Name: fragmenting bulk hydrogels and processing into granular hydrogels for biomedical applications
Uploaded: 2022-05-17T14:00:00
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Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation par le biais du programme UPenn MRSEC (DMR-1720530) et des bourses de recherche d’études supérieures (à V.G.M et M.E.P.) et les National Institutes of Health (R01AR077362 à J.A.B.).

1. Fabrication d’hydrogels en vrac à l’intérieur d’une seringue à l’aide de la photocroisillonnage
REMARQUE : La figure 1 présente un aperçu de la fabrication d’hydrogel en vrac à l’intérieur d’une seringue à l’aide de la photoréticulation. Ce protocole utilise de l’acide hyaluronique modifié par norbornène (NorHA) pour fabriquer des hydrogels en vrac à l’aide d’une réaction thiol-ène photo-médiée. Les procédur...

Ici, les méthodes de fabrication d’hydrogels granulaires à l’aide de microgels fragmentés par extrusion et d’emballage par centrifugation ou filtration sous vide sont décrites. Comparée à d’autres méthodes de fabrication de microgels (c.-à-d. microfluidique, émulsions par lots, électropulvérisation, photolithographie), la fabrication de microgels à fragmentation par extrusion est très rapide, peu coûteuse, facilement évolutive et se prête à une grande variété de systèmes d’hydrogel. De plus,...

Les hydrogels granulaires sont fabriqués par l’emballage de particules d’hydrogel (c.-à-d. des microgels) et constituent une classe passionnante de biomatériaux possédant de nombreuses propriétés avantageuses pour les applications biomédicales 1,2,3. En raison de leur structure particulaire, les hydrogels granulaires sont amincissants par cisaillement et auto-cicatrisants, ce qui permet leur utilisation comme (bio)encres d’impression par extrusion, supports granulaires pour l’impression intégrée et thérapeutiques injectables 4,5,6,7,8,9. De plus, l’espace vide entre les microgels fournit une porosité à l’échelle microscopique pour le mouvement cellulaire et la diffusion moléculaire 8,10,11. De plus, plusieurs populations de microgels peuvent être combinées en une seule formulation pour permettre une accordabilité et une fonctionnalité matérielleaméliorées 8,10,12,13. Ces propriétés importantes ont motivé l’expansion rapide du développement de l’hydrogel granulaire au cours des dernières années.
Il existe une gamme de méthodes disponibles pour former des microgels vers la fabrication d’hydrogel granulaire, chacune avec ses propres avantages et inconvénients. Par exemple, les microgels sont souvent formés à partir d’émulsions eau-dans-huile utilisant des microfluidiques gouttelettes 4,11,13,14,15,16,17, des émulsions par lots 7,18,19,20,21,22 ou de l’électropulvérisation 6,23, 24,25. Ces méthodes donnent des microgels sphériques de diamètres uniformes (microfluidiques) ou polydispersés (émulsions discontinues, électropulvérisation). Il existe certaines limites à ces méthodes de fabrication d’émulsions eau-dans-huile, notamment la production potentiellement à faible débit, la nécessité de solutions de précurseurs d’hydrogel à faible viscosité et le coût et les ressources élevés pour la mise en place. De plus, ces protocoles peuvent nécessiter des huiles et des tensioactifs agressifs qui doivent être lavés des microgels à l’aide de procédures qui ajoutent des étapes de traitement, et peuvent être difficiles à traduire en conditions stériles pour des applications biomédicales dans de nombreux laboratoires. Éliminant le besoin d’émulsions eau-dans-huile, la (photo)lithographie peut également être utilisée, où des moules ou des photomasques sont utilisés pour contrôler le durcissement de microgels à partir de solutions de précurseurs d’hydrogel 1,26,27. Comme la microfluidique, ces méthodes peuvent être limitées dans leur débit de production, ce qui est un défi majeur lorsque de grands volumes sont nécessaires.
Comme alternative à ces méthodes, la fragmentation mécanique des hydrogels en vrac a été utilisée pour fabriquer des microgels de tailles irrégulières 19,28,29,30,31,32. Par exemple, les hydrogels en vrac peuvent être préformés et ensuite passés à travers des mailles ou des tamis pour former des microgels fragmentés, un processus qui a même été effectué en présence de cellules dans des brins de microgel33,34. Les hydrogels en vrac ont également été transformés en microgels avec perturbation mécanique en utilisant des techniques telles que le broyage avec du mortier et du pilon ou par l’utilisation de mélangeurs commerciaux 35,36,37. D’autres ont également eu recours à l’agitation mécanique lors de la formation d’hydrogels pour fabriquer des microgels fragmentés (c.-à-d. des gels fluides)31.
Les méthodes décrites ici développent ces techniques de fragmentation mécanique et présentent une approche simple pour fabriquer des microgels avec fragmentation par extrusion, en utilisant des hydrogels d’acide hyaluronique (HA) photoréticables comme exemple. La fragmentation par extrusion utilise uniquement des seringues et des aiguilles pour fabriquer des microgels fragmentés dans une méthode peu coûteuse, à haut débit et facilement évolutive qui convient à une large gamme d’hydrogels19,32. De plus, les méthodes d’assemblage de ces microgels fragmentés en hydrogels granulaires sont décrites en utilisant soit la centrifugation (faible emballage), soit la filtration sous vide (emballage élevé). Enfin, l’application de ces hydrogels granulaires fragmentés est discutée pour une utilisation comme encre d’impression par extrusion. L’objectif de ce protocole est d’introduire des méthodes simples qui s’adaptent à une grande variété d’hydrogels et peuvent être mises en œuvre dans pratiquement tous les laboratoires intéressés par les hydrogels granulaires.

<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

Les hydrogels granulaires sont des assemblages coincés de microparticules d’hydrogel (c.-à-d. des « microgels »). Dans le domaine des biomatériaux, les hydrogels granulaires ont de nombreuses propriétés avantageuses, notamment l’injectabilité, la porosité à l’échelle microscopique et l’accordabilité en mélangeant plusieurs populations de microgels. Les méthodes de fabrication de microgels reposent souvent sur des émulsions eau-dans-huile (par exemple, microfluidique, émulsions par lots, électrodéfection) ou la photolithographie, qui peuvent présenter des exigences élevées en termes de ressources et de coûts, et peuvent ne pas être compatibles avec de nombreux hydrogels. Ce travail détaille des méthodes simples mais très efficaces pour fabriquer des microgels en utilisant la fragmentation par extrusion et pour les transformer en hydrogels granulaires utiles pour des applications biomédicales (par exemple, les encres d’impression 3D). Tout d’abord, les hydrogels en vrac (en utilisant l’acide hyaluronique photoréticable (HA) comme exemple) sont extrudés à travers une série d’aiguilles avec des diamètres séquentiellement plus petits pour former des microgels fragmentés. Cette technique de fabrication de microgel est rapide, peu coûteuse et hautement évolutive. Les méthodes de bourrage des microgels en hydrogels granulaires par centrifugation et filtration sous vide sont décrites, avec une post-réticulation facultative pour la stabilisation de l’hydrogel. Enfin, les hydrogels granulaires fabriqués à partir de microgels fragmentés sont présentés comme des encres d’impression par extrusion. Bien que les exemples décrits ici utilisent l’HA photoréticable pour l’impression 3D, les méthodes sont facilement adaptables à une grande variété de types d’hydrogel et d’applications biomédicales.

Les résultats représentatifs de ces protocoles sont présentés à la figure 3 et à la figure 6. La fragmentation par extrusion donne des microgels avec des formes polygonales déchiquetées avec des diamètres allant de 10 à 300 μm (Figure 3). De plus, la circularité varie de 0,2 (non circulaire) à près de 1 (cercle parfait), et le rapport d’aspect varie de 1 à 3 (Figure 3). Ces paramètres ...

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Fragmenting Bulk Hydrogels and Processing into Granular Hydrogels for Biomedical Applications

Ce travail décrit des méthodes simples, adaptables et peu coûteuses pour fabriquer des microgels avec fragmentation par extrusion, transformer les microgels en hydrogels granulaires injectables et appliquer les hydrogels granulaires comme encres d’impression par extrusion pour des applications biomédicales.

Fragmentation d’hydrogels en vrac et transformation en hydrogels granulaires pour des applications biomédicales

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

Les hydrogels granulaires sont une nouvelle classe passionnante de biomatériaux avec de nombreuses propriétés avantageuses. Nous espérons qu’en partageant ces méthodes, nous pourrons accroître l’accès et l’innovation dans les hydrogels granulaires pour les applications biomédicales. Cette technique est simple, peu coûteuse, facilement adaptable à de nombreuses chimies et peut être mise en œuvre dans pratiquement n’importe quel laboratoire.Chargez une seringue de 3 millilitres avec la solution de précurseur d’hydrogel. Retirez le piston à l’arrière d’une seringue vide de 3 millilitres et ajoutez un capuchon de pointe au sommet du barillet de la seringue. Utilisez une pipette de 1 000 microlitres pour transférer la solution de précurseur d’hydrogel dans le barillet de la seringue avec le capuchon de la pointe.Tenez le barillet de seringue avec la solution de précurseur d’hydrogel dans une main avec le capuchon de pointe vers le bas et l’extrémité ouverte du canon vers le haut. Remettez le piston de la seringue à l’ouverture de l’arrière du barillet de la seringue. Poussez doucement le piston de la seringue dans le baril juste assez pour sceller l’ouverture à l’arrière du barillet de la seringue, en tenant soigneusement le piston et le barillet de la seringue ensemble pour vous assurer que l’arrière du baril de la seringue est scellé avec le piston.Inversez la seringue de telle sorte que le piston soit tourné vers le bas et que le capuchon de pointe soit maintenant tourné vers le haut. Retirez le capuchon de la pointe et poussez doucement le piston dans le barillet de la seringue jusqu’à ce que tout l’air soit retiré de la seringue. Reconnectez le capuchon de la pointe à la seringue.Assurez-vous que la solution de précurseur d’hydrogel est fixée dans la seringue de 3 millilitres avec un embout. Assurez-vous que l’équipement de protection individuelle et les mesures de protection appropriés sont pris avant d’allumer la lampe UV. Placez la seringue de 3 millilitres chargée de la solution de précurseur d’hydrogel sous la lampe de durcissement par points UV pendant la durée souhaitée pour une photo-réticulation complète.Éteignez la lampe UV et retirez la seringue. Assurez-vous que l’hydrogel est maintenant photo-réticulé dans la seringue. Retirez le piston à l’arrière d’une seringue vide de 3 millilitres.Fixez un embout à la serrure luer. Retirez le capuchon de la seringue contenant l’hydrogel en vrac photo-réticulé. Aligner le haut de la seringue d’hydrogel avec l’ouverture du barillet sur la seringue vide.Extruder l’hydrogel en vrac à travers l’ouverture de la seringue dans le baril de la seringue vide. Tenez la seringue qui contient l’hydrogel extrudé de telle sorte que le capuchon de la pointe soit tourné vers le bas et que l’ouverture du barillet soit tournée vers le haut. À l’aide d’une pipette de 1 000 microlitres, ajoutez 1,5 microlitre de PBS au barillet de la seringue.Alignez le piston de la seringue avec l’ouverture du canon, en poussant à peine le piston suffisamment pour créer un joint. Inverser la seringue de telle sorte que le piston soit maintenant tourné vers le bas et que le capuchon de pointe soit tourné vers le haut, en veillant à maintenir le piston et le barillet de la seringue ensemble en place afin qu’aucun hydrogel ou PBS ne s’échappe. Inverser plusieurs fois pour mélanger l’hydrogel fragmenté avec le PBS ajouté.Tenez la seringue de telle sorte que le capuchon de pointe soit tourné vers le haut et que le piston soit tourné vers le bas. Retirez le capuchon de la pointe. Très doucement, poussez le piston vers le haut pour retirer tout air de l’intérieur de la seringue.Extruder la solution d’hydrogel fragmentée à travers une série d’aiguilles pour créer des microgels fragmentés. Fixez une aiguille émoussée de calibre 18 au sommet de la seringue contenant l’hydrogel fragmenté et le PBS. Retirez le piston d’une seringue fraîche de 3 millilitres et fixez un capuchon de pointe au barillet de seringue vide.Extruder la solution d’hydrogel fragmentée à travers l’aiguille de calibre 18 à l’arrière du barillet de seringue vide. Jetez la seringue et l’aiguille vides dans le flux de déchets tranchants approprié. Répétez l’extrusion de la solution d’hydrogel avec une aiguille de calibre 23, 27 et 30.Lors de la dernière étape d’extrusion, extruder la solution de microgel fragmentée dans des tubes de microcentrifugation. Lavez et isolez la suspension de microgel fragmentée. À l’aide d’une microcentrifugeuse, faire tourner la solution de microgel fragmentée à 5 000 fois g pendant 5 minutes.Utilisez une pipette pour retirer le surnageant. Ajouter 1 millilitre de PBS à chaque tube de microcentrifugation contenant des microgels fragmentés et un vortex pendant 5 à 10 secondes. Combinez 20 microlitres de suspension de microgel fragmentée avec 180 microlitres de PBS pour créer une suspension de microgel fragmentée diluée.Vortex à bien mélanger. Transférer 50 microlitres de suspension de microgel fragmenté dilué sur une lame de microscope en verre. Utilisez un microscope épifluorescent pour acquérir des images de microgels marqués par fluorescence à un zoom de 4x ou 10x.Confiture de microgels fragmentés utilisant la filtration sous vide. Assemblez et testez l’appareil de filtration sous vide. Fixez un entonnoir Buchner à l’intérieur d’une fiole filtrante.Utilisez un tube pour connecter le ballon filtrant à une conduite de vide. Placez un filtre à membrane dans la tasse en entonnoir Buckner. Allumez la ligne de vide en ouvrant la vanne à cadran.Testez le raccord en pipetant environ 0,5 millilitre de PBS sur le filtre à membrane et observez que tout le PBS passe à travers le filtre et s’accumule dans le fond de la fiole filtrante. Après avoir allumé la ligne de vide et assuré une étanchéité complète, vortex la solution de microgel fragmentée. À l’aide d’une pipette de 1 000 microlitres, transférez la solution de microgel fragmentée sur le filtre à membrane.Attendez environ 30 secondes que le vide retire le PBS de la solution de microgel. Éteignez la ligne de vide. Procurez-vous une seringue fraîche de 3 millilitres et retirez le piston.Utilisez une spatule métallique pour extraire l’hydrogel granulaire fragmenté du filtre et transférez-le à l’arrière du barillet de seringue vide. Remettez le piston dans la seringue. Chargez l’hydrogel granulaire fragmenté dans la seringue et il est maintenant prêt à l’emploi.Retirez le capuchon de la pointe et remplacez-le par une aiguille de votre choix. Chargez la seringue dans la plate-forme d’impression de votre choix. Chargez le fichier G-code préparé de la phase de planification dans le logiciel d’impression 3D.Accédez au panneau Aperçu avant impression et appuyez sur Imprimer. Dès que le dépôt d’impression est terminé, exposez les constructions d’hydrogel granulaire fragmentées à la lumière UV pour la photo-réticulation et la stabilisation. La fragmentation par extrusion donne des microgels avec des formes polygonales déchiquetées avec des diamètres allant de 10 à 300 micromètres.La circularité varie de 0,2 à presque 1 et le rapport d’aspect varie de 1 à 3. Ces paramètres décrivent les formes irrégulières et déchiquetées des microgels formées par le processus de fragmentation. Lorsqu’il est emballé ensemble à l’aide d’une centrifugation ou d’une filtration sous vide, l’hydrogel granulaire assemblé est amincissant par cisaillement et auto-cicatrisant.L’hydrogel granulaire fragmenté a une fidélité de forme et une intégrité mécanique élevées pour un hydrogel injectable. En plus d’utiliser des hydrogels granulaires fragmentés pour l’impression 3D, ces systèmes peuvent également être utilisés comme plates-formes de culture cellulaire in vitro, ainsi que comme systèmes injectables pour la réparation des tissus et l’administration de médicaments. Ces méthodes simples et peu coûteuses apportent les avantages des biomatériaux d’hydrogel granulaire à un plus grand nombre de chercheurs, ce qui permet un accès accru à la fabrication d’hydrogel granulaire ainsi qu’à l’innovation dans le domaine des biomatériaux.

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