Name: fragmenting bulk hydrogels and processing into granular hydrogels for biomedical applications
Uploaded: 2022-05-17T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Fragmenting Bulk Hydrogels and Processing into Granular Hydrogels for Biomedical Applications at JoVE.com

这项工作得到了美国国家科学基金会通过UPenn MRSEC计划（DMR-1720530）和研究生研究奖学金（V.G.M和M.E.P.）以及美国国立卫生研究院（R01AR077362到J.A.B.）的支持。

1.使用光交联在注射器内制造散装水凝胶
注：使用光交联在注射器内制造散装水凝胶的概述如图 1所示。该方案使用降冰片烯修饰的透明质酸（NorHA）通过光介导的硫醇烯反应制造本体水凝胶。NorHA合成的详细程序在别处38中描述。然而，该方案高度适应任何光交联的水凝胶。有关详细信息，请参阅讨论。
<ol><li>预先确定用...

本文描述了使用挤出碎片微凝胶并通过离心或真空驱动过滤进行包装来制造颗粒水凝胶的方法。与其他微凝胶制造方法（即微流体，间歇乳液，电喷雾，光刻）相比，挤出碎片微凝胶制造非常快速，低成本，易于扩展，并且适用于各种水凝胶系统。此外，该协议具有高度可重复性，具有最小的批次间变异性，其在前面的工作39中具有特征。
该方案使用降冰片...

颗粒状水凝胶是通过水凝胶颗粒（即微凝胶）的填充而制造的，并且是一类令人兴奋的生物材料，具有许多生物医学应用的优势特性1，2，3。由于其颗粒结构，颗粒水凝胶具有剪切变稀和自愈合，允许它们用作挤出印刷（生物）油墨，用于嵌入式印刷的颗粒状载体和注射治疗剂4，5，6，7，8，9。此外，微凝胶之间的空隙空间为细胞运动和分子扩散提供了微尺度的孔隙率8，10，11。此外，多个微凝胶群体可以组合成单个配方，以允许增强的可调性和材料功能8，10，12，13。这些重要的特性推动了近年来颗粒状水凝胶的快速发展。
有一系列方法可用于形成微凝胶以用于颗粒水凝胶制造，每种方法都有其自身的优点和缺点。例如，微凝胶通常由油包水乳液使用液滴微流体4，11，13，14，15，16，17，间歇乳液7，18，19，20，21，22或电喷雾6，23，24，25.这些方法产生具有均匀（微流体）或多分散（间歇乳液，电喷雾）直径的球形微凝胶。这些油包水乳液制造方法存在一些局限性，包括潜在的低通量生产，对低粘度水凝胶前体溶液的需求，以及设置的高成本和资源。此外，这些方案可能需要刺激性油和表面活性剂，必须使用添加处理步骤的程序从微凝胶中清洗，并且可能难以转化为许多实验室中生物医学应用的无菌条件。为了消除对油包水乳液的需求，也可以使用（光）光刻，其中使用模具或光掩模来控制来自水凝胶前体溶液1，26，27的微凝胶的固化。与微流体一样，这些方法的生产吞吐量可能有限，这在需要大量时是一个重大挑战。
作为这些方法的替代方法，散装水凝胶的机械破碎已被用于制造不规则尺寸19，28，29，30，31，32的微凝胶。例如，本体水凝胶可以预先形成并随后通过网状物或筛子以形成碎片状微凝胶，该过程甚至在微凝胶链33，34内的细胞存在下完成。散装水凝胶也已使用诸如用研钵和研杵研磨或通过使用商业搅拌机35，36，37等技术加工成具有机械破坏的微凝胶。其他人还在水凝胶形成过程中使用机械搅拌来制造碎片状微凝胶（即流体凝胶）31。
本文的方法扩展了这些机械破碎技术，并提出了一种以光交联透明质酸（HA）水凝胶为例，通过挤出破碎制造微凝胶的简单方法。挤出破碎仅使用注射器和针头以低成本，高通量且易于扩展的方法制造碎片微凝胶，适用于各种水凝胶19，32。此外，使用离心（低填料）或真空驱动的过滤（高填料）来描述将这些碎片状微凝胶组装成颗粒水凝胶的方法。最后，讨论了这些碎片状颗粒水凝胶的应用，以用作挤出印刷油墨。该协议的目标是引入适用于各种水凝胶的简单方法，并且可以在几乎任何对颗粒水凝胶感兴趣的实验室中实施。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>15 mL Plastic Conical Centrifuge Tube</td>
			<td>Corning</td>
			<td>430766</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>30 G NT Premium Series Dispensing Tip</td>
			<td>Jensen Global</td>
			<td>JG30-0.5HPX</td>
			<td>Catalog Number listed here is for 30 G, 0.5&#34; needle. Various sizes are available.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BD Disposable Syringes with Luer-Lok Tips (3 mL)</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>14-823-435</td>
			<td>Catalog Number listed here is for 3 mL syringe. Various sizes are available (14-823-XXX).</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Black folders</td>
			<td>Various Vendors</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Disposable Probe Needle For Use With Syringes and Dispensing Machines (18 G, 0.5&#34;)</td>
			<td>Grainger</td>
			<td>5FVH5</td>
			<td>Catalog Number listed here is for 18 G, 0.5&#34; needle. Various sizes are available.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Disposable Probe Needle For Use With Syringes and Dispensing Machines (23 G, 0.5&#34;)</td>
			<td>Grainger</td>
			<td>5FVJ3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Disposable Probe Needle For Use With Syringes and Dispensing Machines (27 G, 1.5&#34;)</td>
			<td>Grainger</td>
			<td>5FVL0</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dulbecco&#39;s Phosphate Buffered Saline</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>14190-250</td>
			<td>Catalog Number listed here is for a case of 10 x 500 mL bottles.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Durapore Membrane Filter, 0.22 &#181;m</td>
			<td>Millipore</td>
			<td>GVWP04700</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Epifluorescent or confocal microscope</td>
			<td>Various Vendors</td>
			<td></td>
			<td>To visualize microgels and granular hydrogels</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Eppendorf Snap-Cap Microcentrifuge Safe-Lock Tubes</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>05-402-25</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Extrusion printer</td>
			<td>Custom-built</td>
			<td></td>
			<td>Other extrusion printers can be use,d such as commercially available BIOX.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Filter Adapters</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>05-888-107</td>
			<td>Catalog Number listed here is for a set of multiple sizes. Various sizes are available (05-888-XXX).</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Filter Flask</td>
			<td>Various Vendors</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fluorescein isothiocyanate-dextran (2 MDa)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>52471</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass microscope slide</td>
			<td>Various Vendors</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ImageJ</td>
			<td>National Institutes of Health</td>
			<td></td>
			<td>&#34;Analyze Particles&#34; information link: https://imagej.nih.gov/ij/docs/menus/analyze.html</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laptop</td>
			<td>Various Vendors</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Luer-Lock Tip Caps</td>
			<td>Integrated Dispensin g Solutions</td>
			<td>9991329</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Metal spatula for scooping</td>
			<td>Various Vendors</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microcentrifuge</td>
			<td>Various Vendors</td>
			<td></td>
			<td>Capable of speed up to 18,000 x g</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscoft Execl</td>
			<td>Microsoft</td>
			<td></td>
			<td>Other programs can be used, such as Google Slides.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>OmniCure S2000 Spot UV Curing System</td>
			<td>Excelitas Technologies</td>
			<td>S2000</td>
			<td>Different light systems may be used to fabricate bulk hydrogels if desired.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Porcelain Buchner Funnel with Fixed Perforated Plate</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>FB966C</td>
			<td>Catalog Number listed here is for 56mm diameter plate. Various sizes are available.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Radiometer</td>
			<td>Various Vendors</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Repetier Host</td>
			<td>Hot-World GmbH &#38; Co. KG</td>
			<td></td>
			<td>3D printing software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Screw-based extrusion printer</td>
			<td>Various Vendors</td>
			<td></td>
			<td>This study used a custom-modified 3D FDM printer (Velleman K8200). Many alternatives are available.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Solidworks/CAD software</td>
			<td>Dassault Syst&#232;mes SolidWorks Corporation</td>
			<td></td>
			<td>Other programs can be used, such as Blender or TinkerCAD.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tubing to Connect Filter Flask to Vacuum Line</td>
			<td>Various Vendors</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UV Eye Protection (i.e., safety glasses)</td>
			<td>Various Vendors</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fragmenting bulk hydrogels and processing into granular hydrogels for biomedical applications

颗粒水凝胶是水凝胶微粒（即“微凝胶”）的堵塞组件。在生物材料领域，颗粒水凝胶具有许多有利的性质，包括注射性，微尺度孔隙率以及通过混合多个微凝胶群体的可调性。制造微凝胶的方法通常依赖于油包水乳液（例如，微流体，批量乳液，电喷雾）或光刻，这可能在资源和成本方面提出很高的要求，并且可能与许多水凝胶不相容。这项工作详细介绍了使用挤出破碎法制造微凝胶的简单而高效的方法，并将其加工成对生物医学应用有用的颗粒水凝胶（例如，3D打印油墨）。首先，将块状水凝胶（以光交联透明质酸（HA）为例）通过一系列直径顺序较小的针挤出以形成碎片状的微凝胶。这种微凝胶制造技术快速，低成本且高度可扩展。描述了通过离心和真空驱动过滤将微凝胶卡入颗粒状水凝胶的方法，并可选配用于水凝胶稳定的后交联。最后，由碎片微凝胶制成的颗粒水凝胶被证明为挤出印刷油墨。虽然这里描述的示例使用光交叉链接HA进行3D打印，但这些方法很容易适应各种水凝胶类型和生物医学应用。

这些协议的代表性结果如图 3 和 图6所示。挤出破碎产生具有锯齿状多边形形状的微凝胶，直径范围为10-300μm（图3）。此外，圆度范围从0.2（非圆形）到几乎1（完美圆），长宽比范围从1-3（图3）。这些参数描述了由碎裂过程形成的不规则和锯齿状微凝胶形状。
当使用离心或真空驱动的...

Watch this Scientific Journal Video about Fragmenting Bulk Hydrogels and Processing into Granular Hydrogels for Biomedical Applications at JoVE.com

Fragmenting Bulk Hydrogels and Processing into Granular Hydrogels for Biomedical Applications

这项工作描述了通过挤出破碎制造微凝胶，将微凝胶加工成可注射的颗粒水凝胶，并将颗粒水凝胶用作生物医学应用的挤出印刷油墨的简单，适应性强且低成本的方法。

破碎散装水凝胶并加工成颗粒状水凝胶，用于生物医学应用

Granular hydrogels are jammed assemblies of hydrogel microparticles (i.e., &#34;microgels&#34;). In the field of biomaterials, granular hydrogels have ...

颗粒水凝胶是一类令人兴奋的新型生物材料，具有许多有利的特性。我们希望通过分享这些方法，我们可以增加用于生物医学应用的颗粒水凝胶的获取和创新。这种技术简单，成本低，易于适应许多化学品，几乎可以在任何实验室中实施。将3毫升注射器与水凝胶前体溶液一起加载。从空的3毫升注射器背面取下柱塞，并在注射器桶的顶部添加一个吸头盖。使用1， 000微升移液器将水凝胶前体溶液转移到带有吸头盖的注射器桶中。一只手握住装有水凝胶前体溶液的注射器桶，尖端盖朝下，桶的开口端朝上。将注射器柱塞放回注射器筒背面的开口处。轻轻地将注射器柱塞推入注射器柱塞，刚好足以密封注射器枪管背面的开口，小心地将柱塞和注射器枪管固定在一起，以确保注射器枪管的背面与柱塞密封。反转注射器，使柱塞朝下，尖端盖现在朝上。取下吸头盖，轻轻地将柱塞推入注射器筒中，直到所有空气从注射器中排出。将吸头盖重新连接到注射器上。确保将水凝胶前体溶液固定在带有吸头盖的3毫升注射器内。在打开紫外线灯之前，请确保采取适当的个人防护装备和防护措施。将装有水凝胶前体溶液的3毫升注射器置于UV点固化灯下所需的时间，以完全光交联。关闭紫外线灯并取下注射器。确保水凝胶现在在注射器内光交联。从空的3毫升注射器背面取下柱塞。将尖端盖固定在鲁尔锁上。从含有光交联散装水凝胶的注射器中取出吸头盖。将水凝胶注射器的顶部与空注射器上的桶的开口对齐。将散装水凝胶通过注射器开口挤出到空注射器的桶中。握住含有挤出水凝胶的注射器，使吸头盖朝下，桶开口朝上。使用1， 000微升移液器，向注射器桶中加入1.5微升PBS。将注射器柱塞与枪管的开口对齐，只需将柱塞推入足以形成密封即可。反转注射器，使柱塞现在朝下，尖端盖朝上，确保将柱塞和注射器桶固定到位，以免水凝胶或PBS泄漏。多次倒置以将碎片水凝胶与加入PBS混合。握住注射器，使吸头盖朝上，柱塞朝下。取下吸头盖。非常轻轻地向上推柱塞以从注射器内部除去任何空气。通过一系列针挤出碎片水凝胶溶液以产生碎片微凝胶。将钝尖18号针头固定在装有碎片水凝胶和PBS的注射器顶部。从新鲜的3毫升注射器中取出柱塞，并将吸头盖固定在空注射器桶上。将碎片水凝胶溶液通过18号针头挤出到空注射器桶的背面。将空的注射器和针头丢弃到适当的锐器废物流中。用23，27和30号针重复水凝胶溶液的挤出。在最后一个挤出步骤中，将碎片状微凝胶溶液挤出到微量离心管中。洗涤并分离破碎的微凝胶悬浮液。使用微量离心机，将碎片状微凝胶溶液以5， 000倍g旋转5分钟。使用移液器除去上清液。向每个含有碎片微凝胶的微量离心管中加入1毫升PBS，涡旋5至10秒。将20微升的碎片微凝胶悬浮液与180微升的PBS混合，形成稀释的碎片微凝胶悬浮液。涡旋彻底混合。将50微升稀释的碎片微凝胶悬浮液转移到玻璃显微镜载玻片上。使用落射荧光显微镜以4倍或10倍变焦获取荧光标记微凝胶的图像。使用真空驱动的过滤堵塞碎片微凝胶。组装并测试真空驱动的过滤装置。将布赫纳漏斗固定在过滤瓶内。使用管道将过滤瓶连接到真空管路。将膜过滤器放入巴克纳漏斗杯中。通过打开拨阀打开真空管路。通过将大约0.5毫升PBS移液到膜过滤器上来测试连接，并观察所有PBS是否通过过滤器并收集在过滤瓶的底部。打开真空管线并确保完全密封后，涡旋破碎的微凝胶溶液。使用1， 000微升移液器，将碎片状微凝胶溶液转移到膜过滤器上。等待大约30秒钟，让真空将PBS从微凝胶溶液中拉出。关闭真空管路。获得新鲜的3毫升注射器并取下柱塞。使用金属刮刀从过滤器中舀出碎片颗粒状水凝胶，并将其转移到空注射器桶的背面。将柱塞放回注射器。将碎片状颗粒水凝胶装入注射器中，现在可以使用了。取下吸头盖，然后用所选的针头代替。将注射器装入所选的打印平台。将规划阶段准备好的 G 代码文件加载到 3D 打印软件中。导航到“打印预览”面板，然后按“打印”。一旦印刷沉积完成，将碎片状的颗粒状水凝胶构建体暴露在紫外光下，以进行光交联和稳定。挤出破碎产生具有锯齿状多边形的微凝胶，直径范围为10至300微米。圆度范围从 0.2 到几乎 1，纵横比范围从 1 到 3。这些参数描述了由碎裂过程形成的不规则和锯齿状微凝胶形状。当使用离心或真空过滤包装在一起时，组装的颗粒水凝胶是剪切变稀和自愈合的。碎片状颗粒水凝胶具有高形状保真度和机械完整性，适用于可注射的水凝胶。除了使用碎片状颗粒水凝胶进行3D打印外，这些系统还可以用作体外细胞培养平台，以及用于组织修复和药物递送的注射系统。这些简单且低成本的方法将颗粒水凝胶生物材料的优势带给更多的研究人员，从而可以增加颗粒水凝胶制造的机会以及生物材料领域的创新。

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Fabrication of Micropatterned Hydrogels for Neural Culture Systems using Dynamic Mask Projection Photolithography

使用动态面膜投影光刻系统的神经文化Micropatterned水凝胶的制备

Increasingly, patterned cell culture environments are becoming a relevant technique to study cellular characteristics, and many researchers believe in the ...

科研

生物工程

Generation and Recovery of &beta;-cell Spheroids From Step-growth PEG-peptide Hydrogels

Generation and Recovery of ÃƒÅ½Ã‚Â²-cell Spheroids From Step-growth PEG-peptide Hydrogels

产生和回收的β-细胞的细胞球体从逐步增长的PEG-肽水凝胶

Hydrogels are hydrophilic crosslinked polymers that provide a three-dimensional  microenvironment with tissue-like elasticity and high permeability for  ...

Designing Silk-silk Protein Alloy Materials for Biomedical Applications

设计丝绸蚕丝蛋白合金生物医用材料

Fibrous proteins display different sequences and structures that have been used for various applications in biomedical fields such as biosensors, ...

Fabricating Superhydrophobic Polymeric Materials for Biomedical Applications

制造超疏水高分子材料生物医学应用

Superhydrophobic materials, with surfaces possessing permanent or metastable non-wetted states, are of interest for a number of biomedical and industrial ...

Fabrication of Mechanically Tunable and Bioactive Metal Scaffolds for Biomedical Applications

加工机械可调和生物活性金属支架的生物医学应用

Biometal systems have been widely used for biomedical applications, in particular, as load-bearing materials. However, major challenges are high stiffness ...

The Synthesis of RGD-functionalized Hydrogels as a Tool for Therapeutic Applications

RGD功能化水凝胶作为治疗应用的工具合成

The use of polymers as biomaterials has provided significant advantages in therapeutic applications. In particular, the possibility to modify and ...

Light-mediated Formation and Patterning of Hydrogels for Cell Culture Applications

用于细胞培养应用光介导的形成和构图的水凝胶

Click chemistries have been investigated for use in numerous biomaterials applications, including drug delivery, tissue engineering, and cell culture. In ...

Tunable Hydrogels from Pulmonary Extracellular Matrix for 3D Cell Culture

可调水凝胶由肺细胞外基质的三维细胞培养

Here we present a method for establishing multiple component cell culture hydrogels for in vitro lung cell culture. Beginning with healthy en bloc lung ...

Ultrathin Porated Elastic Hydrogels As a Biomimetic Basement Membrane for Dual Cell Culture

超薄 Porated 弹性水凝胶作为双细胞培养的仿生基底膜

The basement membrane is a critical component of cellular bilayers that can vary in stiffness, composition, architecture, and porosity. In vitro studies ...

Measuring Global Cellular Matrix Metalloproteinase and Metabolic Activity in 3D Hydrogels

三维水凝胶中全球细胞基质金属蛋白酶和代谢活性的测定

Three-dimensional (3D) cell culture systems often more closely recapitulate in vivo cellular responses and functions than traditional two-dimensional (2D) ...