) या फोटोलिथोग्राफी पर भरोसा करते हैं, जो संसाधनों और लागतों के मामले में उच्च मांग पेश कर सकते हैं, और कई हाइड्रोगेल के साथ संगत नहीं हो सकते हैं। यह काम एक्सट्रूज़न विखंडन का उपयोग करके माइक्रोगेल बनाने और उन्हें बायोमेडिकल अनुप्रयोगों (जैसे, 3 डी प्रिंटिंग स्याही) के लिए उपयोगी दानेदार हाइड्रोगेल में संसाधित करने के लिए सरल लेकिन अत्यधिक प्रभावी तरीकों का विवरण देता है। सबसे पहले, थोक हाइड्रोगेल (एक उदाहरण के रूप में फोटोक्रॉसलिंक करने योग्य हाइलूरोनिक एसिड (एचए) का उपयोग करके) को खंडित माइक्रोगेल बनाने के लिए क्रमिक रूप से छोटे व्यास के साथ सुइयों की एक श्रृंखला के माध्यम से बाहर निकाला जाता है। यह माइक्रोगेल निर्माण तकनीक तेजी से, कम लागत वाली और अत्यधिक स्केलेबल है। हाइड्रोगेल स्थिरीकरण के लिए वैकल्पिक पोस्ट-क्रॉसलिंकिंग के साथ सेंट्रीफ्यूजेशन और वैक्यूम-संचालित निस्पंदन द्वारा दानेदार हाइड्रोगेल में माइक्रोगेल को जाम करने के तरीकों का वर्णन किया गया है। अंत में, खंडित माइक्रोगेल से निर्मित दानेदार हाइड्रोगेल को एक्सट्रूज़न प्रिंटिंग स्याही के रूप में प्रदर्शित किया जाता है। जबकि यहां वर्णित उदाहरण 3 डी प्रिंटिंग के लिए फोटोक्रॉसलिंक करने योग्य एचए का उपयोग करते हैं, विधियां विभिन्न प्रकार के हाइड्रोगेल प्रकारों और बायोमेडिकल अनुप्रयोगों के लिए आसानी से अनुकूलनीय हैं।

Introduction

दानेदार हाइड्रोगेल हाइड्रोगेल कणों (यानी, माइक्रोगेल) की पैकिंग के माध्यम से गढ़े जाते हैं और जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों 1,2,3 के लिए कई फायदेमंद गुणों के साथ बायोमैटेरियल्स का एक रोमांचक वर्ग हैं। उनकी कण संरचना के कारण, दानेदार हाइड्रोगेल कतरनी-पतला और आत्म-उपचार हैं, जो एक्सट्रूज़न प्रिंटिंग (जैव) स्याही के रूप में उनके उपयोग की अनुमति देते हैं, एम्बेडेड प्रिंटिंग के लिए दानेदार समर्थन करता है, और इंजेक्शन चिकित्सीय 4,5,6,7,8,9। इसके अतिरिक्त, माइक्रोगेल के बीच शून्य स्थान सेल आंदोलन और आणविक प्रसार 8,10,11 के लिए एक माइक्रोस्केल छिद्र प्रदान करता है। इसके अलावा, बढ़ी हुई ट्यूनेबिलिटी और सामग्री कार्यक्षमता 8,10,12,13 की अनुमति देने के लिए कई माइक्रोगेल आबादी को एक ही फॉर्मूलेशन में जोड़ा जा सकता है। इन महत्वपूर्ण गुणों ने हाल के वर्षों में दानेदार हाइड्रोगेल विकास के तेजी से विस्तार को प्रेरित किया है।

दानेदार हाइड्रोगेल निर्माण की दिशा में माइक्रोगेल बनाने के लिए कई तरीके उपलब्ध हैं, जिनमें से प्रत्येक के अपने फायदे और नुकसान हैं। उदाहरण के लिए, माइक्रोगेल अक्सर छोटी बूंद माइक्रोफ्लुइडिक्स 4,11,13,14,15,16,17, बैच इमल्शन 7,18,19,20,21,22, या इलेक्ट्रोस्प्रेइंग 6,23, का उपयोग करके पानी में तेल पायस से बनते हैं, 24,25. इन विधियों में या तो समान (माइक्रोफ्लुइडिक्स) या पॉलीडिस्पर्स (बैच इमल्शन, इलेक्ट्रोस्प्रेइंग) व्यास के साथ गोलाकार माइक्रोगेल उत्पन्न होते हैं। इन वाटर-इन-ऑयल इमल्शन फैब्रिकेशन विधियों की कुछ सीमाएं हैं, जिनमें संभावित रूप से कम-थ्रूपुट उत्पादन, कम चिपचिपाहट हाइड्रोगेल अग्रदूत समाधान की आवश्यकता और सेटअप के लिए उच्च लागत और संसाधन शामिल हैं। इसके अतिरिक्त, इन प्रोटोकॉल को कठोर तेलों और सर्फैक्टेंट्स की आवश्यकता हो सकती है जिन्हें प्रसंस्करण चरणों को जोड़ने वाली प्रक्रियाओं का उपयोग करके माइक्रोगेल से धोया जाना चाहिए, और कई प्रयोगशालाओं में बायोमेडिकल अनुप्रयोगों के लिए बाँझ स्थितियों में अनुवाद करना मुश्किल हो सकता है। पानी में तेल पायस की आवश्यकता को दूर करते हुए, (फोटो) लिथोग्राफी का भी उपयोग किया जा सकता है, जहां हाइड्रोगेल अग्रदूत समाधान 1,26,27 से माइक्रोगेल के इलाज को नियंत्रित करने के लिए मोल्ड या फोटोमास्क का उपयोग किया जाता है। माइक्रोफ्लुइडिक्स की तरह, इन विधियों को उनके उत्पादन थ्रूपुट में सीमित किया जा सकता है, जो बड़ी मात्रा में आवश्यक होने पर एक बड़ी चुनौती है।

इन विधियों के विकल्प के रूप में, थोक हाइड्रोगेल के यांत्रिक विखंडन का उपयोग अनियमित आकार 19,28,29,30,31,32 के साथ माइक्रोगेल बनाने के लिए किया गया है। उदाहरण के लिए, थोक हाइड्रोगेल को पूर्व-गठित किया जा सकता है और बाद में खंडित माइक्रोगेल बनाने के लिए जाल या छलनी के माध्यम से पारित किया जा सकता है, एक प्रक्रिया जो माइक्रोगेल किस्में33,34 के भीतर कोशिकाओं की उपस्थिति में भी की गई है। थोक हाइड्रोगेल को मोर्टार और मूसल के साथ पीसने या वाणिज्यिक ब्लेंडर35,36,37 के उपयोग के माध्यम से यांत्रिक व्यवधान के साथ माइक्रोगेल में भी संसाधित किया गया है। दूसरों ने खंडित माइक्रोगेल (यानी, द्रव जैल) 31 बनाने के लिए हाइड्रोगेल गठन के दौरान यांत्रिक आंदोलन का भी उपयोग किया है।

यहां विधियां इन यांत्रिक विखंडन तकनीकों पर विस्तार करती हैं और एक उदाहरण के रूप में फोटोक्रॉसलिंकेबल हाइलूरोनिक एसिड (एचए) हाइड्रोगेल का उपयोग करके, एक्सट्रूज़न विखंडन के साथ माइक्रोगेल बनाने के लिए एक सरल दृष्टिकोण प्रस्तुत करती हैं। एक्सट्रूज़न विखंडन कम लागत, उच्च थ्रूपुट और आसानी से स्केलेबल विधि में खंडित माइक्रोगेल बनाने के लिए केवल सिरिंज और सुइयों का उपयोग करता है जो हाइड्रोगेल19,32 की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए उपयुक्त है। इसके अलावा, इन खंडित माइक्रोगेल को दानेदार हाइड्रोगेल में इकट्ठा करने के तरीकों को या तो सेंट्रीफ्यूजेशन (कम पैकिंग) या वैक्यूम-चालित निस्पंदन (उच्च पैकिंग) का उपयोग करके वर्णित किया गया है। अंत में, इन खंडित दानेदार हाइड्रोगेल के आवेदन को एक्सट्रूज़न प्रिंटिंग स्याही के रूप में उपयोग के लिए चर्चा की जाती है। इस प्रोटोकॉल का लक्ष्य सरल तरीकों को पेश करना है जो विभिन्न प्रकार के हाइड्रोगेल के अनुकूल हैं और दानेदार हाइड्रोगेल में रुचि रखने वाली लगभग किसी भी प्रयोगशाला में लागू किया जा सकता है।

Protocol

1. फोटोक्रॉसलिंकिंग का उपयोग करके सिरिंज के अंदर थोक हाइड्रोगेल बनाना नोट: फोटोक्रॉसलिंकिंग का उपयोग करके एक सिरिंज के अंदर थोक हाइड्रोगेल निर्माण का अवलोकन चित्रा 1 में दि?…

Representative Results

इन प्रोटोकॉल से प्रतिनिधि परिणाम चित्रा 3 और चित्रा 6 में दिखाया गया है। एक्सट्रूज़न विखंडन 10-300 μm (चित्रा 3) से लेकर व्यास के साथ दांतेदार, बहुभुज आकार के साथ माइक्रोगेल प…

Discussion

इसमें, एक्सट्रूज़न खंडित माइक्रोगेल का उपयोग करके दानेदार हाइड्रोगेल बनाने के तरीकों और सेंट्रीफ्यूजेशन या वैक्यूम-संचालित निस्पंदन द्वारा पैकिंग का वर्णन किया गया है। अन्य माइक्रोगेल निर्माण वि?…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

इस काम को यूपेन एमआरएसईसी कार्यक्रम (डीएमआर -1720530) और स्नातक अनुसंधान फैलोशिप (वीजीएम और एमईपी के लिए) और राष्ट्रीय स्वास्थ्य संस्थान (आर 01 एआर 077362 से जेएबी) के माध्यम से राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन द्वारा समर्थित किया गया था।

Materials

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
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Muir, V. G., Prendergast, M. E., Burdick, J. A. Fragmenting Bulk Hydrogels and Processing into Granular Hydrogels for Biomedical Applications. J. Vis. Exp. (183), e63867, doi:10.3791/63867 (2022).
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