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Bioengenharia

Frammentazione di idrogel sfusi e lavorazione in idrogel granulari per applicazioni biomediche

Published: May 17, 2022
doi:
10.3791/63867
, ,
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

Questo lavoro descrive metodi semplici, adattabili e a basso costo per fabbricare microgel con frammentazione di estrusione, elaborare i microgel in idrogel granulari iniettabili e applicare gli idrogel granulari come inchiostri da stampa per estrusione per applicazioni biomediche.

Abstract

Gli idrogel granulari sono gruppi inceppati di microparticelle di idrogel (cioè “microgel”). Nel campo dei biomateriali, gli idrogel granulari hanno molte proprietà vantaggiose, tra cui iniettabilità, porosità su microscala e sintoniabilità mescolando più popolazioni di microgel. I metodi per fabbricare microgel spesso si basano su emulsioni acqua-in-olio (ad esempio, microfluidica, emulsioni batch, elettrospraying) o fotolitografia, che possono presentare elevate richieste in termini di risorse e costi e potrebbero non essere compatibili con molti idrogel. Questo lavoro descrive metodi semplici ma altamente efficaci per fabbricare microgel utilizzando la frammentazione dell’estrusione e per elaborarli in idrogel granulari utili per applicazioni biomediche (ad esempio, inchiostri per stampa 3D). In primo luogo, gli idrogel sfusi (utilizzando l’acido ialuronico fotocollegabile (HA) come esempio) vengono estrusi attraverso una serie di aghi con diametri sequenzialmente più piccoli per formare microgel frammentati. Questa tecnica di fabbricazione in microgel è rapida, a basso costo e altamente scalabile. Vengono descritti i metodi per inceppare i microgel in idrogel granulari mediante centrifugazione e filtrazione sotto vuoto, con post-reticolazione opzionale per la stabilizzazione dell’idrogel. Infine, gli idrogel granulari fabbricati da microgel frammentati sono dimostrati come inchiostri da stampa per estrusione. Mentre gli esempi qui descritti utilizzano HA fotocollegabile per la stampa 3D, i metodi sono facilmente adattabili per un’ampia varietà di tipi di idrogel e applicazioni biomediche.

Introduction

Gli idrogel granulari sono fabbricati attraverso l’imballaggio di particelle di idrogel (cioè microgel) e sono una classe entusiasmante di biomateriali con molte proprietà vantaggiose per applicazioni biomediche 1,2,3. A causa della loro struttura particolata, gli idrogel granulari sono diradamento del taglio e auto-guarigione, consentendo il loro uso come inchiostri per la stampa di estrusione (bio) inchiostri, supporti granulari per la stampa incorporata e terapie iniettabili 4,5,6,7,8,9. Inoltre, lo spazio vuoto tra i microgel fornisce una porosità su microscala per il movimento cellulare e la diffusione molecolare 8,10,11. Inoltre, più popolazioni di microgel possono essere combinate in un’unica formulazione per consentire una maggiore sintonizzazione e funzionalità del materiale 8,10,12,13. Queste importanti proprietà hanno motivato la rapida espansione dello sviluppo di idrogel granulare negli ultimi anni.

È disponibile una gamma di metodi per formare microgel verso la fabbricazione di idrogel granulari, ognuno con i propri vantaggi e svantaggi. Ad esempio, i microgel sono spesso formati da emulsioni acqua-in-olio che utilizzano microfluidica a goccia 4,11,13,14,15,16,17, emulsioni batch 7,18,19,20,21,22 o elettrospruzzi 6,23, 24,25. Questi metodi producono microgel sferici con diametri uniformi (microfluidici) o polidispersi (emulsioni batch, elettrosperatori). Esistono alcune limitazioni a questi metodi di fabbricazione di emulsioni acqua-in-olio, tra cui la produzione potenzialmente a bassa produttività, la necessità di soluzioni precursori di idrogel a bassa viscosità e l’elevato costo e le risorse per l’installazione. Inoltre, questi protocolli possono richiedere oli e tensioattivi aggressivi che devono essere lavati dai microgel utilizzando procedure che aggiungono fasi di lavorazione e possono essere difficili da tradurre in condizioni sterili per applicazioni biomediche in molti laboratori. Eliminando la necessità di emulsioni acqua-in-olio, può essere utilizzata anche la (foto)litografia, dove vengono utilizzati stampi o fotomaschere per controllare la polimerizzazione di microgel da soluzioni precursori di idrogel 1,26,27. Come la microfluidica, questi metodi possono essere limitati nella loro produttività, il che rappresenta una grande sfida quando sono necessari grandi volumi.

In alternativa a questi metodi, la frammentazione meccanica di idrogel sfusi è stata utilizzata per fabbricare microgel con dimensioni irregolari 19,28,29,30,31,32. Ad esempio, gli idrogel sfusi possono essere preformati e successivamente passati attraverso reti o setacci per formare microgel frammentati, un processo che è stato fatto anche in presenza di cellule all’interno di filamenti di microgel33,34. Gli idrogel sfusi sono stati anche trasformati in microgel con interruzione meccanica utilizzando tecniche come la macinazione con mortaio e pestello o attraverso l’uso di frullatori commerciali 35,36,37. Altri hanno anche usato l’agitazione meccanica durante la formazione di idrogel per fabbricare microgel frammentati (cioè gel fluidi)31.

I metodi qui descritti espandono queste tecniche di frammentazione meccanica e presentano un approccio semplice per fabbricare microgel con frammentazione di estrusione, utilizzando idrogel di acido ialuronico fototrasferibile (HA) come esempio. La frammentazione dell’estrusione utilizza solo siringhe e aghi per fabbricare microgel frammentati in un metodo a basso costo, ad alta produttività e facilmente scalabile che è appropriato per una vasta gamma di idrogel19,32. Inoltre, i metodi per assemblare questi microgel frammentati in idrogel granulari sono descritti utilizzando la centrifugazione (imballaggio basso) o la filtrazione sottovuoto (imballaggio alto). Infine, l’applicazione di questi idrogel granulari frammentati viene discussa per l’uso come inchiostro da stampa per estrusione. L’obiettivo di questo protocollo è quello di introdurre metodi semplici che siano adattabili a un’ampia varietà di idrogel e possano essere implementati praticamente in qualsiasi laboratorio interessato agli idrogel granulari.

Protocol

1. Fabbricazione di idrogel sfusi all’interno di una siringa utilizzando il photocrosslinking NOTA: una panoramica della fabbricazione di idrogel sfuso all’interno di una siringa mediante fotocollegamento è mostrata nella Figura 1. Questo protocollo utilizza acido ialuronico modificato dal norbornene (NorHA) per fabbricare idrogel di massa utilizzando una reazione tiolo-ene foto-mediata. Le procedure dettagliate per la sintesi di NorHA sono descrit…

Representative Results

I risultati rappresentativi di questi protocolli sono mostrati nella Figura 3 e nella Figura 6. La frammentazione dell’estrusione produce microgel con forme poligonali frastagliate con diametri compresi tra 10 e 300 μm (Figura 3). Inoltre, la circolarità varia da 0,2 (non circolare) a quasi 1 (cerchio perfetto) e le proporzioni vanno da 1 a 3 (Figura 3). Questi parametri descrivono le forme irregolari…

Discussion

Qui vengono descritti i metodi per fabbricare idrogel granulari utilizzando microgel frammentati per estrusione e imballaggio mediante centrifugazione o filtrazione sotto vuoto. Rispetto ad altri metodi di fabbricazione di microgel (ad esempio, microfluidica, emulsioni batch, elettrospruzzi, fotolitografia), la fabbricazione di microgel a frammentazione di estrusione è altamente rapida, a basso costo, facilmente scalabile e suscettibile di un’ampia varietà di sistemi di idrogel. Inoltre, questo protocollo è altamente …

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo lavoro è stato supportato dalla National Science Foundation attraverso il programma UPenn MRSEC (DMR-1720530) e borse di ricerca universitarie (a V.G.M e M.E.P.) e il National Institutes of Health (R01AR077362 a J.A.B.).

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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Granular HydrogelsBiomaterialsHydrogel PrecursorPhoto-crosslinkingUV CuringExtrusionSyringeBiomedical Applications

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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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