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

Эта работа была поддержана Национальным научным фондом через программу UPenn MRSEC (DMR-1720530) и аспирантские исследовательские стипендии (для V.G.M и M.E.P.) и Национальных институтов здравоохранения (R01AR077362 для J.A.B.).

1. Изготовление объемных гидрогелей внутри шприца с использованием фотосшивания
ПРИМЕЧАНИЕ: Обзор изготовления объемного гидрогеля внутри шприца с использованием фотосшивания показан на рисунке 1. Этот протокол использует норборнен-модифициро?...

В настоящем описаны способы изготовления гранулированных гидрогелей с использованием экструзионных фрагментированных микрогелей и упаковки либо центрифугированием, либо вакуумной фильтрацией. По сравнению с другими методами изготовления микрогелей (т.е. микрофлюидикой, периодичес...

Гранулированные гидрогели изготавливаются путем упаковки частиц гидрогеля (т.е. микрогелей) и представляют собой захватывающий класс биоматериалов со многими выгодными свойствами для биомедицинских применений 1,2,3. Благодаря своей структуре твердых частиц гранулированные гидрогели истончаются и самовосстанавливаются, что позволяет использовать их в качестве экструзионных печатных (био)чернил, гранулированных опор для встроенной печати и инъекционных терапевтических средств 4,5,6,7,8,9. Кроме того, пустое пространство между микрогелями обеспечивает микромасштабную пористость для движения клеток и молекулярной диффузии 8,10,11. Кроме того, несколько популяций микрогелей могут быть объединены в одну формулу, чтобы обеспечить улучшенную настраиваемость и функциональность материала 8,10,12,13. Эти важные свойства побудили к быстрому расширению разработки гранулированного гидрогеля в последние годы.
Существует ряд методов, доступных для формирования микрогелей для производства гранулированного гидрогеля, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Например, микрогели часто образуются из эмульсий «вода в масле» с использованием капельной микрофлюидики 4,11,13,14,15,16,17, периодических эмульсий 7,18,19,20,21,22 или электромолящих 6,23, 24,25. Эти методы дают сферические микрогели с однородным (микрофлюидика) или полидисперсным (периодические эмульсии, электромолы) диаметрами. Существуют некоторые ограничения для этих методов изготовления эмульсий «вода в масле», включая потенциально низкопроизводительное производство, потребность в растворах гидрогелевых прекурсоров с низкой вязкостью, а также высокую стоимость и ресурсы для установки. Кроме того, эти протоколы могут потребовать резких масел и поверхностно-активных веществ, которые должны быть вымыты из микрогелей с использованием процедур, которые добавляют этапы обработки, и могут быть трудно перевести в стерильные условия для биомедицинских применений во многих лабораториях. Устраняя необходимость в эмульсиях «вода в масле», также может быть использована (фото)литография, где плесени или фотомаски используются для контроля отверждения микрогелей из растворов предшественников гидрогеля 1,26,27. Как и микрофлюидика, эти методы могут быть ограничены в их производительности, что является серьезной проблемой, когда требуются большие объемы.
В качестве альтернативы этим методам механическая фрагментация объемных гидрогелей была использована для изготовления микрогелей с неправильными размерами 19,28,29,30,31,32. Например, объемные гидрогели могут быть предварительно сформированы и впоследствии пропущены через сетки или сита с образованием фрагментированных микрогелей, процесс, который даже был выполнен в присутствии клеток внутри микрогелевых нитей33,34. Объемные гидрогели также были переработаны в микрогели с механическим разрушением с использованием таких методов, как измельчение раствором и пестиком или с использованием коммерческих блендеров 35,36,37. Другие также использовали механическое перемешивание во время образования гидрогеля для изготовления фрагментированных микрогелей (т.е. жидких гелей)31.
Способы в настоящем описании расширяют эти методы механической фрагментации и представляют собой простой подход к изготовлению микрогелей с экструзионной фрагментацией, используя в качестве примера фотосмешивающиеся гидрогели гиалуроновой кислоты (ГК). Экструзионная фрагментация использует только шприцы и иглы для изготовления фрагментированных микрогелей недорогим, высокопроизводительным и легко масштабируемым методом, который подходит для широкого спектра гидрогелей 19,32. Кроме того, описаны способы сборки этих фрагментированных микрогелей в гранулированные гидрогели с использованием центрифугирования (низкая упаковка) или вакуумной фильтрации (высокая упаковка). Наконец, обсуждается применение этих фрагментированных гранулированных гидрогелей для использования в качестве экструзионной печатной краски. Целью этого протокола является внедрение простых методов, которые адаптируются к широкому спектру гидрогелей и могут быть реализованы практически в любой лаборатории, заинтересованной в гранулированных гидрогелях.

<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

Гранулированные гидрогели представляют собой застрявшие сборки микрочастиц гидрогеля (т.е. «микрогелей»). В области биоматериалов гранулированные гидрогели обладают многими преимущественными свойствами, включая инъекционную способность, микромасштабную пористость и настраиваемость путем смешивания нескольких популяций микрогелей. Способы изготовления микрогелей часто полагаются на эмульсии «вода в масле» (например, микрофлюидика, периодические эмульсии, электросмайли) или фотолитографию, которая может представлять высокие требования с точки зрения ресурсов и затрат и может быть несовместима со многими гидрогелями. В этой работе подробно описываются простые, но высокоэффективные методы изготовления микрогелей с использованием экструзионной фрагментации и их переработки в гранулированные гидрогели, полезные для биомедицинских применений (например, чернила для 3D-печати). Во-первых, объемные гидрогели (с использованием фотосмешиваемой гиалуроновой кислоты (ГК) в качестве примера) экструдируют через серию игл с последовательно меньшими диаметрами с образованием фрагментированных микрогелей. Этот метод изготовления микрогелей является быстрым, недорогим и высокомасштабируемым. Описаны способы замаскивания микрогелей в гранулированные гидрогели методом центрифугирования и вакуумной фильтрации с возможностью пост-сшивки для стабилизации гидрогеля. Наконец, гранулированные гидрогели, изготовленные из фрагментированных микрогелей, демонстрируются как экструзионные печатные краски. В то время как примеры, описанные в настоящем описании, используют фотосклеиваемую ГК для 3D-печати, способы легко адаптируются для широкого спектра типов гидрогелей и биомедицинских применений.

Репрезентативные результаты этих протоколов показаны на рисунках 3 и 6. Экструзионная фрагментация дает микрогели с зубчатыми, полигональными формами диаметром от 10 до 300 мкм (рисунок 3). Кроме того, циркулярность колеблется от 0,2 (не кругл?...

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

В этой работе описываются простые, адаптируемые и недорогие методы изготовления микрогелей с экструзионной фрагментацией, переработки микрогелей в инъекционные гранулированные гидрогели и применения гранулированных гидрогелей в качестве экструзионных печатных красок для биомедицинских применений.

Дробление объемных гидрогелей и переработка в гранулированные гидрогели для биомедицинских применений

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

Гранулированные гидрогели представляют собой захватывающий новый класс биоматериалов со многими выгодными свойствами. Мы надеемся, что, делясь этими методами, мы сможем расширить доступ и инновации в гранулированных гидрогелях для биомедицинских применений. Этот метод прост, недорог, легко адаптируется ко многим химическим веществам и может быть реализован практически в любой лаборатории.Загрузите 3-миллилитровый шприц раствором гидрогелевого предшественника. Снимите поршень с задней части пустого 3-миллилитрового шприца и добавьте наконечник крышки в верхнюю часть ствола шприца. Используйте пипетку объемом 1000 микролитров для переноса раствора предшественника гидрогеля в шприцевую бочку с крышкой наконечника.Держите шприц-бочку с раствором гидрогелевого предшественника в одной руке, при этом наконечник колпачка обращен вниз, а открытый конец ствола обращен вверх. Верните шприц-плунжер в отверстие задней части ствола шприца. Осторожно протолкните поршень шприца в ствол ровно настолько, чтобы закрыть отверстие в задней части ствола шприца, осторожно удерживая поршень и шприц-бочку вместе, чтобы задняя часть ствола шприца была запечатана плунжером.Переверните шприц так, чтобы плунжер был обращен вниз, а колпачок наконечника теперь был обращен вверх. Снимите колпачок наконечника и осторожно протолкните поршень в ствол шприца, пока весь воздух не будет удален из шприца. Прикрепите колпачок наконечника к шприцу.Убедитесь, что раствор предшественника гидрогеля закреплен в 3-миллилитровом шприце с наконечником. Убедитесь, что перед включением ультрафиолетовой лампы принимаются надлежащие средства индивидуальной защиты и средства защиты. Поместите 3-миллилитровый шприц, загруженный раствором предшественника гидрогеля, под лампу УФ-точечного отверждения в течение желаемого периода времени для полного фотосшивания.Выключите ультрафиолетовую лампу и снимите шприц. Убедитесь, что гидрогель теперь сшит в шприце. Снимите поршень с задней части пустого 3-миллилитрового шприца.Прикрепите колпачок наконечника к замку luer. Снимите крышку наконечника со шприца, содержащего сшитый сфотографированный объемный гидрогель. Выровняйте верхнюю часть шприца гидрогеля с открытием ствола на пустом шприце.Выдавливают объемный гидрогель через шприцевое отверстие в ствол пустого шприца. Держите шприц, содержащий экструдированный гидрогель, так, чтобы крышка наконечника была обращена вниз, а отверстие ствола было обращено вверх. Используя пипетку объемом 1000 микролитров, добавьте 1,5 микролитра PBS в ствол шприца.Выровняйте шприц-плунжер с отверстием ствола, едва вдавливая плунжер достаточно, чтобы создать уплотнение. Переверните шприц таким образом, чтобы плунжер теперь был обращен вниз, а крышка наконечника была обращена вверх, убедившись, что плунжер и шприц-ствол находятся вместе, чтобы не просачивались гидрогель или PBS. Инвертировать несколько раз, чтобы смешать фрагментированный гидрогель с добавленным PBS.Держите шприц так, чтобы колпачок наконечника был обращен вверх, а плунжер был обращен вниз. Снимите колпачок наконечника. Очень осторожно, нажмите плунжер вверх, чтобы удалить воздух из внутренней части шприца.Экструдируют фрагментированный раствор гидрогеля через ряд игл для создания фрагментированных микрогелей. Прикрепите тупой наконечник иглы 18-го калибра к верхней части шприца, содержащей фрагментированный гидрогель и PBS. Извлеките поршень из свежего 3-миллилитрового шприца и прикрепите крышку наконечника к пустому стволу шприца.Экструдируйте фрагментированный раствор гидрогеля через иглу 18-го калибра в заднюю часть пустого ствола шприца. Выбросьте пустой шприц и иглу в соответствующий поток отходов острых предметов. Повторите экструзию раствора гидрогеля иглой 23, 27 и 30 калибра.На последнем этапе экструзии экструдируют фрагментированный раствор микрогеля в микроцентрифужные трубки. Промыть и изолировать фрагментированную микрогелевую суспензию. Используя микроцентрифугу, распустите фрагментированный раствор микрогеля в 5 000 раз в течение 5 минут.Используйте пипетку, чтобы удалить супернатант. Добавьте 1 миллилитр PBS в каждую микроцентрифужную трубку, содержащую фрагментированные микрогели и вихрь в течение 5-10 секунд. Объедините 20 микролитров фрагментированной микрогелевой суспензии со 180 микролитрами PBS для создания разбавленной фрагментированной микрогелевой суспензии.Вихрь тщательно перемешать. Переложите 50 микролитров разбавленной фрагментированной микрогелевой суспензии на предметное стекло микроскопа. Используйте эпифлуоресцентный микроскоп для получения изображений флуоресцентно меченых микрогелей с 4-кратным или 10-кратным зумом.Глушить фрагментированные микрогели с помощью вакуумной фильтрации. Соберите и протестируйте фильтрационный аппарат с вакуумным приводом. Закрепите воронку Бюхнера внутри колбы фильтра.Используйте трубку для подключения колбы фильтра к вакуумной линии. Поместите мембранный фильтр в воронкообразную чашку Бакнера. Включите вакуумную линию, открыв циферблатный клапан.Проверьте соединение путем пипетки примерно 0,5 миллилитра PBS на мембранный фильтр и обратите внимание, что все PBS проходит через фильтр и собирается в нижней части колбы фильтра. Включив вакуумную линию и обеспечив полное уплотнение, вихрьте фрагментированный раствор микрогеля. Используя пипетку объемом 1000 микролитров, перенесите фрагментированный раствор микрогеля на мембранный фильтр.Подождите примерно 30 секунд, пока вакуум вытащит PBS из раствора микрогеля. Выключите вакуумную линию. Возьмите свежий шприц объемом 3 миллилитра и извлеките поршень.Используйте металлический шпатель, чтобы зачерпнуть фрагментированный гранулированный гидрогель из фильтра и перенести его в заднюю часть пустого шприцевого ствола. Верните поршень в шприц. Загрузите фрагментированный гранулированный гидрогель в шприц, и теперь он готов к использованию.Снимите колпачок наконечника и замените его иглой по выбору. Загрузите шприц в выбранную платформу для печати. Загрузите подготовленный файл G-кода с этапа планирования в программное обеспечение для 3D-печати.Перейдите на панель «Предварительный просмотр» и нажмите кнопку Печать. Как только печатное осаждение будет завершено, подвергайте фрагментированные гранулированные гидрогелевые конструкции ультрафиолетовому свету для фотосшивания и стабилизации. Экструзионная фрагментация дает микрогели с зубчатыми полигональными формами диаметром от 10 до 300 микрометров.Цикличность колеблется от 0,2 до почти 1, а соотношение сторон колеблется от 1 до 3. Эти параметры описывают неправильные и зубчатые формы микрогелей, образованные процессом фрагментации. При упаковке с использованием центрифугирования или фильтрации с вакуумным приводом собранный гранулированный гидрогель разжижается и самовосстанавливается.Фрагментированный гранулированный гидрогель обладает высокой точностью формы и механической целостностью для инъекционного гидрогеля. В дополнение к использованию фрагментированных гранулированных гидрогелей для 3D-печати, эти системы также могут использоваться в качестве платформ для культивирования клеток in vitro, а также инъекционных систем для восстановления тканей и доставки лекарств. Эти простые и недорогие методы приносят преимущества гранулированных гидрогелевых биоматериалов большему количеству исследователей, что позволяет расширить доступ к производству гранулированного гидрогеля, а также инновациям в области биоматериалов.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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

Изготовление Micropatterned гидрогелей для нейронных системах культуры с использованием динамических Фотолитография Проекция маски

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

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

Создание и восстановление β-клетки сфероидов Из Шаг рост PEG-пептида Гидрогели

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

Проектирование Silk-протеинов шелка и сплавы для биомедицинских применений

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

Изготовление супергидрофобных полимерных материалов для биомедицинских применений

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

Изготовление механически перестраиваемых и биологически активных металлов строительные леса для биомедицинских применений

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

Синтез РГД-функционализированного гидрогелей в качестве инструмента для терапевтических применений

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

Свет-опосредованной Формирование и структурирование гидрогелей для клеточных культур

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

Настраиваемый гидрогели от легочного внеклеточной матрицы для 3D клеточных культур

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

Ультратонких включить эластичное гидрогели как Biomimetic базальной мембраны для двойного клеточные культуры

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

Измерение глобального сотовой матрицы металлопротеиназ и метаболической активности в 3D гидрогели

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