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Jun 11, 2023

Un metodo semplice per la produzione di idrogel macroporosi 3D di grandi volumi per applicazioni biotecnologiche, mediche e ambientali avanzate

Scientific Reports volume 6, Numero articolo: 21154 (2016) Cita questo articolo 12k Accessi 88 Citazioni 5 Altmetric Dettagli metriche Lo sviluppo di polimeri macroporosi tridimensionali (3D) sfusi

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Lo sviluppo di polimeri macroporosi sfusi, tridimensionali (3D) con elevata permeabilità, ampia area superficiale e grande volume è altamente auspicabile per una gamma di applicazioni nei settori biomedico, biotecnologico e ambientale. Le tecniche sperimentali attualmente utilizzate sono limitate alla produzione di materiale criogel di piccole dimensioni e volume. In questo lavoro proponiamo un metodo nuovo, versatile, semplice e riproducibile per la sintesi di idrogel polimerici porosi di grande volume mediante criogelazione. Controllando il processo di congelamento della soluzione reagente/polimero, sono stati sintetizzati gel macroporosi 3D su larga scala con ampi pori interconnessi (fino a 200 μm di diametro) e un'ampia superficie accessibile. Per la prima volta sono stati prodotti gel macroporosi (fino a 400 ml di volume sfuso) con struttura porosa controllata, con potenzialità di scalabilità fino a dimensioni di gel molto più grandi. Questo metodo può essere utilizzato per la produzione di nuovi materiali compositi macroporosi multicomponente 3D con una distribuzione uniforme di particelle incorporate. Il metodo proposto fornisce un migliore controllo delle condizioni di congelamento e quindi supera gli inconvenienti esistenti che limitano la produzione di grandi dispositivi e matrici a base di gel. Il metodo proposto potrebbe servire come nuovo concetto di progettazione per la preparazione di gel macroporosi e compositi funzionali 3D per applicazioni biomediche, biotecnologiche e ambientali.

I gel polimerici macroporosi sono stati utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni, inclusa l'ingegneria dei tessuti, come impalcature cellulari, nei bioreattori, materiali per separazioni biologiche e chimiche e come adsorbenti in applicazioni biomediche e ambientali. La porosità nei gel può essere creata mediante diversi approcci: separazione di fase1 utilizzando i cosiddetti porogeni (additivi chimici che generano pori), liofilizzazione2,3, tramite formazione di schiuma e tramite criogelazione4,5. Quest'ultimo metodo è una delle tecniche più versatili utilizzate negli ultimi decenni per modellare la struttura porosa dei gel polimerici5,6,7. La tecnologia è semplice; normalmente richiede un solo ciclo di congelamento-scongelamento della soluzione reagente/polimero e consente la produzione di materiali di varia morfologia, proprietà meccaniche e permeabilità8,9. La tecnica è più rispettosa dell'ambiente rispetto alle tecniche alternative poiché il solvente più comune utilizzato è l'acqua e non è necessario utilizzare solventi organici per rimuovere il modello che forma i pori. Il polimero poroso si forma in condizioni semi-congelate quando la maggior parte del solvente si solidifica, formando cristalli di solvente a temperature inferiori al normale punto di congelamento, con la polimerizzazione che avviene nei canali intercristallini contenenti soluzione non congelata. L'aumento della temperatura dopo il completamento della polimerizzazione porta allo scongelamento dei cristalli di solvente e alla formazione di vuoti interconnessi (macropori) nella struttura polimerica riempita con il solvente. Particolare interesse è sorto a causa dell'elevata permeabilità (e di conseguenza della bassa resistenza al flusso) dei gel preparati da soluzioni acquose e della loro capacità di filtrare micro e macro-particelle senza intasare e bloccare i pori10. Ciò apre l'opportunità di progettare dispositivi per la separazione di cellule e bioparticelle10,11,12,13, perfusione sanguigna diretta14, ingegneria dei tessuti15,16,17,18,19,20, trattamento delle acque21,22,23 e bioreattori24,25,26. Nonostante l’uso diffuso della tecnica di criogelazione per la produzione di gel macroporoso, il fenomeno del congelamento della soluzione iniziale del reagente e della formazione di cristalli di solvente non è completamente compreso. Sebbene siano stati compiuti alcuni progressi nel controllo della dimensione dei cristalli del solvente in piccoli campioni variando la temperatura di raffreddamento e la velocità di raffreddamento o la composizione della miscela di reagenti, per produrre strutture con gradienti dei pori e pori anisotropi27, è riconosciuta una difficoltà nel controllare la nucleazione del ghiaccio e di conseguenza la cinetica di congelamento e le condizioni di formazione dei cristalli di ghiaccio, nella maggior parte dei campioni più grandi. Ciò porta a uno scarso controllo della morfologia dei gel macroporosi risultanti, in particolare nelle strutture 3D più grandi. In effetti, tutto il lavoro svolto finora è stato svolto in laboratorio e su piccola scala. I gel prodotti fino ad oggi sono di piccole dimensioni (pochi millilitri di volume o con almeno una dimensione piccola (circa 2 cm o meno)) o hanno una distribuzione variabile delle dimensioni dei pori nel campione. Per separazioni su larga scala o applicazioni di ingegneria/biotecnologia è necessario un metodo semplice e riproducibile per la preparazione di gel macroporosi di grande volume con un migliore controllo della struttura dei pori e della permeabilità. Un'altra limitazione riguarda la produzione di materiali compositi macroporosi di grandi dimensioni con nano e microparticelle incorporate in una matrice permeabile 3D. La densità delle soluzioni acquose di precursori utilizzate per la formazione del gel tramite il metodo di criogelazione è solitamente molto bassa, pertanto garantire una distribuzione uniforme di nanoparticelle o microparticelle dense nei gel presenta particolari difficoltà. Le particelle si separano durante il processo di congelamento, il che provoca il cedimento completo del composito o la formazione di gel macroporosi con distribuzione delle particelle non uniforme8. Questo articolo studia il congelamento dei sistemi gel e la relazione tra le condizioni di congelamento e la morfologia del gel formato. Viene valutato il trasferimento di calore nella maggior parte dei campioni di grandi dimensioni e viene proposto un nuovo metodo che prevede il pre-congelamento di un grande volume della soluzione reagente prima di iniziare la formazione del gel. Per la prima volta dimostriamo la produzione di campioni e compositi di gel macroporoso di grandi volumi (400 ml o superiore) con un controllo efficace e riproducibile della struttura porosa. Questo approccio apre nuove opportunità per la produzione di gel di grandi volumi per applicazioni avanzate di separazione, adsorbimento o strutturali e per la generazione di nuove strutture 3D con micro e nanoparticelle incorporate.