Fragmentación de hidrogeles a granel y procesamiento en hidrogeles granulares para aplicaciones biomédicas

Resumen

Este trabajo describe métodos sencillos, adaptables y de bajo costo para fabricar microgeles con fragmentación por extrusión, procesar los microgeles en hidrogeles granulares inyectables y aplicar los hidrogeles granulares como tintas de impresión de extrusión para aplicaciones biomédicas.

Resumen

Los hidrogeles granulares son conjuntos atascados de micropartículas de hidrogel (es decir, "microgeles"). En el campo de los biomateriales, los hidrogeles granulares tienen muchas propiedades ventajosas, incluida la inyectabilidad, la porosidad a microescala y la capacidad de sintonización al mezclar múltiples poblaciones de microgeles. Los métodos para fabricar microgeles a menudo se basan en emulsiones de agua en aceite (por ejemplo, microfluídica, emulsiones por lotes, electropulverización) o fotolitografía, que pueden presentar altas demandas en términos de recursos y costos, y pueden no ser compatibles con muchos hidrogeles. Este trabajo detalla métodos simples pero altamente efectivos para fabricar microgeles utilizando la fragmentación por extrusión y procesarlos en hidrogeles granulares útiles para aplicaciones biomédicas (por ejemplo, tintas de impresión 3D). En primer lugar, los hidrogeles a granel (utilizando ácido hialurónico fotoreticulable (HA) como ejemplo) se extruyen a través de una serie de agujas con diámetros secuencialmente más pequeños para formar microgeles fragmentados. Esta técnica de fabricación de microgel es rápida, de bajo costo y altamente escalable. Se describen los métodos para atascar microgeles en hidrogeles granulares por centrifugación y filtración impulsada por vacío, con post-reticulación opcional para la estabilización del hidrogel. Por último, los hidrogeles granulares fabricados a partir de microgeles fragmentados se demuestran como tintas de impresión por extrusión. Si bien los ejemplos descritos en este documento utilizan HA fotoreticulable para la impresión 3D, los métodos son fácilmente adaptables para una amplia variedad de tipos de hidrogel y aplicaciones biomédicas.

Introducción

Los hidrogeles granulares se fabrican a través del empaquetamiento de partículas de hidrogel (es decir, microgeles) y son una clase emocionante de biomateriales con muchas propiedades ventajosas para aplicaciones biomédicas ^1,2,3. Debido a su estructura de partículas, los hidrogeles granulares son de adelgazamiento por cizallamiento y autocuración, lo que permite su uso como tintas (bio)de impresión por extrusión, soportes granulares para impresión incrustada y terapias inyectables 4,5,6,7,8,9.

Protocolo

1. Fabricación de hidrogeles a granel dentro de una jeringa mediante fotoreticulación

NOTA: En la Figura 1 se muestra una descripción general de la fabricación de hidrogel a granel dentro de una jeringa mediante fotoreticulación. Este protocolo utiliza ácido hialurónico modificado con norborneno (NorHA) para fabricar hidrogeles a granel utilizando una reacción de tiol-ene fotomediada. Los procedimientos detallados para la síntesis de NorHA se describen en otra parte³⁸. Sin embargo, este protocolo es altamente adaptable a cualquier hidrogel fotoreticulable. Consulte Discusi....

Resultados

Los resultados representativos de estos protocolos se muestran en la Figura 3 y la Figura 6. La fragmentación por extrusión produce microgeles con formas de polígonos irregulares con diámetros que oscilan entre 10-300 μm (Figura 3). Además, la circularidad varía de 0.2 (no circular) a casi 1 (círculo perfecto), y la relación de aspecto varía de 1 a 3 (Figura 3). Estos parámetros describen las.......

Discusión

Aquí, se describen los métodos para fabricar hidrogeles granulares utilizando microgeles fragmentados por extrusión y empaque por centrifugación o filtración impulsada por vacío. En comparación con otros métodos de fabricación de microgel (es decir, microfluídica, emulsiones por lotes, electropulverización, fotolitografía), la fabricación de microgel de fragmentación por extrusión es altamente rápida, de bajo costo, fácilmente escalable y susceptible de una amplia variedad de sistemas de hidrogel. Ademá.......

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
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