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Jun 26, 2023

高度なバイオテクノロジー、医療、環境用途向けに大量の 3D マクロ多孔質ハイドロゲルを製造するための簡単な方法

Scientific Reports volume 6、記事番号: 21154 (2016) この記事を引用 12,000 アクセス 89 引用 5 Altmetric Metrics の詳細 バルク、三次元 (3D)、マクロ多孔性ポリマーの開発

Scientific Reports volume 6、記事番号: 21154 (2016) この記事を引用

12,000 アクセス

89 件の引用

5 オルトメトリック

メトリクスの詳細

高透過性、大表面積、大容量を備えたバルクの三次元（3D）マクロ多孔質ポリマーの開発は、生物医学、バイオテクノロジーおよび環境分野におけるさまざまな用途にとって非常に望ましい。 現在使用されている実験技術は、小さいサイズと体積のクライオゲル材料の製造に限定されています。 この研究では、凍結ゲル化による大容量の多孔質ポリマーヒドロゲルの合成のための、新規で汎用性があり、簡単で再現可能な方法を提案します。 試薬/ポリマー溶液の凍結プロセスを制御することにより、広い相互接続細孔 (直径最大 200 μm) とアクセス可能な大きな表面積を備えた大規模 3D マクロ多孔質ゲルが合成されました。 初めて、制御された多孔質構造を備えたマクロ多孔質ゲル (最大 400 ml のかさ体積) が製造され、より大きなゲル寸法までスケールアップできる可能性がありました。 この方法は、埋め込まれた粒子が均一に分布している新しい 3D 多成分マクロ多孔質複合材料の製造に使用できます。 提案された方法は、凍結条件のより適切な制御を提供し、したがって、大型のゲルベースのデバイスおよびマトリックスの製造を制限する既存の欠点を克服する。 提案された方法は、生物医学、バイオテクノロジーおよび環境用途向けの機能性 3D マクロ多孔質ゲルおよび複合材料の調製のための新しい設計概念として機能する可能性があります。

マクロ多孔質ポリマーゲルは、組織工学、細胞足場、バイオリアクター、生物学的および化学的分離用の材料、生物医学および環境用途における吸着剤など、幅広い用途で使用されています。 ゲルの多孔性は、いわゆるポロゲン（細孔を生成する化学添加剤）を使用した相分離 1、凍結乾燥 2,3、泡形成およびクリオゲル化 4,5 など、さまざまなアプローチによって作成できます。 後者の方法は、ポリマーゲルの多孔質構造を形成するために過去数十年間に使用された最も汎用性の高い技術の 1 つです5、6、7。 テクノロジーはシンプルです。 通常、試薬/ポリマー溶液の凍結-解凍を 1 サイクル行うだけで済み、さまざまな形態、機械的特性、透過性の材料を製造できます 8,9。 この技術は、使用される最も一般的な溶媒が水であり、細孔形成テンプレートの除去に有機溶媒を使用する必要がないため、他の技術よりも環境に優しいです。 多孔質ポリマーは、溶媒の大部分が凝固し、通常の凝固点よりも低い温度で溶媒結晶を形成し、凍結していない溶液を含む結晶間チャネル内で重合が起こる半凍結状態で形成されます。 重合完了後に温度を上昇させると、溶媒の結晶が解凍され、溶媒で満たされたポリマー構造中に相互につながった空隙（マクロ細孔）が形成されます。 水溶液から調製されたゲルの高い透過性（したがって低い流動抵抗）と、目詰まりや細孔の閉塞なしにミクロおよびマクロ粒子をろ過できる能力により、特に関心が高まっています10。 これにより、細胞および生体粒子の分離 10、11、12、13、直接血液灌流 14、組織工学 15、16、17、18、19、20、水処理 21、22、23、およびバイオリアクター 24、25、26 のためのデバイスを設計する機会が開かれます。 マクロ多孔質ゲルの製造にはクリオゲル化技術が広く使用されているにもかかわらず、最初の試薬溶液の凍結と溶媒結晶の形成の現象は完全には理解されていません。 冷却温度と冷却速度、または試薬混合物の組成を変更して、細孔勾配と異方性細孔を備えた構造を生成することにより、小さなサンプルの溶媒結晶サイズを制御することについてはある程度の進歩が見られましたが、氷核生成を制御することは困難であることが認識されており、その結果、大量の大きなサンプルにおける凍結反応速度と氷結晶の形成条件。 これにより、特に大きな 3D 構造において、得られるマクロ多孔質ゲルの形態の制御が困難になります。 実際、これまでに行われた研究はすべて実験室で小規模に行われました。 これまでに製造されたゲルは、サイズが小さい（体積が数ミリリットル、または少なくとも 1 つの小さな寸法（約 2 cm 以下））、またはサンプル全体にわたる細孔サイズの分布が異なります。 大規模な分離や工学/バイオテクノロジーへの応用には、細孔構造と透過性の制御を改善した、大容量のマクロ多孔質ゲルを調製するための簡単で再現可能な方法が必要です。 別の制限は、3D 透過性マトリックスにナノ粒子およびマイクロ粒子が埋め込まれた大きなマクロ多孔質複合材料の製造に関連しています。 クリオゲル化法によるゲル形成に使用される前駆体水溶液の密度は通常非常に低いため、ゲル内に高密度のナノ粒子またはマイクロ粒子を確実に均一に分散させることは特に困難です。 粒子は凍結プロセス中に分離し、その結果、複合材料全体が破損したり、不均一な粒子分布を持つマクロ多孔質ゲルが形成されたりします8。 この論文では、ゲル系の凍結と、凍結条件と形成されるゲルの形態との関係を研究します。 大量のサンプルの熱伝達が評価され、ゲル形成を開始する前に大量の試薬溶液を予備凍結する新しい方法が提案されています。 我々は、多孔質構造を効果的かつ再現可能に制御して、大量（400 ml 以上）のマクロ多孔質ゲルサンプルおよび複合材料を生成することを初めて実証しました。 このアプローチは、高度な分離、吸着、または構造用途のための大量のゲルを生成し、マイクロ粒子およびナノ粒子が埋め込まれた新しい 3D 構造を生成する新たな機会を開きます。