Блог

Jun 26, 2023

Простой метод производства макропористых 3D-гидрогелей большого объема для современных биотехнологических, медицинских и экологических применений.

Scientific Reports, том 6, номер статьи: 21154 (2016) Цитировать эту статью 12k Доступов 89 Цитирований 5 Подробности Altmetric Metrics Разработка объемных трехмерных (3D) макропористых полимеров

Научные отчеты, том 6, Номер статьи: 21154 (2016) Цитировать эту статью

12 тысяч доступов

89 цитат

5 Альтметрика

Подробности о метриках

Разработка объемных трехмерных (3D) макропористых полимеров с высокой проницаемостью, большой площадью поверхности и большим объемом весьма желательна для ряда применений в биомедицинской, биотехнологической и экологической областях. Используемые в настоящее время экспериментальные методы ограничены производством криогелевого материала небольшого размера и объема. В этой работе мы предлагаем новый, универсальный, простой и воспроизводимый метод синтеза пористых полимерных гидрогелей большого объема путем криогелеобразования. Путем управления процессом замораживания раствора реагента/полимера синтезированы крупномасштабные макропористые 3D-гели с широкими взаимосвязанными порами (диаметром до 200 мкм) и большой доступной площадью поверхности. Впервые были изготовлены макропористые гели (объемом до 400 мл) с контролируемой пористой структурой, с возможностью масштабирования до гораздо больших размеров геля. Этот метод может быть использован для производства новых трехмерных многокомпонентных макропористых композиционных материалов с равномерным распределением внедренных частиц. Предложенный метод обеспечивает лучший контроль условий замораживания и, таким образом, преодолевает существующие недостатки, ограничивающие производство крупных устройств и матриц на основе геля. Предложенный метод может служить новой концепцией создания функциональных трехмерных макропористых гелей и композитов для биомедицинских, биотехнологических и экологических применений.

Макропористые полимерные гели используются в широком спектре применений, включая тканевую инженерию, в качестве клеточных каркасов, в биореакторах, в материалах для биологического и химического разделения, а также в качестве адсорбентов в биомедицинских и экологических приложениях. Пористость в гелях можно создать разными способами: разделением фаз1 с использованием так называемых порогенов (химических добавок, образующих поры), лиофилизацией2,3, пенообразованием и криогелеобразованием4,5. Последний метод является одним из наиболее универсальных методов, используемых в последние несколько десятилетий для формирования пористой структуры полимерных гелей5,6,7. Технология проста; обычно требуется только один цикл замораживания-размораживания раствора реагента/полимера и позволяет производить материалы различной морфологии, механических свойств и проницаемости8,9. Этот метод более экологичен, чем альтернативные методы, поскольку наиболее распространенным используемым растворителем является вода, и нет необходимости использовать органические растворители для удаления шаблона порообразования. Пористый полимер образуется в полузамороженных условиях, когда основная часть растворителя затвердевает, образуя кристаллы растворителя при температурах ниже нормальной точки замерзания, причем полимеризация происходит в межкристаллитных каналах, содержащих незамерзший раствор. Повышение температуры после завершения полимеризации приводит к размораживанию кристаллов растворителя и образованию взаимосвязанных пустот (макропор) в структуре полимера, заполненных растворителем. Особый интерес возник в связи с высокой проницаемостью (и, следовательно, низким сопротивлением течению) гелей, приготовленных из водных растворов, и их способностью фильтровать микро- и макрочастицы без закупорки и закупорки пор10. Это открывает возможность создания устройств для разделения клеток и биочастиц10,11,12,13, прямой перфузии крови14, тканевой инженерии15,16,17,18,19,20, очистки воды21,22,23 и биореакторов24,25,26. Несмотря на широкое распространение метода криогелеобразования для получения макропористых гелей, явление замерзания исходного раствора реагента и образования кристаллов растворителя до конца не изучено. Несмотря на то, что был достигнут некоторый прогресс в контроле размера кристаллов растворителя в небольших образцах путем изменения температуры охлаждения и скорости охлаждения или состава смеси реагентов для получения структур с градиентами пор и анизотропными порами27, существует признанная трудность в контроле образования зародышей льда и, следовательно, кинетика замерзания и условия образования кристаллов льда в объеме более крупных образцов. Это приводит к плохому контролю морфологии получаемых макропористых гелей, особенно в более крупных 3D-структурах. Действительно, вся проделанная до сих пор работа проводилась в лаборатории и в небольших масштабах. Гели, производимые на сегодняшний день, имеют небольшой размер (несколько миллилитров по объему или по крайней мере один небольшой размер (около 2 см или менее)) или имеют переменное распределение размеров пор по образцу. Для крупномасштабного разделения или инженерных/биотехнологических приложений требуется простой и воспроизводимый метод приготовления макропористых гелей большого объема с улучшенным контролем структуры пор и проницаемости. Другое ограничение связано с производством крупных макропористых композиционных материалов с нано- и микрочастицами, встроенными в трехмерную проницаемую матрицу. Плотность водных растворов-прекурсоров, используемых для гелеобразования методом криогелеобразования, обычно очень мала, поэтому обеспечение равномерного распределения плотных наночастиц или микрочастиц в гелях представляет особую трудность. В процессе замораживания частицы разделяются, что приводит к полному разрушению композита или образованию макропористых гелей с неравномерным распределением частиц8. В данной статье исследовано замораживание гелевых систем и связь между условиями замораживания и морфологией образующегося геля. Оценен теплообмен в объеме крупных образцов и предложен новый метод, заключающийся в предварительном замораживании большого объема раствора реагента перед началом гелеобразования. Впервые мы демонстрируем производство образцов макропористого геля и композитов большого объема (400 мл и более) с эффективным и воспроизводимым контролем пористой структуры. Этот подход открывает новые возможности для производства гелей большого объема для расширенного разделения, адсорбции или структурных применений, а также для создания новых трехмерных структур с внедренными микро- и наночастицами.