Dette arbeidet beskriver enkle, tilpasningsdyktige og rimelige metoder for å fremstille mikrogeler med ekstruderingsfragmentering, behandle mikrogelene i injiserbare granulære hydrogeler, og bruke granulære hydrogeler som ekstruderingstrykkfarger for biomedisinske applikasjoner.
Granulære hydrogeler er fastkjørte samlinger av hydrogelmikropartikler (dvs. “mikrogeler”). Innen biomaterialer har granulære hydrogeler mange fordelaktige egenskaper, inkludert injiserbarhet, mikroskala porøsitet og tunabilitet ved å blande flere mikrogelpopulasjoner. Metoder for å fremstille mikrogeler er ofte avhengige av vann-i-olje-emulsjoner (f.eks. mikrofluidikk, batchemulsjoner, elektrospraying) eller fotolitografi, som kan utgjøre høye krav når det gjelder ressurser og kostnader, og kan ikke være kompatible med mange hydrogeler. Dette arbeidet beskriver enkle, men svært effektive metoder for å fremstille mikrogeler ved hjelp av ekstruderingsfragmentering og for å behandle dem i granulære hydrogeler som er nyttige for biomedisinske applikasjoner (f.eks. 3D-trykkfarger). For det første ekstruderes bulkhydrgeler (ved hjelp av fotocrosslinkable hyaluronsyre (HA) som et eksempel) gjennom en rekke nåler med sekvensielt mindre diametre for å danne fragmenterte mikrogeler. Denne mikrogel fabrikasjonsteknikken er rask, rimelig og svært skalerbar. Metoder for å jamme mikrogeler i granulære hydrogeler ved sentrifugering og vakuumdrevet filtrering er beskrevet, med valgfri post-crosslinking for hydrogelstabilisering. Til slutt er granulære hydrogeler fremstilt av fragmenterte mikrogeler demonstrert som ekstruderingstrykkfarger. Mens eksemplene som er beskrevet her, bruker fotocrosslinkable HA for 3D-utskrift, er metodene lett tilpasningsdyktige for et bredt utvalg av hydrogeltyper og biomedisinske applikasjoner.
Granulære hydrogeler fremstilles gjennom pakking av hydrogelpartikler (dvs. mikrogeler) og er en spennende klasse biomaterialer med mange fordelaktige egenskaper for biomedisinske applikasjoner 1,2,3. På grunn av deres partikkelstruktur er granulære hydrogeler skjærfortynnende og selvhelbredende, noe som gjør det mulig å bruke dem som ekstruderingstrykk (bio)blekk, granulære støtter for innebygd utskrift og injiserbare terapeutiske behandlinger 4,5,6,7,8,9. I tillegg gir det tomme rommet mellom mikrogeler en mikroskala porøsitet for cellebevegelse og molekylær diffusjon 8,10,11. Videre kan flere mikrogelpopulasjoner kombineres til en enkelt formulering for å muliggjøre forbedret tunabilitet og materialfunksjonalitet 8,10,12,13. Disse viktige egenskapene har motivert den raske utvidelsen av granulær hydrogelutvikling de siste årene.
Det finnes en rekke metoder tilgjengelig for å danne mikrogeler mot granulær hydrogelproduksjon, hver med sine egne fordeler og ulemper. For eksempel dannes mikrogeler ofte av vann-i-olje-emulsjoner ved hjelp av dråpemikrofluidikk 4,11,13,14,15,16,17, batchemulsjoner 7,18,19,20,21,22 eller elektrospraying 6,23, 24,25. Disse metodene gir sfæriske mikrogeler med enten ensartede (mikrofluidikk) eller polydisperse (batchemulsjoner, elektrospraying) diametre. Det er noen begrensninger i disse vann-i-olje emulsjon fabrikasjonsmetoder, inkludert potensielt lav-gjennomstrømning produksjon, behovet for lav viskositet hydrogel forløper løsninger, og høye kostnader og ressurser for oppsett. I tillegg kan disse protokollene kreve harde oljer og overflateaktive stoffer som må vaskes fra mikrogelene ved hjelp av prosedyrer som legger til behandlingstrinn, og kan være vanskelig å oversette til sterile forhold for biomedisinske applikasjoner i mange laboratorier. Fjerning av behovet for vann-i-olje-emulsjoner, (foto)litografi kan også brukes, hvor mugg eller fotomasker brukes til å kontrollere herding av mikrogeler fra hydrogelforløperløsninger 1,26,27. I likhet med mikrofluidikk kan disse metodene være begrenset i produksjonsgjennomstrømningen, noe som er en stor utfordring når store volumer er nødvendig.
Som et alternativ til disse metodene har mekanisk fragmentering av bulkhydrogeler blitt brukt til å fremstille mikrogeler med uregelmessige størrelser 19,28,29,30,31,32. For eksempel kan bulkhydrgeler forhåndsdannes og deretter overføres gjennom masker eller sikter for å danne fragmenterte mikrogeler, en prosess som til og med har blitt gjort i nærvær av celler i mikrogelstrenger33,34. Bulk hydrogeler har også blitt behandlet i mikrogeler med mekaniske forstyrrelser ved hjelp av teknikker som sliping med mørtel og pestle eller gjennom bruk av kommersielle blendere 35,36,37. Andre har også brukt mekanisk agitasjon under hydrogeldannelse for å fremstille fragmenterte mikrogeler (dvs. væskegeler)31.
Metodene heri utvider disse mekaniske fragmenteringsteknikkene og presenterer en enkel tilnærming for å fremstille mikrogeler med ekstruderingsfragmentering, ved hjelp av fotocrosslinkable hyaluronsyre (HA) hydrogeler som eksempel. Ekstruderingsfragmentering bruker bare sprøyter og nåler til å fremstille fragmenterte mikrogeler i en rimelig, høy gjennomstrømning og lett skalerbar metode som passer for et bredt spekter av hydrogeler19,32. Videre er metoder for å montere disse fragmenterte mikrogelene i granulære hydrogeler beskrevet ved hjelp av enten sentrifugering (lav pakking) eller vakuumdrevet filtrering (høy pakking). Til slutt diskuteres anvendelsen av disse fragmenterte granulære hydrogelene for bruk som ekstruderingstrykkblekk. Målet med denne protokollen er å introdusere enkle metoder som er tilpasningsdyktige til et bredt utvalg av hydrogeler og kan implementeres i praktisk talt alle laboratorier som er interessert i granulære hydrogeler.
Heri beskrives metoder for å fremstille granulære hydrogeler ved hjelp av ekstruderingsfragmenterte mikrogeler og pakking ved enten sentrifugering eller vakuumdrevet filtrering. Sammenlignet med andre mikrogel fabrikasjonsmetoder (dvs. mikrofluidikk, batchemulsjoner, elektrospraying, fotolitografi), er ekstruderingsfragmenteringsmikrogelproduksjon svært rask, rimelig, lett skalerbar og mottagelig for et bredt utvalg av hydrogelsystemer. Videre er denne protokollen svært repeterbar med minimal batch-til-batch variasjo…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet av National Science Foundation gjennom UPenn MRSEC-programmet (DMR-1720530) og stipendiatstillinger (til V.G.M og M.E.P.) og National Institutes of Health (R01AR077362 til J.A.B.).
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 |