Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Fabriceren van afbreekbaar Thermoresponsive Hydrogels op meerdere lengte schalen via reactieve extrusie, Microfluidics, zelf-assemblage en Electrospinning

Published: April 16, 2018 doi: 10.3791/54502
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1
1Department of Chemical Engineering, McMaster University

Summary

Protocollen zijn beschreven voor de fabrikatie van afbreekbaar thermoresponsive hydrogels op basis van het hydrazon cross-linking van polymere oligomeren op de schaal van de bulk, microscale, en nanoscale, de laatste voorbereiding van zowel de nanofibers als de gel nanodeeltjes.

Abstract

Terwijl verschillende slimme materialen werden onderzocht voor een verscheidenheid van biomedische toepassingen (bijvoorbeelddrug delivery, weefselkweek, bioimaging, enz.), heeft het uiteindelijke klinische gebruik belemmerd door het ontbreken van biologisch relevante afbraak waargenomen voor meest slimme materialen. Dit geldt met name voor temperatuur-responsieve hydrogels, die bijna uniform gebaseerd zijn op functioneel niet-afbreekbare zijn polymeren (bijvoorbeeld, poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) of poly (oligoethylene glycol methacrylaat) (POEGMA) ). Als zodanig, voor het effectief vertalen het potentieel van thermoresponsive hydrogels op de uitdagingen van de afstandsbediening of metabolisme-gereglementeerde drug delivery, cel steigers met afstembare cel-materiaal interacties, theranostic materialen met het potentieel voor zowel imaging en drug delivery, en andere dergelijke toepassingen moet een methode, maken de hydrogels (indien niet volledig afbreekbaar) ten minste staat renal goedkeuring na de vereiste levensduur van het materiaal. Te dien einde beschrijft dit protocol de bereiding van hydrolytisch afbreekbaar hydrazon-kruisverwijzende hydrogels op meerdere lengte schalen op basis van de reactie tussen hydrazide en aldehyde-matiemaatschappij PNIPAM of POEGMA oligomeren met moleculaire gewichten beneden de limiet van de renale filtratie. In het bijzonder methoden te fabriceren afbreekbaar thermoresponsive bulk hydrogels (met behulp van een dubbele vat spuit techniek), hydrogel deeltjes (op zowel de microscale door het gebruik van een microfluidics platform te vergemakkelijken gelijktijdige mengen en membraanemulsificatie van de voorloper van polymeren en de nanoschaal met behulp van een thermisch gestuurde zelf-assemblage en dwarsbinding methode), en hydrogel nanofibers (met behulp van de strategie van een reactieve electrospinning) worden beschreven. In elk geval, hydrogels met temperatuur-responsieve eigenschappen vergelijkbaar zijn met die bereikt via conventionele vrije radicalen dwarsbinding processen kan worden bereikt, maar het hydrazon kruislings gekoppelde netwerk kan worden afgebroken na verloop van tijd opnieuw vormen de oligomere precursor polymers en opruiming inschakelen. Zo, we anticiperen op deze methoden (die kan worden generiek toegepast op ieder synthetische oplosbaar polymeer, niet alleen slimme materialen) kunnen gemakkelijker vertaling van synthetische slimme materialen tot klinische toepassingen.

Introduction

Slimme materialen hebben aanzienlijke aandacht als gevolg van hun potentieel voor omkeerbare "on-demand" Reacties op externe en/of milieu signalen aangetrokken. Temperatuur-responsieve materialen hebben aangetrokken van bijzonder belang vanwege hun lagere kritische oplossing temperatuur (LCST) gedrag, resulterend in temperatuur gestuurde neerslag bij temperaturen T > LCST1,2. In het kader van thermoresponsive hydrogels, dit lagere kritische oplossing temperatuur probleem manifesteert zich door omkeerbare zwelling/de-swelling gebeurtenissen die leiden in temperatuur-afstembare bulk maten tot (grotere op T < LCST)3, porie-grootte (groter op T < LCST)4en Interfaciale eigenschappen (meer hydrofiele op T < LCST)5. Dergelijke overgangen zijn grote schaal toegepast in de levering van de drug (voor externe of ecologisch-triggerable drug vrij4,6,7), engineering en cel weefselkweek (voor thermoreversible cel adhesie / delaminatie8,9,10), scheidingen (voor schakelbare membraan porosities en oppervlaktepermeabiliteiten of thermisch-recycleerbaar diagnostische ondersteunt11,12, 13), microfluidic (voor aan / uit-kleppen regelen stroom14,15), verwerkt en Rheologische modifiers (voor temperatuur-afstembare viscositeiten16). De meest gebruikte onderzocht thermoresponsive hydrogels zijn gebaseerd op poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM)17, hoewel ook aanzienlijke (en groeiende) werk werd uitgevoerd op poly (oligoethylene glycol methacrylaat) (POEGMA)2 ,18 en poly(vinylcaprolactam) (PVCL)19,20. POEGMA heeft recente belangstelling gezien de verwachte verbeterde biocompatibiliteit21,22en haar facile-naar-tune LCST gedrag, in welke lineair voorspelbare mengsels van monomeren met verschillende aantallen aangetrokken ethyleen oxide herhalen eenheden in hun zijketens kunnen wijzigen en de LCST van ongeveer 20 ° C tot > 90 ° C2,23. Echter, elk van deze polymeren wordt bereid door vrije radicaal polymerisatie en bevat dus een koolstof-koolstof-backbone, aanzienlijk beperken de potentiële nut en de vertaalbaarheid van dergelijke polymeren vallende binnen de context van de biomedische toepassingen waarin afbraak (of op zijn minst de capaciteit voor goedkeuring door renale filtratie) is meestal een vereiste.

In reactie op deze beperking, hebben we onlangs gemeld uitgebreid over de toepassing van hydrazon chemie (dwz., de reactie tussen hydrazide en aldehyde-matiemaatschappij pre polymeren) te bereiden afbreekbaar analogen van thermoresponsive hydrogels24,25,26,27,28,29. De snelle en omkeerbare reactie tussen hydrazide en aldehyde-groepen op het mengen van de voorloper van de matiemaatschappij polymeren30 kan beide gelering in situ (inschakelen facile injectie van deze materialen zonder de noodzaak voor chirurgische inplanting of enig ander type externe polymerisatie stimulans zoals UV bestraling of chemische Inleiding) evenals Hydrolytische afbraak van het netwerk op een hartslaggestuurde door de chemie en de dichtheid van het crosslinking sites. Bovendien, door het behoud van het molecuulgewicht van de pre-polymeren gebruikt voor het bereiden van de hydrogels onder de limiet van de renale filtratie, hydrogels gemaakt met behulp van deze aanpak degraderen terug in de oligomere voorloper polymeren die kunnen worden gewist uit het lichaam25 2827, ,. In combinatie met de lage cytotoxiciteit en de lage inflammatoire weefsel reactie veroorzaakt door deze materialen25,26,27, biedt deze aanpak een potentieel vertaalbare methode voor het gebruik van thermoresponsive slimme hydrogels in de geneeskunde, met name als goed gecontroleerde afbreekbaar analogen van dergelijke hydrogels op alle schalen van de lengte (bulk, micro en nano) kunnen worden vervaardigd.

In dit protocol beschrijven we methoden voor het maken van synthetische thermoresponsive pre polymeren matiemaatschappij met gecontroleerde aantal hydrazide aldehyde-groepen alsmede methoden toe te passen deze polymeren hydrogels met welbepaalde afmetingen om op te maken diverse lengte schalen. Dit manuscript behandelt in het bijzonder, vier verschillende benaderingen we hebben ontwikkeld om het mengen van de reactieve hydrazide en aldehyde-matiemaatschappij pre polymeren en dus het creëren van thermoresponsive hydrogel netwerken met welomschreven geometrieën en morphologies:

Als wilt maken afbreekbaar bulk hydrogels met gedefinieerde maten, een templating is beschreven strategie waaraan de reactieve pre polymeren worden geladen in afzonderlijke vaten van een dubbele vat spuit aan de uitlaat voorzien van een statische mixer en vervolgens mede geëxtrudeerd in een siliconen mold met de gewenste hydrogel vorm en afmetingen21,27 (Figuur 1).

Figure 1
Figuur 1 : Schematische van bulk hydrogel formatie. Hydrazide aldehyde-matiemaatschappij Polymeeroplossingen (in water of waterige buffer) zijn in afzonderlijke vaten van een dubbele vat spuit geladen en vervolgens mede geëxtrudeerd via een statische mixer in een cilindrische siliconen mal. Snelle in situ gelering op mengen vormen een hydrazon kruisverwijzende hydrogel, oftewel vrijstaande (zodra de mal wordt verwijderd) binnen enkele seconden tot minuten afhankelijk van de concentratie en de functionele groep-dichtheid van de polymeren vallende voorloper. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Als wilt maken afbreekbare gel deeltjes op de micron-schaal, een reactieve microfluidics-methode wordt beschreven in welke voorloper Polymeeroplossingen zijn gelijktijdig gemengd en geëmulgeerde met behulp van een zachte litho-templated microfluidic chip ontwerp, waardoor de vorming van gemengde reactieve polymeren druppels gel die vervolgens in situ formulier gel microdeeltjes met maten templated door de emulsie (Figuur 2)31,32.

Figure 2
Figuur 2 : Schematische van gel microparticle vorming via reactieve microfluidics. (A, B) Hydrazide en aldehyde-matiemaatschappij Polymeeroplossingen (in water of waterige buffer) worden gevoed door spuitpomp in aparte reservoirs die stroomafwaarts via een zigzag-anker-reeks van kanalen die zijn ontworpen verbonden zijn voor het maken van een drukverschil terugvoer voorkomen. De polymeren worden dan gemengd net voordat het wordt schuingetrokken door paraffineolie die voortvloeien uit beide zijden (ook gedreven door een spuitpomp) en gedwongen door een mondstuk, resulterend in flow-focusing productie van waterige (polymeeroplossing) druppels in een fase van voortdurende paraffine olie (zie (B) voor een illustratie van het mondstuk gebied en het proces van de vorming van druppel). Een extra twee paraffine olie inhammen zijn na het mondstuk op verdere afzonderlijke de druppels in de collectie kanaal om te voorzien in volledige gelering vóór verwijderen van deeltjes uit laminaire flow, waarna het resulterende microparticulate gels zijn geplaatst verzameld in een magnetisch stirred bekerglas; (C) foto van druppel generatie proces op het mondstuk (Let op dat hydrazide polymeer wordt aangeduid als blauw om te illustreren mengen)

Afbreekbare gel deeltjes op nanoschaal, een thermaal aangedreven reactieve zelf-assemblage methode wordt beschreven in die een oplossing van een van de voorloper van de reactieve polymeren (de "zaad" polymeer) wordt verwarmd boven de LCST om te vormen van een stabiel nanoaggregate thats maken vervolgens kruisverwijzende door toevoeging van het polymeer van complementaire reactieve voorloper (de "crosslinking" polymeer); de resulterende hydrazon kruisverwijzende nanogel heeft een grootte templated rechtstreeks door de nanoaggregate (Figuur 3)28.

Figure 3
Figuur 3 : Schematische van de vorming van nanogel via thermisch gestuurde reactieve zelf-assemblage. Een waterige oplossing bevattende het polymeer (thermoresponsive) hydrazide-matiemaatschappij wordt verwarmd boven de lagere temperatuur van de kritische oplossing te creëren van een stabiel uncrosslinked-nanoaggregate. Na, een aldehyde-matiemaatschappij polymeer is toegevoegd aan de dwarslijn de nanoaggregate via hydrazon bond vorming en dus het stabiliseren van het nanogel deeltje op koelen onder de LCST. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Als u wilt maken afbreekbaar nanofibers, wordt een reactieve electrospinning techniek beschreven waarin een dubbele vat injectiespuit voorzien van een statische mixer aan de uitlaat (zoals gebruikt voor het maken van bulk hydrogels) is aangesloten op een standaard electrospinning platform (Figuur 4 )33.

Figure 4
Figuur 4 : Schematische van hydrogel nanofiber formatie via reactieve electrospinning. Een dubbele vat spuit met een statische mixer (geladen zoals beschreven voor bulk hydrogels maar ook met inbegrip van een fractie van ultrahoog moleculair gewicht poly(ethylene oxide) als electrospinning hulpmiddel) is gemonteerd op een spuitpomp, met de naald aan het einde van de spuit aangesloten om een hoog voltage power supply. Hydrazon crosslinking optreedt tijdens de vezel spinnen proces, zodat wanneer de stroom de verzamelaar (aluminiumfolie of een roterende aluminium schijf raakt) de nanofibrous morfologie behouden blijft. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

De toepassing van dergelijke methodes voor het maken van afbreekbaar slimme hydrogel netwerken is aangetoond in dit protocol via PNIPAM of POEGMA als het polymeer van belang; echter de basisoplossingen beschreven kunnen vertaald worden naar een in water oplosbaar polymeer, zij het met geschikte aanpassingen voor viscositeit en (in het geval van de zelf-assemblage nanogel fabricage methode) de stabiliteit van het pre polymeer bij de vorming van het zaad nanoaggregate.

Protocol

1. synthese van polymeren Hydrazide-matiemaatschappij

Opmerking: De volgende specifieke recept is voorzien voor het PNIPAM-mimetische thermoresponsive POEGMA voorloper polymeer (PO10) 30 mol % hydrazide functionalization. PNIPAM en POEGMA precursor polymers met verschillende fase overgang temperaturen kunnen bereid worden met behulp van deze dezelfde algemene methode maar het wijzigen van het type en de verhouding van de kern monomeren gebruikt (zie punt 1.2 voor wijzigingen voor verschillende POEGMA polymeren)21 , 25 , 27.

  1. Weeg 37 mg 2,2'-azobis(2-methylpropionate) (AIBMe, initiatiefnemer) 3.1 g diethyleenglycol glycol methacrylaat (M(EO)2MA), 0,9 g oligoethyleneglycol methacrylaat (OEGMA475, 475 g/mol n = 7-8 ethyleen oxide herhalen eenheden), 523 µL van acrylzuur (AA, comonomeer), en 7.5 µL van thiolglycolic zuur (TGA, agent van de postoverdracht keten) in een flesje van 20 mL glas scintillatie.
  2. Voor PO0 (kamertemperatuur overgang temperatuur POEGMA), 4,0 g van M(EO)2MA (geen OEGMA475) te gebruiken. Voor PO100 (geen overgang temperatuur POEGMA), gebruik van 4,0 g van OEGMA475 (geen M(EO)2MA).
    Opmerking: Tussenliggende fase overgang temperaturen kunnen worden bereikt op basis van het gebruik van tussentijdse mengsels van M(EO)2MA en OEGMA475, volgens Lutz et al. 23
  3. Los alle reagentia in dioxaan (5 mL/g totale monomeer) in een kolf met ronde bodem met één of meer nek.
  4. Leegmaken van de reactie met stikstof (UHP grade) stroom gedurende 30 minuten.
  5. Eenmaal verwijderd, plaats de kolf in een voorverwarmde oliebad op 75 ° C gedurende 4 uur onder stikstof en 400 rpm magnetische roeren gehouden.
  6. Verwijder het oplosmiddel met behulp van een rotatieverdamper ingesteld op 50 ° C en 200 rpm na 4 uur.
  7. Los van het resulterende product van het polymeer in 150 mL gedeïoniseerd water.
  8. Toevoegen van adipinezuur zure dihydrizide (ADH) op een vijfvoudige molaire overmaat aan het aantal AA residuen opgenomen in het polymeer (in dit voorbeeld AA bestaat uit 29 mol % van de monomeereenheden in de polymeren geproduceerd, per conductometric titratie).
  9. Breng de pH van de oplossing tot pH 4,75 met 0,1 M HCl.
  10. Zodra de pH gestabiliseerd, toevoegen N-(3-dimethylaminopropyl) -N'-ethylcarbodiimide (EDC) op een 5-fold molaire overmaat aan het aantal AA residuen aanwezig).
  11. Het handhaven van de reactie pH 4,75 met dropwise toevoeging van 0,1 M HCl meer dan 4 uur.
  12. Laat de reactie op het roer 's nachts.
  13. Giet de productoplossing in drie ~ 30 cm lange dialyse buizen (3500 Da molecuulgewicht cut-off, 1 inch dikte), met behulp van een trechter om te minimaliseren morsen. Gebruik een pinch klem om het sluiten van de onderkant van de buis vóór vullen door het vouwen van een segment van de kleine (~ 2 cm) van de buis om de integriteit van de klem; Herhaal aan de bovenkant (op om luchtbellen te drukken) als vulling is voltooid. Plaatsen van de buizen binnen een 100-fold overtollige hoeveelheid gedeïoniseerd water en laat gedurende ten minste 6 uur, volledig vervangen het water meer dan zes cycli van dialyse te bereiken van de gewenste zuiverheid.
  14. Lyophilize het dialyzed monster te verkrijgen van een definitieve gedroogde polymeer-product.

2. synthese van Aldehyde-matiemaatschappij polymeren

  1. Synthese van Aldehyde-voorloper monomeer N-(2,2-Dimethoxyethyl) methacrylaat (DMEMA)
    1. Plaats 200 mL van een 20% w/v NaOH-oplossing in een maatkolf van 500 mL 3 nek ronde-bodem.
    2. Koel de oplossing in een ijsbad en een temperatuur van 0 ° C met ijs te handhaven tijdens de reactie.
    3. Voeg 50 mL aminoacetyl aldehyde dimethyl Acetaal aan de afgekoelde NaOH-oplossing.
    4. Toevoegen in 0,1 g van TEMPO ((2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-yl) oxyl) en roer bij 400 rpm met behulp van een magnetische roer bar tot het TEMPO volledig oplost.
    5. Voeg methacryloyl chloride ontkleuring met behulp van een buret meer dan 2 h 48 mL.
    6. Dekking van het reactievat met aluminiumfolie en laat hem 's nachts roer na 2 uur.
    7. Uitpakken van het product door het reactieproduct toevoegen aan 75 mL petroleumether in een scheitrechter van 1 L, schudden, ontgassing, en de bovenste laag te verwijderen.
    8. Herhaal stap 2.1.7 driemaal door het toevoegen van de onderste laag product van elke stap van de extractie als het ruwe product aan de volgende cyclus van de extractie.
    9. Verwijder de laatste onderste laag product en overdracht aan een bekerglas van 100 mL.
    10. Voeg ~ 5 g magnesium-sulfaat (Mg2SO4) in het bekerglas met monomeer tot een "sneeuwbol" effect wordt waargenomen.
    11. Filtreer door een 100 mL Buchner trechter te verwijderen van de Mg2SO4.
    12. Spoel het bekerglas schoon tweemaal met ~ 75 mL van tert-butyl-methylether, gieten de oplossing spoelen door de trechter elke keer.
    13. Het product overbrengen in een rondbodemkolf van 500 mL en damp het oplosmiddel met behulp van een rotatieverdamper bij kamertemperatuur 200 RPM te verzamelen van het eindproduct.
  2. Synthese van Aldehyde-matiemaatschappij polymeren
    Opmerking: De volgende specifieke recept is voorzien voor het PNIPAM-mimetische POEGMA voorloper polymeer (PO10) 30 mol % aldehyde functionalization. PNIPAM en POEGMA precursor polymers met verschillende fase overgang temperaturen kunnen bereid worden met behulp van dezelfde algemene methode maar het wijzigen van het type en de verhouding van de kern monomeren gebruikt (zie punt 1.2 voor wijzigingen voor verschillende POEGMA polymeren)21 , 25 , 27.
    1. Weeg 37 mg 2,2'-azobis(2-methylpropionate) (AIBMe), 3,10 g diethyleenglycol glycol methacrylaat M(EO)2MA, 0,1 g van oligo ethyleenglycol methacrylaat (OEGMA475, 475 g/mol, n = 7-8 ethyleen oxide herhalen eenheden), 1,30 g N-(2,2- dimethoxyethyl) acrylamide (DMEMA) en 7,5 µL van thiolglycolic zuur (TGA) in een flesje van 20 mL glas scintillatie.
    2. Voor PO0 (kamertemperatuur overgang temperatuur POEGMA), 4,0 g van M(EO)2MA (geen OEGMA475) te gebruiken. Voor PO100 (geen overgang temperatuur POEGMA), gebruik van 4,0 g van OEGMA475 (geen M(EO)2MA).
      Opmerking: Tussenliggende fase overgang temperaturen kunnen worden bereikt op basis van het gebruik van tussentijdse mengsels van M(EO)2MA en OEGMA475, volgens Lutz et al. 23
    3. Los alle reagentia in dioxaan (5 mL/g totale monomeer) in een kolf met ronde bodem met één of meer nek.
    4. Leegmaken van de reactie met stikstof (UHP grade) stroom gedurende 30 minuten.
    5. Eenmaal verwijderd, plaats de kolf in een voorverwarmde oliebad gehandhaafd op 75 ° C gedurende 4 uur onder stikstof en 400 rpm magnetische roeren.
    6. Verwijder het oplosmiddel met behulp van een rotatieverdamper ingesteld op 50 ° C en 200 rpm na 4 uur.
    7. Los van het resulterende product van het polymeer in 100 mL gedeïoniseerd H2O.
    8. Voeg 50 mL 1 M HCl in de opgeloste oplossing en roer onder magnetische roeren (400 RPM) gedurende 24 uur te hydrolyseren volledig de Acetaal functionaliteiten in DMEMA.
    9. Breng de polymeeroplossing in dialyse buis, per stap 1.13 na voltooiing van de reactie.
    10. Lyophilize het dialyzed monster te verkrijgen van een definitieve gedroogde polymeer-product.

3. fabricage van hydrazon kruisverwijzende Bulk Hydrogels

  1. Ontbinden hydrazide en aldehyde matiemaatschappij polymeren afzonderlijk in een 10 mM fosfaatgebufferde zoutoplossing (PBS), of elke gewenste waterige buffer, om oplossingen van de gewenste concentraties te maken.
    Opmerking: Massa concentraties tussen de 5-40 wt % worden gewoonlijk gebruikt, met gelering bij lagere concentraties mogelijk als hogere functiegroep breuken op de polymeren aanwezig zijn.
  2. Met behulp van een injectiespuit één vat Breng de oplossingen te laden elke voorloper oplossing (~ 1 mL elk) in afzonderlijke vaten van een dubbele vat spuit (2,5 mL volume, 1:1 verhouding spuit) gekoppeld aan een statische mixer (1.5" lengte) en (optioneel) een injectiespuit (meestal 18 G, 1.5" lengte voor in vitro studies) en (optioneel) een injectiespuit (meestal 18 G, 1.5" lengte voor in vitro studies).
  3. Bereiden mallen of gewenste dikte, vorm, diameter door bokszak gaten in een blad van silicone rubber.
    Opmerking: In een typisch experiment, een set standaard punch is gebruikt om punch een 7 mm diameter cilindrisch gat binnen een 1/16" dikke silicone rubber vel (totale hoeveelheid reservoir ~ 300 µL).
  4. Mount de siliconen mal op een standaard glas Microscoop schuif zodanig dat de gaten geslagen in de mal worden volledig ondersteund door glas.  Een 0,1 M HCl wassen van het glas is aanbevolen maar niet verplicht voorafgaand aan de montage van de siliconen mal.
  5. Extruderen mede de inhoud van de injectiespuit dubbele vat door de statische mixer om volledig te vullen (of iets overvol, met een meniscus boven) de siliconen mal.
    Opmerking: Meerdere monsters kunnen worden voorbereid gedurende één extrusie monster mits de gelering tijd is op de dezelfde orde van grootte of langer dan de totale tijd die nodig is om te vullen meerdere mallen.
  6. Plaats een andere standaard glas microscoopglaasje op de top van de schimmel en wachten op de gelering om te voltooien.
    Opmerking: De standaard recepten beschreven in de sectie gel van de synthese binnen < 1 minuut; langzamer gelering tijden (en dus langer vereiste wachttijden) worden waargenomen bij de lagere functiegroep dichtheden, polymeer concentraties die lager zijn en/of hogere breuken van OEGMA475 ten opzichte van M(EO)2MA (voor POEGMA hydrogels).
  7. Verwijder de bovenste microscoopglaasje en gebruik een spatel om te duwen de hydrogel uit de buurt van de siliconen rubber schimmel.
  8. Til de mal van lagere microscoopglaasje om te herstellen van de hydrogels voor verder onderzoek.

4. fabricage van hydrazon kruisverwijzende Gel microdeeltjes

  1. Fabricage van Microfluidic Chip
    1. Uitdrogen van een silicium wafer (D = 76,2 mm, 380 µm dikte, P-doped, < 100 > afdrukstand) door te verwarmen op een kookplaat bij 200 ° C gedurende 5 min.
    2. Midden het zegel op een spin coater en de vacht een dikke laag van ~ 100 µm van SU-8 100 fotoresist door toepassing van SU-8 mL ~ 7 weerstaan, de spin speedramp tot 3000 rpm snelheid met een snelheid van 500 rpm/s, en vervolgens de snelheid bij 3000 t/min 30 seconden ingedrukt.
    3. Vooraf de coating bij 65 ° C gedurende 10 min bakken en dan zacht-bak de coating bij 95 ° C gedurende 30 min.
    4. Een photomask afdrukken op een transparantie met het patroon van de microfluidic omschreven in Figuur 2A, zodanig dat de transparante gedeelten het gewenste patroon van de gepolymeriseerde fotoresist laag zijn.
    5. Plaats de fotoresist beklede silicium wafer en de photomask in een masker aligner en bloot de wafer 365 nm licht voor 95 s (6.5 W blootstelling kracht).
    6. Bak de patroon wafer gedurende 10 minuten bij 95 ° C, eerst door het te plaatsen op een kookplaat bij 65 ° C en vervolgens verwarming de kookplaat tot 95 ° C bij 10 ° C/min.
    7. Het zegel van de kookplaat en de plaats in een bekerglas van 500 mL met 100 mL SU-8 ontwikkelaar voor minstens 10 min, wervelende de wafer langzaam in de oplossing gedurende te verwijderen van de niet-blootgestelde fotoresist verwijderen. Na 10 min, spoel het patroon wafer met isopropanol en droog met lucht. Het patroon wafer opslaan in een koele, droge omgeving weg van licht wanneer niet in gebruik voor zachte lithografie replica molding.
    8. Plaats de patroon microfluidic schimmel in een petrischaal. Positie ~ 10 mm lengte L/S 13 silicone buis op de inhammen en de afzetmogelijkheden van de chip.
    9. Giet ~ 10 mL van poly (dimethyl siloxaan) (PDMS; bereid door het mengen van Silicone-elastomeer Base en Silicone-elastomeer genezen Agent in een verhouding 10:1) op de top van de chip, zorgvuldig te vermijden waarin elke PDMS binnen de geplaatste Siliconen slang.
    10. Plaats de petrischaal in een vacuuemcel voor ~ 10 min voor het verwijderen van luchtbellen volhardt in en rond de patroon structuur tijdens het genezen.
    11. De PDMS genezen door het plaatsen van de petrischaal met de patroon schimmel en niet-uitgeharde PDMS op een kookplaat bij 85 ° C gedurende 2-3 uur.
    12. Schil zorgvuldig af de uitgeharde PDMS van de patroon silicium wafer bloot van de zachte lithografische gedessineerde PDMS replica van de microfluidic schimmel.
    13. Plaats de patroon PDMS en een glasplaatje ondersteboven in een high-power plasma reiniger met een lucht feed. Toepassing van het plasma op 200 mTorr en 45 W voor 90 s band van het PDMS aan het glasplaatje en maken de uiteindelijke microfluidic-chip.
  2. Synthese van Gel microdeeltjes
    1. Hydrazide-matiemaatschappij PNIPAM (PNIPAM-Hzd) voor te bereiden door het oplossen van 2,2-azobisisobutyric zuur dimethyl ester (AIBME, 0.056 g), NIPAM (4.5 g) en acrylzuur 0,5 g - 15 mol % totale monomeer, thioglycolic zuur (TGA, 80 µL) in 20 mL watervrij ethanol en vervolgens volgt 1.4-1.14 te voltooien de synthese, hoewel de reactie temperatuur tot 56 ° C in stap 1.5 wijzigen.
    2. Aldehyde-matiemaatschappij PNIPAM (PNIPAM-Ald) voor te bereiden door het oplossen van 2,2-azobisisobutyric zuur dimethyl ester (AIBME, 0.056 g), NIPAM (4 g) en N-(2,2-dimethoxyethyl) methacrylaat (DMEMA, 0,95 g - 13.4 mol % totale monomeer), thioglycolic zuur (TGA, 80 µL), in 20 mL ethanol en vervolgens volgende stappen 2.2.4-2.2.10 om te voltooien de synthese, hoewel de temperatuur reactie omzetten in 56 ° C in stap 2.2.5.
    3. Los PNIPAM-Hzd en PNIPAM-Ald op 6% van de wt in gedeïoniseerd water en lading in aparte standaard 5 mL spuiten.
    4. Los 1 wt % nonionic oppervlakteactieve stof (bijvoorbeeld Span 80) in zware paraffineolie en laadt de oplossing in een standaard 60 mL spuit.
    5. De voorloper van de twee spuiten voor de oplossing van de polymeer van individueel verbinden met de twee afzonderlijke polymeer inlaat kanalen op de microfluidic-chip en de paraffine-olie-oplossing voor de olie inlaat kanaal op de chip van de microfluidic via 1/32" ID silicone slangen (~ 30 cm lengte per inlaat, ~ 45 cm lengte per stopcontact).
    6. Met behulp van twee aparte spuit infuuspompen (een voor de olie stroomopwaarts, een voor de olie toegevoegd na het mondstuk), leveren de olie in de chip op een debiet tussen 1.1 mL/uur en 5,5 mL/uur zonder te beginnen met de stroom van de polymeer om de chip prime en ervoor zorgen dat de chip defect-vrij en operationele behouden (meestal gedurende een periode van 30 min).
    7. Met een aparte infusie-spuitpomp, leveren elk van de waterige Polymeeroplossingen naar de chip op een debiet van 0,03 mL/h.
    8. Na een periode van stabilisatie van de eerste om ervoor te zorgen dat de stroom heeft geëquilibreerd en uniforme deeltjes worden gevormd (30 min - 1 h), verzamelen de deeltjes in een maatkolf van magnetisch stirred ronde bodem.
    9. De deeltjes verzamelen totdat alle olie wordt verbruikt (12-55 h, afhankelijk van de stroom). Stop de injectiespuit pompen en, indien gewenst, onmiddellijk pomp water in plaats van de voorloper Polymeeroplossingen via de chip om schoon te maken.  Echter, gezien de snelle in-situ gelering van deze materialen als de stroom wordt gestopt, het is aanbevolen om gebruik te maken van een nieuwe chip voor elk afzonderlijk experiment.
    10. Uitschakelen van de magnetische roeren en laat de gel microdeeltjes te regelen. Decanteren uit alle beschikbare paraffineolie met behulp van een precisiepipet.
    11. Als u wilt verwijderen van de resterende paraffineolie, de gel microdeeltjes wassen met pentaan (toegepast op een volume van 10 mL voor elke 0,5 mL van microparticle volume), krachtig mengen de emulsie voor ~ 1 minuut, toestaan de microdeeltjes gel opnieuw regelen voor ~ 1-2 uur, en decanteren af de residuele organische fase met behulp van een precisiepipet. Herhaal minstens 5 keer om ervoor te zorgen volledige paraffine olie verwijderen.
    12. Resuspendeer de gel microdeeltjes in 10 mL gedeïoniseerd water binnen een flesje van 20 mL glas Scintillatie en wissen van de flacon met stikstof 's nachts te verwijderen van alle resterende pentaan.

5. fabricage van hydrazon kruisverwijzende Nanogels

  1. Ontbinden van stamoplossingen van PNIPAM-Hzd (1 w/v%) en PNIPAM-Ald (1 w/v%) in gedeïoniseerd water. PNIPAM-Hzd en PNIPAM-Ald voorbereiden zoals beschreven in de punten 4.2.1 en 4.2.2, respectievelijk.
  2. Verwarm een hoeveelheid van 5 mL van de stockoplossing PNIPAM-Hzd te 70˚C met behulp van een oliebad onder magnetische roeren (350 RPM) in een flesje van 20 mL glas scintillatie.
    Opmerking: De oplossing moet worden ondoorzichtig (dat wil zeggen de temperatuur hoger is dan de lagere temperatuur van de kritische oplossing van PNIPAM-Hzd), maar geen zichtbare neerslag moet worden gevormd.
  3. Toevoegen van een 0,25 mL aliquoot gedeelte van het PNIPAM-Ald (5-20 wt % van de massa van PNIPAM-Hzd aanwezig in de zaad-oplossing) drop-wise in de verwarmde PNIPAM-Hzd oplossing gedurende een periode van 5-10 s.
  4. Doorgaan met het mengen van die de oplossing in de Scintillatie vials voor een extra 15 minuten, na welke verwijderen het monster uit de oliebad en toestaan het product's nachts afkoelen tot kamertemperatuur.
  5. De resulterende nanogels dialyze over 6 x 6 uur cycli (met behulp van een 3500 kDa MWCO dialyse membraan) tegen gedeïoniseerd water te verwijderen van een niet-kruisverwijzende polymeer. Indien gewenst, lyophilize voor opslag.

6. fabricage van hydrazon kruisverwijzende Nanofibers

  1. Hydrazide-matiemaatschappij POEGMA (POEGMA-Hzd) voor te bereiden door het oplossen van 37 mg dimethyl 2,2'-azobis(2-methylpropionate) (AIBMe), 4,0 g oligoethyleneglycol methacrylaat (OEGMA475, 475 g/mol, n = 7-8 ethyleen oxide herhalen eenheden), en 0,25 g acrylzuur (AA) in 20 mL dioxaan en stappen 1.3-1.14 te voltooien de synthese te volgen.
  2. Aldehyde-matiemaatschappij POEGMA (POEGMA-Ald) voor te bereiden door het oplossen van 50 mg dimethyl 2,2'-azobis(2-methylpropionate) (AIBMe), 4,0 g oligoethyleneglycol methacrylaat (OEGMA475, 475 g/mol, n = 7-8 ethyleen oxide herhalen eenheden), en 0.60 g N-(2,2- dimethoxyethyl) methacrylaat (DMEMA) in 20 mL dioxaan en volgende stappen 2.2.3-2.2.10 om te voltooien de synthese.
  3. Los POEGMA-Hzd (15 wt %) en POEGMA-Ald (15 wt %) in aparte gedeïoniseerd water oplossingen.
  4. Ontbinden van poly (ethyleenoxide) (PEO, Mw= 600 x 10-3 g/mol, 5 wt %) in gedeïoniseerd water.  Meng 1 mL van de oplossing van de PEO met elke reactieve POEGMA oplossing bereid in stap 6.3 de voorloper van de definitieve oplossingen van 7,5 wt % POEGMA voorloper polymeer en 2,5% van de wt PEO te creëren.
  5. De twee oplossingen in afzonderlijke vaten van de dezelfde dubbele vat spuit beschreven in sectie 3 (inclusief de 1.5" statische-mixer) laden en bevestig de injectiespuit dubbele vat op een infusie-spuitpomp.
  6. Een statische mixer en een bot-tip 18G naald koppelen aan de dubbele vat spuit.
  7. Een hoog-voltage power supply verbinden met de bot-tip naald, sloeg op de verzamelaar.
    Opmerking: Verzamelaars bestaan hetzij van een 10 x 10 mm vierkant van aluminiumfolie of een ~ 10 mm diameter aluminium schijf spinnen met een snelheid van 200 rpm, beide gemonteerd loodrecht op de naald op een afstand van 10 cm vanaf het einde van de naald.
  8. Start de spuitpomp met een snelheid van 0.48 mL/h en, tegelijkertijd, overschakelen op een hoogspanning van 8,5 kV tot het uitvoeren van de electrospinning en nanofibers maken.
  9. Blijven electrospinning zoals gewenst om steigers van verschillende draaddoorsneden of totdat de inlaat oplossingen zijn uitgeput.
  10. Als u wilt verwijderen de PEO electrospinning steun, geniet u de verzamelde steigers gedurende 24 uur in gedeïoniseerd water.

Representative Results

Bulk hydrogels geëxtrudeerd uit een dubbele vat spuit in een siliconen mal in overeenstemming zijn met de afmetingen van de schimmel en vrijstaande geworden na verwijdering van de schimmel; gelering doet zich meestal voor seconden tot minuten volgende co-extrusie afhankelijk van polymere precursors gebruikt. Typische karakterisering via zwelling (gemeten gravimetrisch met behulp van een cel cultuur invoegen om gemakkelijk de hydrogel van de zwelling oplossing), thermoresponsivity (gemeten met gebruikmaking van dezelfde techniek, maar de bovenstaande incubatietemperatuur fietsen en onder de fase overgang temperatuur) toont afbraak (gemeten met behulp van de dezelfde techniek, maar over langere perioden), en schuintrekken of druksterkte modulus (gemeten met behulp van 2 mm dik en 7 mm diameter gegoten monsters) de tunability van de hydrogel reacties afhankelijk van de chemie van het polymeer van de voorloper (specifiek, voor POEGMA, de verhouding van korte tot lange keten OEGMA monomeren gebruikt om te bereiden de hydrogel), de molaire fractie van functionele groepen op de voorloper van polymeren en de concentratie van die voorloper van polymeren (Figuur 5)27.

Microfluidics leidt tot de vorming van welomschreven gel microdeeltjes op de schaal van de grootte van 25-100 µm, met de grootte controleerbaar op basis van het debiet van de aardolie en/of de gecombineerde waterige polymeer fasen (figuur 6A)31. Warme fase optische microscopie bevestigt dat de gel microdeeltjes de thermoresponsive aard van de bulk hydrogels, omkeerbare temperatuur-afhankelijke zwelling handhaven-deswelling met slechts een lichte hysteresis op cyclus 1 (uitkeerbaar aan tonen de vorming van de onomkeerbare waterstofbrug tussen naburige amidegroepen in de samengevouwen34) stroken met die waargenomen in bulk PNIPAM hydrogels (figuur 6B)32. Bovendien, de gel microdeeltjes degraderen terug naar hun oligomere precursoren na verloop van tijd, waardoor renal clearance (Figuur 6 c)32.

Zelf-assemblage gedreven door de nanoaggregation van een PNIPAM hydrazide-matiemaatschappij polymeer in een verwarmde oplossing gevolgd door crosslinking met een aldehyde-matiemaatschappij PNIPAM polymeer resulteert in zeer monodispers nanogels (polydispersiteit < 0.1) op de groottewaaier van 180-300 nm, afhankelijk van de omstandigheden van het proces gebruikt (Figuur 7A)28. De nanogels behouden het gedrag van de typische thermoresponsive van conventionele vrije radicalen kruisverwijzende PNIPAM nanogels, met een lagere mate van thermische deswelling waargenomen als meer cross-linking polymeer (Figuur 7B) is toegevoegd. De nanogels kan worden gelyofiliseerde vorm en redispersed zonder een verandering in de grootte van de deeltjes (Figuur 7C) en degraderen na verloop van tijd via hydrolyse opnieuw vormen de polymeren van de voorloper van de oligomere gebruikt voor het formuleren van de nanogels (Figuur 7D).

Reactieve electrospinning creëert een nanofibrous hydrogel structuur (Figuur 8A), met een diameter van de nanofiber over de volgorde van ~ 300 nm haalbaar zonder zichtbare electrosprayed deeltjes33 presenteren. De POEGMA gebaseerde nanofibers in water onderdompelen resulteert in snelle hydratatie (ongeveer twee ordes van grootte sneller dan bereikt met een bulk-gel van dezelfde samenstelling, Figuur 8B) maar handhaaft de nanofibrous morfologie meer dan 8-10 weken voorafgaand aan Hydrolytische afbraak op fysiologische omstandigheden; snellere degradatie wordt waargenomen in zuur-gekatalyseerde omgevingen, zoals verwacht als gevolg van het potentieel voor zuur-gekatalyseerde hydrazon bond afbraak (Figuur 8C). De nanofibrous structuren zijn ook mechanisch robuuste in zowel de droge en gezwollen Staten over meerdere cycli, waardoor gemakkelijk te hanteren en repetitief persen (Figuur 8D).

Figure 5
Figuur 5 : Eigenschappen van in situ -gelerend bulk afbreekbaar thermoresponsive hydrogels. (A) vertegenwoordiger POEGMA gel netwerk microstructuren en bulk hydrogel beelden met bijbehorende gelering tijden als een functie van de mol % opneming van OEGMA475 in de voorloper polymeren; (B-C) Opslag elasticiteitsmodulus PO100 hydrogels door verschillende (B) voorloper polymeer concentratie en (C) Mol % functionele groep opname per voorloper polymeer; (D-F) Physiochemical eigenschappen van POEGMA hydrogels als een functie van OEGMA475 mol % opname: (D) opslag modulus (E) aantasting van het profiel in 1 M HCl en (F) volume fase overgang temperatuur in antwoord op temperatuur veranderen over het bereik 20-60 ° C. Alle foutbalken vertegenwoordigen de standaarddeviatie van n = 4 replicate metingen. Aangepast van referentie27 met toestemming van Elsevier. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 6
Figuur 6 : Eigenschappen van afbreekbare gel microdeeltjes van reactieve microfluidics. (A) effect van paraffine-olie debiet op (gezuiverd) gel microparticle grootte in water; (B) Thermoresponsivity van gezuiverde gel microdeeltjes in water na een enkele thermische cyclus boven en onder de volume fase overgang temperatuur; (C) Visual beoordeling (foto's) en gel Permeatie Chromatografie sporen (zie grafiek) bevestiging van afbraak van gel microdeeltjes terug naar hun voorloper polymeer onderdelen (hier, in 1 M HCl om versnelde afbraak op de tijdschaal voor imaging); schaal bar = 100 µm. aangepast verwijzing €32. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 7
Figuur 7 : Eigenschappen van afbreekbaar nanogels van reactieve zelf-assemblage. (A) deeltje grootte distributies van nanogels bereid met verschillende aldehyde: hydrazide polymeer massa ratio's van Dynamische lichtverstrooiing (inzet: Bluefin bevestiging van de sferische aard van de nanogels); (B) Thermosensitivity van zelf geassembleerde deeltjes als een functie van de massa verhouding tussen aldehyde: hydrazide polymeer dat wordt gebruikt ter voorbereiding van de nanogels (van Dynamische lichtverstrooiing), met de foutbalken die vertegenwoordigen de standaarddeviatie van n = 4 wordt gerepliceerd; (C) Visual bevestiging van het gebrek aan nanogel aggregatie zowel pre en post lyofilisatie; (D) visuele-bevestiging van de zuur-gekatalyseerde afbraak van nanogels (hier in 1 M HCl voor consistentie met andere studies die hierboven); (E) gel permeatie chromatograaf sporen van nanogel afbraakproducten daarvan met vermelding van hun gelijkenis met de hydrazide en voorloper van de aldehyde-matiemaatschappij polymeren. Aangepast met toestemming van referentie28. Copyright 2015, American Chemical Society. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 8
Figuur 8 : Eigenschappen van afbreekbaar nanofibers van reactieve electrospinning. (A) scanning elektronen microscopie beelden van nanofibers in droge staat (links), de helft ondergedompeld in water (midden, dunne film), en volledig geweekt in water's nachts (rechts, dikke steiger); (B) zwelling nanofibrous hydrogel (rood) ten opzichte van een bulk hydrogel (blauw) van dezelfde samenstelling, met foutbalken vertegenwoordigen de standaarddeviatie van n = 4 wordt gerepliceerd; (C) Scanning elektronen microscopie en (inzet) visuele beelden voor het bijhouden van de zuur-gekatalyseerde afbraak van nanofibers in 1 M HCl; (D) de treksterkte fietsen van droog (80 cycli, 20% rek/cyclus) en gezwollen (325 cycli, 10% rek/cyclus in 10 mM PBS) electrospun nanofibrous hydrogels. Figuur aangepast ten opzichte van de referentie33 en gereproduceerd met toestemming van de Royal Society of Chemistry. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Discussion

Wij hebben al deze technieken van de fabricage met succes toegepast op meerdere polymeersystemen met slechts lichte variaties van de methoden beschreven in detail hierboven voor PNIPAM en POEGMA; gebruikers van deze protocollen moet echter bewust van de mogelijke problemen die zich voordoen kunnen wanneer andere polymeren worden vervangen in deze processen. In het bijzonder, verhoging van de viscositeit van de polymeren vallende voorloper kan negatieve gevolgen hebben zowel de processibility (met name in de microfluidic-methode), alsmede de efficiëntie van het mengen van de voorloper van de twee polymeren. Bovendien, moet de gelering tijd van de polymeren vallende worden gecontroleerd tegen een tarief afhankelijk van de morfologie gericht om te voorkomen dat voorbarig gelering dat dient om de stroom te remmen of deze te voorkomen dat interdiffusion van de pre reactieve polymeren, essentieel om de gewenste homogene gel structuren. De specifieke beperkingen van elke strategie, evenals de benaderingen die wij hebben gebruikt aan te passen deze benaderingen om dergelijke beperkingen op elke schaal lengte fabricage worden hieronder beschreven.

Bulk hydrogels via dubbele vat spuit co-extrusie
Gelering tijd is de belangrijkste variabele te controleren om ervoor te zorgen de werkzaamheid van de dubbele vat spuit techniek voor het vormen van bulk hydrogels. Polymeren die gel te snel bij contact (< 1-2 s) kan verstoppen de statische mixer, ofwel volledig stoppen van de stroom of als gevolg van niet-stoichiometrische bedragen van de voorloper van de twee polymeren worden geëxtrudeerd uit de spuit. We hebben gevonden dat gelering keer > 5 s zijn voorkeur (hoewel niet verplicht) voor het gebruik van deze techniek; Dit is vooral belangrijk als repliceren hydrogels zijn voor fysieke of mechanische analyse om ervoor te zorgen dat elke hydrogel cast dezelfde samenstelling heeft wordt gegoten. Gelering tijd gemakkelijk kan worden gewijzigd door het veranderen van de dichtheid van reactieve functionele groepen enerzijds of zowel voorloper polymeren (lagere functiegroep dichtheid leidt tot langzamere gelering) of het wijzigen van de concentratie van de polymeren vallende voorloper gebruikt om te vormen van de gel ( lagere concentraties leiden tot tragere gelering)21. Afwisselend, ter vervanging van de (reactiever) aldehyde-groep met de (minder reactief) keton-groep als het elektrofiel in de gelerend paar aanzienlijk vermindert de gelering tijd aanzienlijk zonder dat de samenstelling van de resulterende hydrogel35 ; polymeren bereid met mengsels van aldehyde en keton monomeer precursoren kunnen worden gebruikt voor het afstemmen van de gelering tijd zoals gewenst zonder het wijzigen van de concentratie van precursor polymers gebruikt (en dus de massa percentage vaste stof in de resulterende gel gevormd).

We zouden stellen ook vast dat de eerste hydrogel cast niet altijd over dezelfde eigenschappen als latere hydrogels gegoten beschikt, een waarneming die toegeschreven aan kleine verschillen in het tempo waarmee de inhoud van de twee vaten eigenlijk de statische mixer bereiken. Dientengevolge, wij doorgaans de dubbele vat spuit prime door de diepte van een klein (< 0.3 mL) Fractie van gel alvorens aan te vangen van de casting proces om te minimaliseren van dergelijke variabiliteit. Tot slot, terwijl niet meestal problematisch zijn bij het gebruik van oligomere synthetische pre polymeren, de viscositeit van een of meer voorloper Polymeeroplossingen kan vormen een uitdaging in het kader van deze techniek, zowel in termen van het vergemakkelijken van stroom met behulp van eenvoudige duim depressie Naast het bevorderen van effectieve mengen binnen de statische mixer. Echter enigszins verrassend, zelfs voorloper Polymeeroplossingen met sterk verschillende viscositeiten nog altijd vormen relatief homogene hydrogels met behulp van de statische mixer bijlagen wordt beschreven in de lijst van onderdelen (b.v., PNIPAM met een hoog moleculair gewicht koolhydraten26), suggereren dat bezorgdheid omtrent de inefficiënte mengen als gevolg van verkeerd gecompenseerde viscositeiten mogelijk niet significant ten minste op de schaal van de bulk. Indien nodig, kan het gebruik van een spuitpomp (in plaats van de duim) naar station stroom en/of het gebruik van een grotere spoorbreedte naald bij de uitgang helpen overwinnen van kwesties in verband met extrudability in deze systemen.

Microscale hydrogels via reactieve microfluidics
De belangrijkste stap die is gekoppeld aan de aanpak van de microfluidics voor gel microparticle fabricage is de priming van de microfluidics-chip met de twee reactieve polymeren. Als de polymeren worden geleverd met verschillende druk of tegen verschillende tarieven in de chip, het drukverschil de terugvoer van één voorloper polymeeroplossing kan rijden in het reservoir (of op zijn minst naar het reservoir) van het andere voorloper polymeer. Dit resulteert in gelering stroomopwaarts van deeltjesvorming, effectief blokkeren van de stroom en waarvoor derhalve chip verwijdering. De martelende pad bedrukt tussen elke reservoir en het mengen punt creëert een aanzienlijke weerstand tegen terugvoer; zelfs een getrainde operator zal echter af en toe een chip gel voordat een stabiele stroom regeling wordt bereikt. Gebaseerd op onze ervaring, is tussen 1-2 min meestal nodig om te stabiliseren van de stromen na de inleiding van de druppel vorming (na verloop van die tijd relatief polydisperse gel microdeeltjes worden geproduceerd); Indien geen problemen worden waargenomen tijdens de eerste 5-10 minuten van operatie, is het waarschijnlijk dat er enkele uren van ononderbroken monodispers deeltje productie kunnen worden bereikt. Het gebruik van de voorloper van polymeren met een relatief goed matched viscositeiten, alsmede niet-momentane gelering tijden (ten minste > 15 s beter) sterk helpt bij het vermijden van deze problemen en de bevordering van de vorming van stabiele stromen.

Opmerking dat stromen verschillende tarieven variërend van 0.01-0,1 mL/h in de waterfase en 1.1-5,5 mL/h in de olie-fase zijn getest met behulp van deze chip ontwerp, wat leidt tot de fabricage van deeltjes op de groottewaaier van ~ 25-100 µm volgens de shear toegepast op de stroom-focusing junction; sneller debiet gelijkstaan aan hogere schuintrekken en dus kleinere deeltjes31,32gevormd. Variëren van het debiet olie terwijl het totale waterige debiet laag (~0.03 mL/h, zoals aangehaald in het protocol) bleek te zijn meest efficiënte gel microparticle om grootte te controleren zonder afbreuk te doen aan de monodispersity of de levensduur van het apparaat bij te houden, waren die beide waargenomen leiden tot aanzienlijke afname aan het hogere einde van het genoemde totale waterige debiet. Grotere olie debiet (> 5,5 mL/h) maken kleinere deeltjes zijn mogelijk, maar vergroot het risico van chip delaminatie (een gemeenschappelijke beperking ondervonden met plasma-gebonden PDMS microfluidic chips). Verlijmen van de chips met een andere methode kunnen sneller stroomsnelheid en dus kleinere gel microparticle productie, een strategie die we momenteel aan het verkennen zijn. Het verkleinen van de verstuiver kan ook helpen om de grootte van de deeltjes die zou kunnen worden geproduceerd, zij het op een verhoogd risico van voortijdige gelering vóór deeltjesvorming. Langzamer debiet de neiging om te leiden tot stromen van instabiliteit en dus hogere polydispersiteit en een verhoogd risico op chip gelering; Deze beperking kan worden overwonnen met behulp van een meerkanaals microfluidic control-stroomsysteem met hogere stabiliteit en hogere resolutie dan de standaard injectiespuit pompen gebruikt in dit protocol.

De keuze van de olie was cruciaal voor het succes van dit protocol, als zwaardere olie (gunstig in termen van preventie gel microparticle agglomeratie na collectie) leidde tot veel minder consequent deeltjesvorming op de verstuiver dan de lichte siliconenolie gemeld het protocol. We veronderstellen dat dit verlaagd reproduceerbaarheid is een gevolg van lagere consistentie van de injectiespuit pompen van zwaardere olie, wat leidt tot meer variabele schuintrekken op het mengen punt. Vermijden van gel microparticle aggregatie in de collectie kolf was ook een uitdaging, met name onmiddellijk bij de uitgang van het apparaat van de microfluidic op welk punt in situ gelering niet volledig en grote aantallen beschikbaar reactieve was functionele groepen waren beschikbaar voor formulier bruggen tussen botsende deeltjes in het bad collectie. Deze uitdaging is gericht door: verhoging van de lengte van het kanaal van de afrit op de microfluidic-chip zelf, de gel microdeeltjes in laminaire flow wordt gehandhaafd voor een langere periode van tijd te bevorderen vollediger gelering; de kant-kanalen toevoegen na het mondstuk te voeden meer olie in de chip en dus beter separaat de gel microdeeltjes in deze post mengen kanaal zonder de shear velden op de verstuiver zelf of de productieomvang deeltjes; en een magnetische mixer toe te voegen aan de collectie maatkolf om te voorkomen dat gel microparticle sedimentatie en handhaven van een grotere gemiddelde scheiding tussen aangrenzende deeltjes. Terwijl erg traag gelerend polymeren zou waarschijnlijk verbeteren van de stabiliteit van het apparaat en het minimaliseren van de problemen met priming, werden dergelijke systemen ook waargenomen aanzienlijk verhogen het risico van gel microparticle aggregatie, als een groter aantal reactieve functionele groepen blijft spoorverontreiniging (en dus kunnen formulier Inter deeltje bruggen) over een langere periode van tijd. Als zodanig, gelering keer over de volgorde van 15-60 s lijken te zijn optimaal voor deze techniek: traag genoeg om priming maar snel genoeg om de meest reactieve functionele groepen worden verbruikt vóór de gel microdeeltjes verlaten van het kanaal van de laminaire flow in de collectie kolf.

Verwijdering van de templating olie is ten slotte essentieel om te zorgen dat de daaruit voortvloeiende deeltjes behouden dat de slimme eigenschappen verwacht op basis van de samenstelling van de pre-polymeren toegevoegd en gebruik van deze deeltjes in een biomedische context inschakelen. Het pentaan wassen beschreven procedure was zeer effectief in dit opzicht voor algemene gel microparticle productie. De toepassing van deze techniek in een directe biomedische context (bijv, op de chip cel inkapseling) zou echter herbeoordeling van dit protocol. We hebben ook het gebruik van olijfolie, voorgesteld als dat een meer inerte olie in het kader van contact met cellen36, als het dispergeermiddel onderzocht. Terwijl deeltjesvorming mogelijk was, waren de gel microparticle bevolking aanzienlijk meer polydisperse dan met minerale olie, althans met de huidige chip ontwerp kan worden bereikt. Dus, hoewel de chip lijkt te worden aangepast aan zowel synthetische polymeren en natuurlijke polymeer gel microparticle vorming31, een aangepast ontwerp kan worden verlangd om te exploiteren deze techniek meer in het algemeen over alle mogelijke materiële combinaties.

Nanoschaal hydrogels via reactieve zelf-assemblage
Nanogels hebben gevormd met behulp van een zeer breed scala van voorwaarden, met inbegrip van verschillende concentraties van zaad polymeer verwerking (0.5-2 wt %), verschillende ratio's van crosslinking:seed polymeer (0,05-0,2), verschillende temperaturen (40-80 ° C), verschillende snelheden () mengen 200-800 rpm), en verschillende verwarming tijden na de toevoeging van de crosslinker polymeer (2-60 min)28. In termen van concentraties zijn de waargenomen trends in het algemeen zou worden voorspeld, omdat hogere concentraties van zaad polymeer tot grotere nanogels leiden en hogere ratio's van crosslinker:seed polymeer leiden tot nanogels met hogere dwarslijn dichtheden en dus lagere thermoresponsivities. Benadrukt moet worden dat de verhoging van het zaad-polymeer concentratie te hoog uiteindelijk leidt tot samenvoeging in tegenstelling tot nanoaggregation, consistent met wat is waargenomen in de conventionele vrije radicalen neerslag proces voor de vorming van bulk thermoresponsive nanogels3. Kortere verwarming tijden werden ook gevonden te zijn gunstig voor kleinere vormen en meer monodispers deeltjes. We veronderstellen dat bedrijf de nanoaggregate langer tijde bij een temperatuur boven de LCST een of beide van de polymeren vallende voorloper verhoogt de kans op aggregatie op nanogel de botsing, met de toegenomen hydrophobicity van de obligatie hydrazon ten opzichte ofwel de voorloper aldehyde of hydrazide functionele groepen waardoor deze aggregatie meer waarschijnlijk zoals de mate van crosslinking bereikt wordt verhoogd. Uiteindelijk, kortere verwarming tijden zijn gunstig vanuit het perspectief van een proces, zoals een monodispers nanogel bevolking kan worden gevormd in minder dan 2 min na crosslinker polymeer toevoeging; 10 min bleek te zijn de langste tijd die consequent monodispers nanogels terwijl ook voor de productie van meer hoogst kruisverwijzende nanogels kon produceren. De methode is interessant, opmerkelijk ongevoelig voor het mengen, met bijna identieke deeltjesgrootte en deeltje grootte uitkeringen als gevolg van mengen op verschillende snelheden, of zelfs het schalen van het proces van grotere volumes. Hoewel in eerste instantie verrast door dit resultaat, spreekt het waarschijnlijk aan de primaire rol van de thermodynamica bij het reguleren van productie van de nanogel.

Om te bereiken lage polydispersiteit, lijken de colloïdale stabiliteit en de mate van hydratatie van de nanoaggregate de belangrijkste variabelen. Bijvoorbeeld, leiden nanoaggregates opgesteld op basis van de meer hydrofiele polymeren vallende hydrazide-matiemaatschappij als de zaad in tegenstelling tot de minder hydrofiele polymeren vallende aldehyde-matiemaatschappij tot nanogels met aanzienlijk lager polydispersiteit. Het verschil tussen de temperatuur van de experimentele vergadering en de LCST van het zaad-polymeer is ook cruciaal. Bij een temperatuur net boven het zaad polymeer LCST ((T-LCST) < 5 ° C) biedt de hoogste kans op de vorming van de nanogel van de monodispers; die ruim boven de LCST creëert meer hydrofobe en samengevouwen nanoaggregates die vaker tot statistische en minder waarschijnlijk naar dwarslijn, terwijl de bedrijfslasten onder de resultaten van de LCST in een relatief niet-compacte zaad polymeer dat niet effectief zijn of reproducibly kruisverwijzende. Voor de beste voorspelling van deeltje monodispersity, het is raadzaam eerst het uitvoeren van een scan UV/vis voor het meten van het begin van de LCST van het zaad-polymeer en vervolgens de zelf-assemblage proces uitvoeren bij een temperatuur van 1-2 ° C boven dat LCST.

Merk op dat nanogels geproduceerd met behulp van deze methode kan worden gelyofiliseerde vorm en redispersed zonder enige verandering in colloïdale stabiliteit, vaak niet mogelijk voor zelf geassembleerde structuren en volgens ons te wijten aan onze crosslinking stabilisatie methode. Wij verwachten ook dat alleen het zaad polymeer dient te worden thermoresponsive deze methode werkt; gebruik van polymeren die ofwel niet-reagerende of reageren op andere stimuli dwarsbinding kan de ultieme toepasselijkheid van deze techniek verder verbreden. Tot slot, aangezien het mengen van de twee de voorloper van de reactieve polymeren is in dit geval passief in tegenstelling tot actieve, gelering tijd is veel minder belangrijk in termen van de procesbeheersing ten opzichte van de andere fabricage strategieën beschreven. Echter, zelfs in deze techniek, houden de totale crosslinking tijd < 30 min is het wenselijk om te minimaliseren van het risico van deeltje aggregatie.

Nanofibrous hydrogels via reactieve electrospinning
Beheersing van de gelering tijd van de reactieve polymeren vallende pre is weer essentieel voor het succes van de gel nanofiber productie. In het bijzonder, ongeveer overeenkomen met de verblijftijd van de polymeren vallende voorloper in de statische mixer (gecontroleerd door het veranderen van het debiet van de oplossing van de dubbele vat spuit, evenals de lengte en de tortuosity van de statische mixer) met de bulk gelering tijd van de polymeren vallende voorloper is essentieel zowel voor behoud van spinnability, alsmede het zorgen voor doeltreffende crosslinking van de gesponnen vezels tussen de naald en de verzamelaar. Sneller gelering leidt tot een ineffectieve Taylor kegel ontwikkeling en dus de arme spinnability, terwijl de langzamere gelering resultaten in een waterige oplossing in plaats van een gel het raken van de verzamelaar, wat resulteert in de verspreiding en de uiteindelijke vorming van een dunne film in plaats van gel nanofibers. Arbeidstijd residentie tijde iets hieronder de bulk gelering is ook gevonden effectief (en inderdaad beter om het risico van verstopping van de naald) Aangezien de verdamping van het water als de oplossing wordt gesponnen effectief concentreert zich de voorloper polymeren vallende binnen de streamen en versnelt dus gelering kinetiek tijdens het spinnen. In deze zelfde ader, die op hogere naald-naar-verzamelaar afstanden (> 10 cm) is over het algemeen gunstig in dit proces, zoals kortere afstanden minder tijd beschikbaar voor verdamping van het water en zo nodig strengere controle over de relatie tussen verblijftijd en gelering tijd om de houdbaarheid van een product van nanofibrous.

Merk op dat het gebruik van PEO (of een ander ultrahoog moleculair gewicht en eenvoudig electrospun polymeer) is van essentieel belang in dit protocol ter bevordering van de vorming van de nanofiber, zoals de korte en zeer vertakte POEGMA oligomeren niet alleen het bereiken van een voldoende mate van entanglement ertoe electrospinning; electrospray resultaten verwerken in plaats daarvan op alle voorwaarden getest voor alleen-POEGMA formuleringen (hoewel dit ook toepassingen wellicht voor het maken van afbreekbare gel deeltjes met behulp van deze dezelfde chemie). Een minimumconcentratie van de PEO van 1% van de wt (1 MDa molecuulgewicht) is vereist om een volledig nanofibrous morfologie. Merk op dat de PEO kan worden verwijderd uit de vezels die na een eenvoudige inweken procedure (gedeïoniseerd water, 24-uurs) zonder het verstoren van de integriteit van het netwerk van nanofibrous; op deze manier fungeert PEO meer als een voorbijgaande electrospinning steun dan een essentieel onderdeel van het definitieve nanofibrous product. Merk ook op dat verschillende soorten verzamelaars, met inbegrip van eenvoudige aluminiumfolie (om dunne laag hydrogels die kan delamineren maken van de verzamelaar bij inweken) evenals een roterende aluminium schijf (voor dikker steigers) kunnen worden gebruikt in combinatie met deze zelfde techniek, verstrekt de andere procesvariabelen beheersing van het tarief van gelering, het tarief van electrospinning en het tempo van de verdamping van het water tijdens electrospinning ongewijzigd blijven.

Interessant, afhankelijk van de gebruikte methode voor het bereiden van de verschillende morphologies, significante verschillen waargenomen in de tijden van de afbraak van de hydrogels bereid uit de dezelfde hydrogel precursoren. Bijvoorbeeld, degraderen POEGMA nanofibrous hydrogels langzamer dan bulk POEGMA hydrogels met dezelfde samenstelling ondanks hun aanzienlijk hogere oppervlakte en dus toegang tot water te hydrolyseren het hydrazon obligaties. We hebben betrekking op deze verschillen met de inherente contrasten tussen de beschreven protocollen in termen van de geometrie van het mengen van de voorloper van polymeren, hetgeen tot interne gel homogeneities leiden kunnen en/of morphologies die aanzienlijk verschillen en/of de in situ concentratie van polymere precursors op dezelfde tijdschaal als gelering, bijzonder relevant in electrospinning als gevolg van de gelijktijdige water verdamping en crosslinking waargenomen in dit proces. Terwijl dit de keuze van de polymeren vallende voorloper enigszins compliceren kan als één polymeer voor gebruik in elk protocol is gericht, kan het ook een technische kans in termen van het maken van de hydrogels met een chemische samenstelling, maar zeer verschillende fysische eigenschappen bieden.

Over het geheel genomen de methoden beschreven bieden een strategie voor het fabriceren van afbreekbaar (of ten minste renally clearable) analogen van thermoresponsive polymeren op meerdere lengte schalen (bulk, micro en nano) en met verschillende soorten interne structuren (deeltjes of vezels). Dergelijke protocollen pakken de belangrijkste belemmeringen voor de succesvolle vertaling van synthetische thermoresponsive conventioneel bereid materialen naar het biomedische veld: injectiecapaciteit en afbreekbaarheid. Wij blijven onderzoeken van de toepassing van dergelijk materiaal in zowel drug delivery en weefsel technische toepassingen variërend van de fysieke targeting op kankers, het vervoer van drugs over de bloed - hersen barrière, de therapeutische levering van eiwitten op de achterkant van het oog, de directionele groei van weefsels, en de thermoreversible hechting en differentiatie van cellen, onder andere toepassingen.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Financiering van de natuurwetenschappen en de Engineering onderzoek Raad van Canada (NSERC), het maken van de NSERC-IDEM (geïntegreerde ontwerp van extracellulaire Matrices) program, 20/20: NSERC Ophthalmic biomaterialen onderzoeksnetwerk, en de Ontario ministerie van onderzoek en Innovatie vroege onderzoeker Awards programma wordt erkend.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Chemicals
2,2 - azobisisobutryic acid dimethyl ester Wako Chemicals 101138
Di(ethylene glycol) methyl ether methacrylate (M(EO)2MA) Sigma Aldrich 447927 188.2 g/mol, n=2 ethylene oxide repeat units
Oligo (ethylene glycol) methyl ether methacrylate (OEGMA475) Sigma Aldrich 447943 475 g/mol, n=8-9 ethylene oxide repeat units
Acrylic acid (AA), 99% Sigma Aldrich 147230
Thioglycolic acid (TGA), 98% Sigma Aldrich T3758
Dioxane, 99% Caledon Labs 360481
Nitrogen, UHP grade Air Liquide Alphagaz1 765A-44
Adipic acid dihydrazide (ADH), 98% Alfa Aesar A15119
N'-ethyl-N-(3- dimethylaminopropyl)-carbodiimide (EDC, x%) Carbosynth FD05800
Hydrochloric acid (HCl), 37% Sigma Aldrich 320331
Sodium hydroxide (NaOH), 97% Sigma Aldrich 221465
Aminoacetyl aldehyde dimethyl acetal, 99% Sigma Aldrich 121967
4-Hydroxy-TEMPO, 97% Sigma Aldrich 176141
Methacryloyl chloride,97x% Sigma Aldrich 523216
Petroleum ether, 95% Sigma Aldrich 32047
Magnesium sulfate, 99.5% Sigma Aldrich M7506
tert-Butyl methyl ether, >99.0% Sigma Aldrich 443808
Phosphate buffered saline BioShop PBS405.1 1x, pH 7.3-7.5
N-isopropylacrylamide, 99% J&K Scientific 258717 Recrystallized from 60% hexanes/40% toluene
Ethanol, anhydrous Commerical Alchols P016EAAN
Span 80 Sigma Aldrich S6760
Heavy paraffin oil Caledon Labs 1326197
Pentane, reagent grade Caledon Labs 1/10/7800
Poly (ethylene oxide) average Mv 600,000 Sigma Aldrich 182028
Supplies essential for synthesis and hydrogel fabrication
Rotary evaporator Heidolph G3
Dialysis tubing (3500 Da molecular weight cut-off) Spectrum Labs 28170-166 Vol/length= 6.4mL/cm
Double barrel syringe Medmix L series L series, 2.5 mL, 1:1 volume ratio
Static mixer Medmix L series L series, 2.5 mL, 1:1 volume ratio, 1.5" length
Silicone rubber sheet, 1/16" thickness McMaster-Carr 9010K12, 30A Durometer (Super Soft)
Syringe pump KD Scientific KDS Legato 200 Infuse Only Dual Syringe Pump
High voltage power supply Spellman 230-20R 0 to 20 kV
Microfluidic Chip Fabrication
Silicon wafer University Wafer 2080 D = 76.2 mm; 380 µm thickness; P-doped; <100> orientation 
SU-8 100 MicroChem Y131273
SU-8 Developer MicroChem Y020100
Custom 2.5" spincoater Built in-house N/A
Mask Aligner KARL SUSS MJB3 UV400 (with a 276 W lamp)
Masterflex L/S 13 Silicone Tubing Cole Parmer OF-96400-13 Peroxide-cured
Dow Corning Sygard 184 Silicone Elastomer Base  Ellsworth Adhesives 4019862
Dow Corning Sygard 184 Silicone Elastomer Curing Agent  Ellsworth Adhesives 4019862
High Power Plasma Cleaner  Harrick PDC-002-HP
Characterization Instruments
Mach 1 micromechanical tester Biomomentum LB007-EN
Cellstar tissue culture 12 well plate Greiner Bio-one 665 180
Cell culture insert for 12 well plate Corning 08-771-12 8 µm pore size
Optical microscope Olympus BX51 optical microscope BX51
Temperature-controlled microscope stage Linkam Scientific THMS600
Gel permeation chromatograph (GPC) Waters 590 HPLC Pump Waters Styragel columns (HR2, HR3, HR4; 30 cm x 7.8 mm (ID); 5 mm particles), Waters 410 refractive index detector
Dynamic light scattering (DLS) Brookhaven 90Plus Particle Size Analyzer
Transmission electron microscopy (TEM) TEMSCAN JEOL 1200EX Accelerating voltage 100 kV
Scanning electron microscopy (SEM) Tescan Vega II LSU Accelerating voltage 10 kV
Microsquisher CellScale Biomaterials Testing MS-50M-01

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Heskins, M., Guillet, J. E. Solution Properties of Poly(N-isopropylacrylamide). J. Macromol. Sci. A. 2 (8), 1441-1455 (1968).
  2. Lutz, J. -F., Akdemir, Ö, Hoth, A. Point by Point Comparison of Two Thermosensitive Polymers Exhibiting a Similar LCST: Is the Age of Poly(NIPAM) Over. J. Am. Chem. Soc. 128 (40), 13046-13047 (2006).
  3. Pelton, R. H., Chibante, P. Preparation of Aqueous Lattices with N-Isopropylacrylamide. Colloids Surf. 20 (3), 247-256 (1986).
  4. Palasis, M., Gehrke, S. H. Permeability of Responsive Poly(N-Isopropylacrylamide) Gel to Solutes. J. Controlled Release. 18 (1), 1-11 (1992).
  5. Kawaguchi, H., Fujimoto, K., Mizuhara, Y. Hydrogel Microspheres .3. Temperature-Dependent Adsorption of Proteins on Poly-N-Isopropylacrylamide Hydrogel Microspheres. Colloid Polym. Sci. 270 (1), 53-57 (1992).
  6. Okuyama, Y., Yoshida, R., Sakai, K., Okano, T., Sakurai, Y. Swelling Controlled Zero-Order and Sigmoidal Drug-Release from Thermoresponsive Poly(N-Isopropylacrylamide-Co-Butyl Methacrylate) Hydrogel. J. Biomater. Sci. Polym. Ed. 4 (5), 545-556 (1993).
  7. Snowden, M. J. The Use of Poly(N-Isopropylacrylamide) Lattices as Novel Release Systems. J. Chem. Soc. - Chem. Comm. (11), 803-804 (1992).
  8. Haraguchi, K., Takehisa, T., Ebato, M. Control of cell cultivation and cell sheet detachment on the surface of polymer/clay nanocomposite hydrogels. Biomacromolecules. 7 (11), 3267-3275 (2006).
  9. Lee, B., et al. Initiated chemical vapor deposition of thermoresponsive poly(N-vinylcaprolactam) thin films for cell sheet engineering. Acta Biomater. 9 (8), 7691-7698 (2013).
  10. Cole, M. A., Voelcker, N. H., Thissen, H., Griesser, H. J. Stimuli-responsive interfaces and systems for the control of protein-surface and cell-surface interactions. Biomaterials. 30 (9), 1827-1850 (2009).
  11. Feil, H., Bae, Y. H., Feijen, J., Kim, S. W. Molecular Separation by Thermosensitive Hydrogel Membranes. J. Membrane Sci. 64 (3), 283-294 (1991).
  12. Kim, J., Park, K. Smart hydrogels for bioseparation. Bioseparation. 7 (4-5), 177-184 (1998).
  13. Yamashita, K., Nishimura, T., Nango, M. Preparation of IPN-type stimuli responsive heavy-metal-ion adsorbent gel. Polym. Adv. Tech. 14 (3-5), 189-194 (2003).
  14. Ziolkowski, B., Czugala, M., Diamond, D. Integrating stimulus responsive materials and microfluidics: The key to next-generation chemical sensors. J. Intelligent Mater. Syst. Struct. 24 (18), 2221-2238 (2013).
  15. Zhang, Y., Kato, S., Anazawa, T. A flap-type hydrogel actuator with fast responses to temperature. Smart Mater. Struct. 16 (6), 2175-2182 (2007).
  16. Suzuki, D., Taniguchi, H., Yoshida, R. Autonomously Oscillating Viscosity in Microgel Dispersions. J. Am. Chem. Soc. 131 (34), 12058-12059 (2009).
  17. Schild, H. G. Poly(N-isopropylacrylamide): Experiment, Theory and Application. Prog. Polym. Sci. 17, 163-249 (1992).
  18. Oh, J. K., Min, K., Matyjaszewski, K. Preparation of poly (oligo (ethylene glycol) monomethyl ether methacrylate) by homogeneous aqueous AGET ATRP. Macromolecules. 39 (9), 3161-3167 (2006).
  19. Vihola, H., Laukkanen, A., Tenhu, H., Hirvonen, J. Drug Release Characteristics of Physically Cross-Linked Thermosensitive Poly(N-vinylcaprolactam) Hydrogel Particles. J. Pharm. Sci. 97 (11), 4783-4793 (2008).
  20. Zhang, L. F., Liang, Y., Meng, L. Z. Thermo-sensitive amphiphilic poly(N-vinylcaprolactam) copolymers: synthesis and solution properties. Polym. Adv. Tech. 21 (10), 720-725 (2010).
  21. Smeets, N. M. B., Bakaic, E., Patenaude, M., Hoare, T. Injectable and tunable poly(ethylene glycol) analogue hydrogels based on poly(oligoethylene glycol methacrylate). Chem. Comm. 50 (25), 3306-3309 (2014).
  22. Lutz, J. -F. Polymerization of oligo (ethylene glycol)(meth) acrylates: toward new generations of smart biocompatible materials. J. Polym. Sci. A. 46 (11), 3459-3470 (2008).
  23. Lutz, J. -F., Hoth, A. Preparation of Ideal PEG Analogues with a Tunable Thermosensitivity by Controlled Radical Copolymerization of 2-(2-Methoxyethoxy)ethyl Methacrylate and Oligo(ethylene glycol) Methacrylate. Macromolecules. 39 (2), 893-896 (2006).
  24. Patenaude, M., Campbell, S., Kinio, D., Hoare, T. Tuning Gelation Time and Morphology of Injectable Hydrogels Using Ketone-Hydrazide Cross-Linking. Biomacromolecules. 15 (3), 781-790 (2014).
  25. Patenaude, M., Hoare, T. Injectable, Degradable Thermoresponsive Poly(N-isopropylacrylamide) Hydrogels. ACS Macro Lett. 1 (3), 409-413 (2012).
  26. Patenaude, M., Hoare, T. Injectable, Mixed Natural-Synthetic Polymer Hydrogels with Modular Properties. Biomacromolecules. 13 (2), 369-378 (2012).
  27. Smeets, N. M. B., Bakaic, E., Patenaude, M., Hoare, T. Injectable poly(oligoethylene glycol methacrylate)-based hydrogels with tunable phase transition behaviours: Physicochemical and biological responses. Acta Biomater. 10 (10), 4143-4155 (2014).
  28. Sivakumaran, D., Mueller, E., Hoare, T. Temperature-Induced Assembly of Monodisperse, Covalently Cross-Linked, and Degradable Poly(N-isopropylacrylamide) Microgels Based on Oligomeric Precursors. Langmuir. 31, 5767-5778 (2015).
  29. Bakaic, E., Smeets, N. M. B., Dorrington, H., Hoare, T. "Off-the-shelf" thermoresponsive hydrogel design: tuning hydrogel properties by mixing precursor polymers with different lower-critical solution temperatures. RSC Adv. 5 (42), 33364-33376 (2015).
  30. Bulpitt, P., Aeschlimann, D. New strategy for chemical modification of hyaluronic acid: Preparation of functionalized derivatives and their use in the formation of novel biocompatible hydrogels. J. Biomed. Mater. Res. 47 (2), 152-169 (1999).
  31. Kesselman, L. R. B., Shinwary, S., Selvaganapathy, P. R., Hoare, T. Synthesis of Monodisperse, Covalently Cross-Linked, Degradable "Smart" Microgels Using Microfluidics. Small. 8 (7), 1092-1098 (2012).
  32. Sivakumaran, D., Mueller, E., Hoare, T. Microfluidic production of degradable thermoresponsive microgels based on poly(N-isopropylacrylamide). Soft Matter. , (2016).
  33. Xu, F., Sheardown, H., Hoare, T. Reactive Electrospinning of Degradable Poly(oligoethylene glycol methacrylate)-Based Nanofibrous Hydrogel Networks. Chem. Comm. 52 (7), 1451-1454 (2016).
  34. Troll, K., et al. The collapse transition of poly(styrene-b-(N-isopropyl acrylamide)) diblock copolymers in aqueous solution and in thin films. Colloid Polym. Sci. 286 (8), 1079-1092 (2008).
  35. Patenaude, M., Campbell, S., Kinio, D., Hoare, T. Tuning Gelation Time and Morphology of Injectable Hydrogels Using Ketone-Hydrazide Cross-Linking. Biomacromolecules. 15 (3), 781-790 (2014).
  36. Kelly, T. A., Felder, M. S., Ollar, R. A. Inducing Apoptosis in a Mammalian Cell by Contacting with Paraffin or Agar. US Patent. , 6,274,377 (2001).

Tags

Bioengineering kwestie 134 Hydrogels slimme materialen Thermoresponsive materialen Poly(N-Isopropylacrylamide) Poly (Oligoethylene Glycol methacrylaat) afbraak In Situ gelerend Microfluidics zelf-assemblage Electrospinning
Fabriceren van afbreekbaar Thermoresponsive Hydrogels op meerdere lengte schalen via reactieve extrusie, Microfluidics, zelf-assemblage en Electrospinning
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Sivakumaran, D., Bakaic, E.,… More

Sivakumaran, D., Bakaic, E., Campbell, S. B., Xu, F., Mueller, E., Hoare, T. Fabricating Degradable Thermoresponsive Hydrogels on Multiple Length Scales via Reactive Extrusion, Microfluidics, Self-assembly, and Electrospinning. J. Vis. Exp. (134), e54502, doi:10.3791/54502 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter