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Jun 26, 2023

Un método sencillo para la producción de hidrogeles macroporosos 3D de gran volumen para aplicaciones biotecnológicas, médicas y medioambientales avanzadas.

Scientific Reports volumen 6, Número de artículo: 21154 (2016) Cita este artículo 12k Accesos 89 Citas 5 Detalles de Altmetric Metrics El desarrollo de polímeros macroporosos tridimensionales (3D) a granel

Scientific Reports volumen 6, número de artículo: 21154 (2016) Citar este artículo

12k Accesos

89 citas

5 altmétrico

Detalles de métricas

El desarrollo de polímeros macroporosos tridimensionales (3D) a granel con alta permeabilidad, gran superficie y gran volumen es muy deseable para una variedad de aplicaciones en las áreas biomédica, biotecnológica y ambiental. Las técnicas experimentales utilizadas actualmente se limitan a la producción de material criogel de pequeño tamaño y volumen. En este trabajo proponemos un método novedoso, versátil, simple y reproducible para la síntesis de hidrogeles poliméricos porosos de gran volumen mediante criogelación. Al controlar el proceso de congelación de la solución de reactivo/polímero, se han sintetizado geles macroporosos 3D a gran escala con poros anchos interconectados (hasta 200 μm de diámetro) y una gran superficie accesible. Por primera vez, se fabricaron geles macroporosos (de hasta 400 ml de volumen total) con estructura porosa controlada, con potencial para escalar hasta dimensiones de gel mucho mayores. Este método se puede utilizar para la producción de nuevos materiales compuestos macroporosos multicomponentes 3D con una distribución uniforme de partículas incrustadas. El método propuesto proporciona un mejor control de las condiciones de congelación y, por lo tanto, supera los inconvenientes existentes que limitan la producción de matrices y dispositivos a base de gel de gran tamaño. El método propuesto podría servir como un nuevo concepto de diseño para la preparación de compuestos y geles macroporosos funcionales 3D para aplicaciones biomédicas, biotecnológicas y ambientales.

Los geles poliméricos macroporosos se han utilizado en una amplia gama de aplicaciones, incluida la ingeniería de tejidos, como andamios celulares, en biorreactores, materiales para separaciones biológicas y químicas y como adsorbentes en aplicaciones biomédicas y ambientales. La porosidad en los geles se puede crear mediante diferentes enfoques: separación de fases1 utilizando los llamados porógenos (aditivos químicos que generan poros), liofilización2,3, mediante formación de espuma y mediante criogelación4,5. Este último método es una de las técnicas más versátiles utilizadas en las últimas décadas para dar forma a la estructura porosa de geles poliméricos5,6,7. La tecnología es simple; comúnmente requiere solo un ciclo de congelación-descongelación de la solución reactivo/polímero y permite la producción de materiales de diferentes morfología, propiedades mecánicas y permeabilidad8,9. La técnica es más respetuosa con el medio ambiente que las técnicas alternativas, ya que el disolvente más común utilizado es el agua y no es necesario utilizar disolventes orgánicos para eliminar la plantilla que forma los poros. El polímero poroso se forma en condiciones semicongeladas cuando la mayor parte del disolvente se solidifica, formando cristales de disolvente a temperaturas inferiores al punto de congelación normal, teniendo lugar la polimerización en los canales intercristalinos que contienen la solución no congelada. El aumento de la temperatura después de completar la polimerización conduce a la descongelación de los cristales del disolvente y a la formación de huecos interconectados (macroporos) en la estructura polimérica llena del disolvente. Ha surgido un interés particular debido a la alta permeabilidad (y, en consecuencia, la baja resistencia al flujo) de los geles preparados a partir de soluciones acuosas y su capacidad para filtrar micro y macropartículas sin obstrucciones ni bloqueo de los poros10. Esto abre la oportunidad de diseñar dispositivos para la separación de células y biopartículas10,11,12,13, perfusión sanguínea directa14, ingeniería de tejidos15,16,17,18,19,20, tratamiento de agua21,22,23 y biorreactores24,25,26. A pesar del uso generalizado de la técnica de criogelación para la producción de geles macroporosos, el fenómeno de congelación de la solución reactiva inicial y la formación de cristales de disolvente no se comprende completamente. Si bien se han logrado algunos avances en el control del tamaño de los cristales de disolvente en muestras pequeñas variando la temperatura de enfriamiento y la velocidad de enfriamiento o la composición de la mezcla de reactivos, para producir estructuras con gradientes de poros y poros anisotrópicos27, se reconoce una dificultad para controlar la nucleación del hielo y, en consecuencia, la cinética de congelación y las condiciones de formación de cristales de hielo, en la mayor parte de las muestras más grandes. Esto conduce a un control deficiente de la morfología de los geles macroporosos resultantes, particularmente en estructuras 3D más grandes. De hecho, todo el trabajo realizado hasta ahora se ha realizado en laboratorio y a pequeña escala. Los geles producidos hasta la fecha son de tamaño pequeño (unos pocos mililitros de volumen, o con al menos una dimensión pequeña (aproximadamente 2 cm o menos)) o tienen una distribución de tamaño de poro variable en toda la muestra. Para aplicaciones de separación a mayor escala o de ingeniería/biotecnología, se requiere un método simple y reproducible para la preparación de geles macroporosos de gran volumen con un mejor control de la estructura de los poros y la permeabilidad. Otra limitación se refiere a la fabricación de grandes materiales compuestos macroporosos con nano y micropartículas incrustadas en una matriz permeable 3D. La densidad de las soluciones precursoras acuosas utilizadas para la formación de geles mediante el método de criogelación suele ser muy baja, por lo que garantizar una distribución uniforme de nanopartículas o micropartículas densas en geles presenta una dificultad particular. Las partículas se separan durante el proceso de congelación, lo que da como resultado la falla total del compuesto o la formación de geles macroporosos con una distribución desigual de las partículas8. Este artículo estudia la congelación de sistemas de gel y la relación entre las condiciones de congelación y la morfología del gel formado. Se evalúa la transferencia de calor en la mayor parte de muestras grandes y se propone un método novedoso que implica precongelar un gran volumen de la solución reactiva antes de comenzar la formación del gel. Por primera vez demostramos la producción de muestras y compuestos de gel macroporosos de gran volumen (400 ml o más) con un control eficaz y reproducible de la estructura porosa. Este enfoque abre nuevas oportunidades para producir geles de gran volumen para aplicaciones avanzadas de separación, adsorción o estructurales y para generar nuevas estructuras 3D con micro y nanopartículas incrustadas.

Los geles macroporosos se prepararon mediante criogelación, lo que implicó congelar la solución formadora de gel inicial y realizar la polimerización o formación de gel a temperaturas de 12 a 18 grados por debajo del punto de congelación del disolvente (Fig. 1a).

Una representación esquemática del método de preparación de criogel mediante el método convencional (a) y el nuevo enfoque (precongelación) descrito en el presente documento (b).

Los cristales de disolvente (hielo) formados durante la congelación del disolvente actúan como porógenos. Después de descongelar el material se forman poros llenos de agua. Para obtener un gel macroporoso, es necesario formar los cristales del disolvente antes de que se forme el gel. Para reducir el gradiente de temperatura y también ralentizar la reacción que conduce a la formación del gel, la solución reactiva se enfrió previamente en hielo antes de añadir el iniciador o reticulante y también se redujo la concentración del iniciador para ralentizar la polimerización misma. . El gel macroporoso se formó después de la descongelación. La morfología del gel dependió de la velocidad de enfriamiento y la geometría del gel. Cuando se preparó un gel en una placa de Petri sumergida en un baño de etanol refrescante, la congelación comienza en el fondo de la placa, donde rápidamente se forman pequeños cristales de hielo, lo que da como resultado la formación de poros más pequeños de un tamaño promedio de 30 μm (Fig. 2A, parte inferior). El enfriamiento fue más lento en la parte superior de la muestra, lo que dejó más tiempo para el crecimiento de los cristales de hielo, lo que da como resultado la formación de poros más grandes, 76 μm (Fig. 2A, arriba). El tamaño de la muestra fue de sólo unos pocos (aproximadamente 2) milímetros. Por lo tanto, no sorprende que un aumento del tamaño de la muestra conduzca a un mayor gradiente de temperatura en la muestra y grandes variaciones en la morfología del gel.

(A) Imagen de microscopía de barrido láser confocal (CLSM) de una sección transversal de hidrogel de gelatina preparado en una placa de Petri. La congelación comenzó desde el fondo de la placa de Petri, donde se formaron pequeños poros, mientras que los poros más grandes se formaron en el contacto con el aire (arriba). La barra de escala es de 500 mm. (B) Perfiles de temperatura medidos en muestras de criogel HEMA: a) cuatro muestras diferentes de 5 ml cada una, b) y c) muestra de 100 ml preparada mediante el método convencional; y d) 100 ml de muestra después de la precongelación.

Los perfiles de temperatura durante la congelación de muestras de 5 ml de poli (metacrilato de 2-hidroxietilo-polietilenglicol) (pHEMA) con un diámetro de 10 mm a -12 °C se registraron utilizando un sensor de temperatura insertado en el medio de la muestra (Fig. 2B, a). ). Los perfiles de temperatura varían de una muestra a otra, lo que muestra la complejidad del proceso de congelación y su dependencia del punto de nucleación o del punto en el que los cristales de hielo comienzan a crecer. Inicialmente, tres muestras se enfriaron excesivamente y permanecieron sin congelar cuando la temperatura se redujo por debajo del punto de congelación normal del disolvente. En consecuencia, los momentos en que comenzaron la nucleación y la congelación fueron ligeramente diferentes. También se registraron los perfiles de temperatura producidos al congelar un criogel pHEMA de 100 ml en un vaso de precipitados con un diámetro de 120 mm (Fig. 2B, byc). Se insertaron sensores de temperatura en diferentes áreas de la muestra y muestran diferentes temperaturas según su posición. La primera solución se enfrió a 0 °C antes de añadir el iniciador. Se puede observar que inicialmente la solución se sobreenfrió de -2 a -6 °C. Una vez que comenzó la cristalización, la temperatura volvió a subir a -0,6 °C. Los cambios de temperatura más rápidos ocurrieron en el borde del vaso (Serie 1), donde la temperatura disminuyó rápidamente, mientras que en el medio de la muestra el enfriamiento y la congelación se retrasaron entre 40 y 70 minutos (Series 4 y 6). Como se añadió el iniciador durante el enfriamiento inicial, la polimerización comenzará al mismo tiempo que el enfriamiento de la muestra. Sabiendo que la polimerización suele completarse en unos 30 minutos, el retraso en la formación de cristales tiene un impacto considerable en la morfología del gel. Las condiciones de congelación en el borde de la muestra y en el centro de la muestra fueron muy diferentes. La nucleación comienza en el borde de la muestra y su retraso en el medio conduce a la exclusión y preconcentración de una porción mayor de solución de monómero-polímero no congelada en el centro, lo que conduce a la formación de poros más alargados y paredes de polímero más gruesas. y menor integración. Por tanto, los geles no son uniformes en su morfología y también son más frágiles.

Para controlar eficazmente la congelación de grandes volúmenes, se realizó una congelación parcial o "precongelación" de la mezcla antes de iniciar la formación del gel (Fig. 1b). Observamos que es posible congelar parcialmente la solución a temperaturas por debajo del punto de congelación del solvente y con mezcla constante permitir que el solvente cristalice. Entre el 50 y el 90% del disolvente se puede congelar dejando los reactivos formadores de gel en la fase líquida no congelada. Mezclar la solución de reacción mejora la transferencia de calor y la formación de núcleos de hielo. Esto permite una congelación uniforme de grandes volúmenes de solución de reacción. Los perfiles de temperatura de la muestra precongelada (Fig. 2B, d) son similares a los perfiles de temperatura producidos por el método convencional. Sin embargo, en la muestra precongelada la mayor parte del disolvente cristaliza y los cristales de hielo se distribuyen de manera más uniforme dentro de la muestra, creando un ambiente cercano a un bloque completamente congelado. El iniciador se añadió después de la precongelación de la solución, por lo que la polimerización se retrasó y se produjo en pequeñas regiones de la fase líquida no congelada, separadas por cristales de hielo. La transferencia de calor en estas muestras se relaciona con la congelación de pequeños volúmenes de la solución reactiva y el enfriamiento de la propia muestra. Descubrimos que la precongelación permite la producción de geles porosos de gran volumen y porosidad casi uniforme en todo el volumen de la muestra (Fig. 3). Se preparó un criogel pHEMA de 400 ml como una pieza cilíndrica con dimensiones de diámetro. 6 × 10 cm (Figura 3a). El gel tiene una estructura macroporosa en todo su volumen con poros interconectados en el rango de tamaño de 20 a 200 μm (Fig. 3e, f). El gel convencional también tiene una estructura macroporosa (Fig. 3), pero la morfología de los poros era diferente: se formaron poros más largos y alargados en el centro y la parte superior de la muestra. El gel convencional es más débil: su módulo de compresión es de 6 kPa, frente a los 12 kPa del gel elaborado mediante el método de precongelación (Tabla 1). La porosidad de los criogeles producidos por ambos métodos se analizó mediante porosimetría de mercurio (Fig. 3f). Se seleccionaron para el análisis tres áreas en los geles preparados por ambos métodos: superior, media e inferior. Ambos tipos de gel tienen macroporos en el rango de 20 a 200 µm. La distribución del tamaño de los poros fue similar para las muestras del fondo, probablemente debido a la similitud de las condiciones de congelación. Sin embargo, las muestras intermedias y superiores de los geles elaborados mediante el método de precongelación tienen una distribución de tamaño de poro mucho más estrecha en comparación con los geles convencionales. Los geles HEMA elaborados mediante el método de precongelación también tienen un volumen de poros mayor en comparación con el gel convencional (Tabla 1).

Poli(metacrilato de 2-hidroxietilo-polietilenglicol), pHEMA, gel de forma cilíndrica (400 ml) producido por el método convencional (izquierda) y precongelación (derecha) (a) y sus secciones transversales (b) - convencional, ( c) - precongelación), (d) muestra imágenes de microscopía de barrido láser confocal en sección transversal de un gel convencional, mientras que (e) muestra imágenes de microscopía electrónica de barrido de un gel producido mediante el método de precongelación, (f) muestra poros Distribución de tamaño en tres partes de los geles: superior, media e inferior.

La morfología del gel pHEMA obtenido mediante el método de precongelación fue notablemente diferente del producido por el método convencional (Fig. 4). En el criogel convencional, las paredes del gel eran lisas y no se observó agregación del polímero (Fig. 4). Durante el método convencional, pequeños volúmenes de solución de HEMA generalmente se congelan rápidamente antes de que comience la polimerización, por lo que la polimerización ocurre en soluciones altamente concentradas de pequeño volumen con difusión limitada del polímero. Como resultado, se forma un polímero con paredes lisas. En el método de precongelación, el iniciador se añade a una solución ya preconcentrada, lo que conduce a una rápida polimerización en condiciones de semicongelación y a la posterior separación de fases del polímero formado en la fase líquida. La separación de fases adicional entre el polímero formado y el disolvente dio como resultado la formación de una estructura más compleja de agregados de polímero fijados en una estructura 3D. Las imágenes SEM muestran una estructura 3D única con una combinación de macro y microporos en la pared del polímero (Fig. 4) y el análisis de la porosidad muestra una superficie más grande (Tabla 1). Esta estructura de porosidad dual depende de las características térmicas y fisicoquímicas de los monómeros utilizados en la preparación de los geles: un criogel de poliacrilamida (pAAm) preparado mediante el método de precongelación (Fig. 4) mostró una morfología similar a las muestras producidas por el método convencional. método (datos no mostrados).

Imágenes SEM de un criogel pHEMA elaborado utilizando los métodos convencionales y de precongelación y un criogel de poliacrilamida (pAAm) elaborado mediante el método de precongelación (la morfología del gel pAAm preparado mediante el método convencional fue similar, no se muestran datos).

Se prepararon compuestos a base de gel que contienen nanopartículas y micropartículas de carbón activado (250–500 μm, MAST Carbon) de óxido de hierro (α-Fe2O3, 20 nm, Arry International) mediante los métodos convencionales y de precongelación. Las partículas se suspendieron en la solución de reacción y se dividieron en dos partes. Se añadió iniciador a la primera parte y la muestra se colocó en una cámara de enfriamiento a -18 °C (método convencional). La segunda parte de la suspensión se enfrió a -18 °C y se mezcló constantemente hasta que el disolvente cristalizó, formando una suspensión de hielo. Después de la formación de una suspensión espesa de hielo y partículas, se añadió el iniciador y la muestra se congeló a -18 °C (método de precongelación). Durante el método de precongelación, se inhibió la separación de fases de las partículas, mejorando la distribución de las partículas en todo el volumen del gel. La Figura 5 muestra visualmente que las partículas se distribuyeron uniformemente en la muestra cuando se utilizó el método de precongelación (Fig. 5a, b, tubo de ensayo derecho). En un gel preparado mediante el método convencional, las partículas de óxido de hierro y perlas de carbono tienden a sedimentarse en el fondo y formar geles con una distribución desigual de las partículas (Fig. 5a, b, tubo de ensayo izquierdo). El análisis de la concentración de partículas de óxido de hierro en tres muestras de un criogel de 140 ml preparado en una jeringa de 150 ml demuestra una distribución uniforme de las partículas en la parte superior, media e inferior del gel (Tabla 1). La concentración de partículas fue de aproximadamente 0,37 ± 0,02 g/g de gel seco. El gel tiene una distribución de tamaño de poro entre 20 −200 μm (Fig. 5), un volumen de poro de 3,65 ± 0,45 cc/g y un área de superficie de 0,198 ± 0,029 m2/g (Tabla 1). Otro ejemplo lo da un compuesto de criogel y nanotubos de carbono. Durante la preparación de compuestos, los nanotubos de carbono tienden a flotar hacia la superficie de la solución y necesitan procedimientos especiales para aumentar su dispersión en la solución acuosa. El método de precongelación permite la producción de compuestos grandes con una distribución uniforme de nanotubos, sin necesidad de tratamiento con CNT para mejorar la dispersividad (Fig. 5c, d).

Compuestos de criogel de poliacrilamida. (a) con nanopartículas de α-Fe2O3 (20 nm) y (b) con perlas de carbón activado (250–500 mm), producidas por el método convencional (tubo de ensayo izquierdo) y producidas precongelando la suspensión antes del inicio de la polimerización ( tubo de ensayo derecho). El compuesto de criogel de poliacrilamida con nanotubos de carbono (c) y su sección transversal (d). Columna de α-Fe2O3-AAm producida por el método de precongelación (volumen de 140 ml) y método convencional (volumen de 1 ml) (e). Adsorción de As(III) por columnas de 4 y 140 ml (f). Distribución del tamaño de poro (g). Ver texto para discusión.

Se preparó una columna compuesta (140 ml) cargada con nanopartículas de hierro α-Fe2O3 utilizando el método de precongelación para la aplicación de flujo continuo (Fig. 5e). Se probó la columna para determinar la adsorción de As(III) de una solución acuosa y se comparó con una columna de 4 ml preparada mediante el método convencional. La columna de 4 ml se obtuvo apilando 4 piezas de gel de 1 ml. Los pequeños trozos de criogel (1 ml) se prepararon para mantener una distribución uniforme de nanopartículas. Se bombeó una solución de 10 mg/l de As(III) a través de la columna a un caudal de 10 ml/min. El perfil de avance para la columna de 4 ml (caudal de 4 ml/min) y la columna de 140 ml (caudal de 10 ml/min) demuestra una ampliación efectiva del proceso de adsorción con el uso de la columna grande fabricada por el pre- método de congelación (Fig. 5f).

La morfología de los geles macroporosos preparados mediante criogelación depende de la cristalización del disolvente, el tamaño de los cristales del disolvente formados y la separación de fases entre el disolvente congelado (hielo, cuando se utiliza agua como disolvente) y una solución precursora del gel reactivo (líquido no congelado con monómeros). , polímeros, reticulantes e iniciadores preconcentrados en su interior)5,8. La velocidad de congelación y la temperatura de congelación influyen en la nucleación y el crecimiento del hielo y, por tanto, controlan la porosidad del gel28. A temperaturas más bajas y una cinética rápida de nucleación del hielo, se forman geles con poros más pequeños (Fig. 6). Por ejemplo, el nitrógeno líquido se utiliza habitualmente para congelar muestras rápidamente y evitar el crecimiento de cristales de hielo. Sin embargo, para la síntesis de materiales macroporosos, normalmente se utilizan temperaturas en el rango de -10 a -25 °C para sistemas acuosos para permitir que crezcan cristales de disolvente más grandes7. La velocidad de congelación a menudo se denomina en la literatura la disminución de la temperatura con el tiempo controlada por el equipo de enfriamiento. Sin embargo, es más importante considerar la velocidad de congelación real de las soluciones en términos de su transición de líquido a sólido y la separación de fases que ocurre durante ese tiempo. Los experimentos prácticos muestran que las soluciones a menudo se enfrían a temperaturas inferiores al punto de congelación antes de que comience la cristalización, lo que se conoce como sobreenfriamiento (Figs. 2 y 6). Cuando se forma el primer núcleo de hielo, la temperatura en la muestra aumentará hasta una temperatura de transición, Tf, que es inferior al punto de congelación del disolvente puro. La velocidad de enfriamiento determina el número de sitios de nucleación y el tamaño de los cristales de hielo. Es obvio que en este proceso es necesario considerar la geometría de la muestra (es decir, las dimensiones de transferencia de masa y calor). Debido a la velocidad de congelación más lenta en el medio de una muestra grande en comparación con sus bordes, la cristalización del solvente comienza en diferentes momentos en el borde de la muestra y en la muestra a granel (Fig. 2B, b y c). Esto da como resultado la formación de geles con diferentes morfologías y tamaños de poro en toda la muestra8. La congelación de una muestra de gelatina de 2 mm produce una distribución de poros que varía entre 30 y 76 μm (Fig. 2A). Congelar grandes volúmenes es aún más complicado. Como mostramos en nuestros experimentos el tiempo de congelación podría variar entre 20 y 70 min. Esto resulta crucial cuando la polimerización o la formación de gel se inicia simultáneamente. Por lo tanto, ambos procesos (congelación y formación de gel) ocurren al mismo tiempo y el tiempo para el proceso más largo (enfriamiento de la solución y formación de cristales de hielo) se convierte en la limitación. La congelación de grandes volúmenes lleva más tiempo que la formación de gel. Así, en el momento en que comienza la nucleación del hielo en medio de una muestra grande, se forma el gel. El problema de congelar grandes volúmenes de manera uniforme impone severas restricciones a la fabricación de grandes dispositivos macroporosos a base de gel. Como solución para fabricar columnas grandes, se ha sugerido el método de apilar discos producidos mediante la congelación de muestras que son pequeñas en una dimensión (es decir, como un dispositivo de columna modular)21. Sin embargo, la tecnología es laboriosa e implica pasos adicionales de construcción del dispositivo, lo que no es ideal para la preparación práctica a escalas industriales o mayores. Sugerimos aquí un método de precongelación con mezcla constante de la solución que no necesariamente reduce el tiempo de congelación, pero que facilita la nucleación del hielo y la distribución de los cristales de hielo en la muestra y retrasa el inicio de la polimerización o la formación de gel. En este método de precongelación, primero se deja cristalizar el disolvente antes de añadir el iniciador o el agente de reticulación. La precongelación puede tardar desde minutos hasta horas, dependiendo del volumen y la forma de la mezcla en cuestión. Sin embargo, como los cristales de disolvente se forman antes de que se inicie la polimerización o la formación de gel, la etapa de congelación no depende de la velocidad de formación del gel. La formación de gel se inicia solo cuando la mayor parte del disolvente se congela y, por lo tanto, los cristales del disolvente se distribuyen uniformemente en todo el volumen de la muestra, lo que da como resultado la formación de geles de gran volumen con una mejor distribución del tamaño de poro y propiedades mecánicas. Por lo tanto, la precongelación presenta una solución simple y elegante para la congelación de muestras grandes y la producción de geles macroporosos 3D a gran escala, adecuados tanto para aplicaciones de laboratorio a gran escala como para producción industrial. El análisis de la estructura de una muestra de gel pHEMA de 400 ml muestra la presencia de grandes poros interconectados a lo largo de toda la muestra (Fig. 3). La distribución del tamaño de los poros muestra la formación de poros en el rango de 20 a 200 μm. El gel convencional tiene una distribución más amplia del tamaño de los poros y es más débil y frágil. Es de destacar que la precongelación de la solución proporciona las condiciones para la separación de fases del polímero formado en la fase líquida no congelada y la formación de nuevas estructuras en geles de pHEMA. En este trabajo obtuvimos un gel pHEMA de doble porosidad, con una estructura 3D compleja de macroporos grandes (de 20 a 200 μm) y poros más pequeños en la pared del polímero, haciendo que las paredes sean permeables y aumentando la superficie del polímero. Este material tiene particular interés para aplicaciones biológicas: los geles pHEMA son polímeros biocompatibles bien conocidos que han mostrado buenas características de proliferación y adhesión celular. Los geles con permeabilidad añadida como resultado de una porosidad adicional en las paredes de los poros pueden proporcionar un mejor intercambio de nutrientes y, en consecuencia, un mejor crecimiento celular. Estos criogeles poliméricos se pueden fabricar con la forma del tejido u órgano humano deseado, lo que abre interesantes oportunidades para su uso en medicina regenerativa. También se prepararon mediante el método de precongelación materiales compuestos macroporosos con una distribución uniforme de partículas, que no forman fácilmente una suspensión estable. Esto es valioso en aplicaciones donde se requiere reactividad adicional o funcionalidad de adsorción/separación mediante la incorporación de partículas reactivas no aglomeradas en las paredes del polímero21,22,29. La mezcla y los cristales de disolvente formados en el paso de precongelación evitan la separación de las partículas de la solución, mejorando su distribución a lo largo de toda la muestra (Fig. 5). Por el contrario, la falta de una suspensión estable en los criogeles preparados mediante métodos convencionales da como resultado la separación de partículas en el compuesto final21,30. El método de preparación convencional no es adecuado para la producción de compuestos donde las partículas tienen una densidad considerablemente diferente de la solución original, o donde las partículas son de gran tamaño. Por ejemplo, la producción de compuestos con materiales de perlas de carbono incorporados o nanotubos de carbono da como resultado la formación de geles donde las partículas se concentran en la parte superior (partículas ligeras) o en la parte inferior (partículas densas o grandes) del gel. Aumentar la viscosidad de la solución original o agregar tensioactivos puede ayudar a mejorar la dispersión de las partículas, pero esto no siempre es deseable, ya que un aumento en la viscosidad afecta la estructura de poros final y los geles elaborados a partir de una solución con alto contenido de monómero o polímero tienen poros más pequeños. Además, la congelación rápida de las muestras, en términos de reducir el tiempo de congelación para limitar la separación o sedimentación, da como resultado geles con poros más pequeños. Para muchas composiciones es prácticamente difícil diseñar las condiciones que detendrán la separación de partículas. Aquí demostramos que el método de precongelación es un método simple y eficiente para controlar la distribución de partículas sin comprometer la formación de poros grandes. Este hallazgo abre oportunidades para desarrollar nuevos materiales compuestos con poros grandes y área de superficie que ofrezcan un mejor rendimiento de adsorción y separación. Así, hemos preparado una columna compuesta de α-Fe2O3-AAm con un volumen total de 140 ml. Nuestro estudio anterior muestra el potencial del uso de geles macroporosos como soporte para nanopartículas de óxido de hierro para la generación de dispositivos nanocompuestos reactivos y su eficiencia para la adsorción de As (III) a partir de una solución acuosa. Sin embargo, la aplicación se limitó a compuestos de tamaño pequeño, con una columna de 4 ml obtenida al apilar 4 piezas separadas del gel probado. Aquí aumentamos el tamaño de la columna a 140 ml y demostramos una adsorción efectiva a mayor escala. Creemos que en la industria el tamaño de la columna podría ampliarse aún más. En conclusión, se ha desarrollado un enfoque novedoso para controlar la transferencia de calor en muestras de gran volumen y sintetizar materiales de hidrogel macroporosos 3D a gran escala. Además, la tecnología se puede utilizar para sintetizar compuestos estructurados en 3D de múltiples componentes con una distribución mejorada del material particulado. El método propuesto ofrece el potencial de diseñar diversas estructuras micro/macroporosas sofisticadas de múltiples componentes con diferentes tamaños y formas que podrían tener un gran potencial para diversas aplicaciones en los sectores biomédico, biotecnológico y ambiental.

Representación esquemática del proceso de congelación: el enfriamiento comienza a la temperatura A y la solución se sobreenfría a B. En B comienza la nucleación y la temperatura aumenta a C (temperatura de congelación, Tf). La cristalización y concentración del soluto en el líquido no congelado continúa hasta D, la temperatura objetivo.

Se prepararon láminas de hidrogel de gelatina (gel G) en un molde de vidrio. Se añadió glutaraldehído (3% v/p) a la solución de gelatina (6% p/p). La solución se colocó en el molde de vidrio y se congeló en una cámara de enfriamiento Julabo a -12 °C durante 20 h. Luego se descongela y se lava con exceso de agua. Se prepararon geles de metacrilato de 2-hidroxietilo disolviendo metacrilato de 2-hidroxietilo (HEMA, Acros Organic, 98%) y diacrilato de poli(etilenglicol) (PEGDA, Aldrich, Mn ~258) en agua (solución al 6% p/v, HEMA: relación molar de PEGDA 8:1). La mezcla de reacción se desgasificó a baja presión durante 25 minutos para eliminar el oxígeno disuelto antes de la gelificación. En el método convencional, la mezcla se enfrió a 0 °C durante 15 min y luego se añadieron N,N,N′,N′-tetrametiletilendiamina (TEMED, Fisher Scientific, 99%) y persulfato de amonio (APS, 98%). y la mezcla se dejó congelar por completo. En el método de precongelación, la mezcla se enfrió mezclando constantemente en un baño de enfriamiento de etanol a -18 °C. Después de que se formaron cristales de hielo, la mezcla se enfrió previamente a -2 °C con mezcla constante. Se añadieron N,N,N′,N′-tetrametil-etilendiamina (TEMED, Fisher Scientific, 99%) y persulfato de amonio (APS, 98%), y se dejó que la mezcla se congelara por completo. La mezcla congelada se mantuvo a -18 °C durante 20 horas y luego se descongeló a temperatura ambiente.

Se prepararon compuestos de nanopartículas de óxido de hierro disolviendo 4,8 g de acrilamida (AAm, Sigma-Aldrich, 99%) y 1,6 g de N, N′-metilenbisacrilamida (MBAA, Sigma-Aldrich, 96%) en 100 ml de agua. La solución se desgasificó durante 20 minutos. Se añadieron nanopartículas de óxido de hierro (α-Fe2O3, Arry International Group Limited, tamaño de partícula 30 nm), 10 gy TEMED 0,01 ml. Se colocaron 10 ml de la suspensión en un tubo de vidrio y se añadieron 0,007 g de APS. Después de mezclar, el tubo de vidrio se colocó en un baño de enfriamiento a -18 °C. El resto de la suspensión de nanopartículas en la solución de monómero se enfrió previamente en el baño de enfriamiento a -18 °C con mezcla constante hasta que se formaron cristales de hielo. Se añadieron 10 ml de suspensión precongelada al tubo de vidrio y se añadieron 0,007 g de APS. La suspensión se mezcló y se dejó congelar completamente a -18 °C. Las muestras congeladas se mantuvieron a -18 °C durante 20 horas y luego se descongelaron a temperatura ambiente. Se preparó de manera similar el criogel de óxido de hierro de 140 ml. La solución de reacción (150 ml de solución de monómero más 15 g de α-Fe2O3) se enfrió previamente en el baño de enfriamiento a -18 °C con mezcla constante hasta que se formaron cristales de hielo. La suspensión de reacción se colocó en una jeringa de 150 ml y se añadió iniciador. Las muestras se dejaron congelar a -18 °C durante la noche. Al día siguiente la muestra fue descongelada y lavada con agua. Se prepararon de manera similar compuestos de acrilamida con perlas de carbón activado agregando 100 ml de perlas de carbón en solución de AAm y MBAA (MAST Carbon International Ltd, S-250/500-TE9/16–20 °C) previamente humedecidas en agua durante la noche (3,3 g en 15 mililitros de agua). Para fabricar compuestos de nanotubos de carbono, se agregaron 6 ml de suspensión de nanotubos de carbono (0,09 g de peso seco) a 100 ml de solución de AAm (4,8 g) y MBAA (1,6 g). La solución se desgasificó durante 20 minutos y se añadió TEMED, 0,01 ml. La suspensión de nanotubos en la solución de monómero se enfrió previamente en el baño de enfriamiento a -18 °C con mezcla constante hasta que se formaron cristales de hielo. Luego se añadieron 0,07 g de APS. La suspensión se mezcló y se dejó congelar completamente a -18 °C. La mezcla congelada se mantuvo a -18 °C durante 20 horas y luego se descongeló a temperatura ambiente.

Las muestras de hidrogel se examinaron mediante microscopía de barrido láser confocal con un Leica TCS SP5 CLSM utilizando un objetivo normal de 20x. Se cortó una rodaja de aproximadamente 1 mm de espesor del gel húmedo y se tiñó con solución de FITC (0,02 mg/ml en tampón fosfato de sodio, pH 9,0) durante 20 h. Las muestras se lavaron con tampón y agua para eliminar el FITC no unido. Las longitudes de onda de excitación y emisión utilizadas fueron 488 y 530 nm, respectivamente. Las imágenes se generaron mediante corte óptico en los planos xy a lo largo del eje z con 50 secciones ópticas con intervalos de 1 μm. Se utilizó el software ImageJ para determinar el tamaño de los poros de los hidrogeles. Para microscopía electrónica de barrido, se cortó un gel pHEMA de 400 ml como se muestra en la Fig. 3 (e) y se tomaron cinco muestras para obtener imágenes. Las muestras se prepararon liofilizando los geles durante la noche. Después del secado, las muestras se montaron en trozos de aluminio equipados con almohadillas adhesivas de carbono, se recubrieron con platino y se examinaron utilizando un microscopio electrónico de barrido Zeiss NTS Sigma FEG. Los criogeles que se muestran en la Fig. 4 se prepararon y analizaron de la misma manera. Las mediciones de intrusión de mercurio a baja y alta presión y el análisis de datos se realizaron utilizando Quantachrome Instruments, EE. UU. y el software PoreWin 6.0. Los perfiles de temperatura se midieron sumergiendo 6 termopares en la solución reactiva en diferentes posiciones. La temperatura en la solución de reacción durante la preparación del gel se registró utilizando un registrador de datos de termopar USB TC-08 (Pico Technology) y el software de temperatura Easy. Las propiedades mecánicas del gel se probaron utilizando un analizador de textura TA.XTplus (Stable Micro Systems). Los geles se prepararon cortando cilindros de 9 mm de diámetro de las diferentes partes del gel. Se aplicó una carga máxima de 5 N. El módulo de compresión con una deformación de 0,1 se calculó utilizando el software TA.XTplus. El contenido de hierro en los criogeles compuestos se estudió según21. El contenido de hierro se midió mediante extracción de hierro con HCl 2 M. La concentración de hierro en solución se midió utilizando un sistema Perkin Elmer OptimaTM 2100 DV ICP-OES.

La solución de As(III) se preparó según el método descrito en 21. La solución de As(III), 10 mg/l, pH 7,0, se bombeó a través de un compuesto de AAm - α-Fe2O3 de 4 ml o 140 ml. Se recogió una fracción de 10 ml. La concentración de As(III) se midió utilizando un sistema Perkin Elmer OptimaTM 2100 DV ICP-OES.

Cómo citar este artículo: Savina, IN et al. Un método sencillo para la producción de hidrogeles macroporosos 3D de gran volumen para aplicaciones biotecnológicas, médicas y medioambientales avanzadas. Ciencia. Rep. 6, 21154; doi: 10.1038/srep21154 (2016).

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Este trabajo fue apoyado financieramente por los proyectos del 7PM: PERG08-GA-2010-276954 (BioSmart), PEOPLE-2013-IAPP-612250 (WasClean) y PEOPLE-2011-IAPP-286089 (OncoNanoBBB). Los autores agradecen a Protista Biotechnology AB (www.protista.se) por el acceso a los materiales y la tecnología de estructura polimérica porosa monolítica (MPPS®).

Facultad de Farmacia y Ciencias Biomoleculares, Universidad de Brighton, Huxley Building, Lewes Road, BN2 4GJ, Brighton, Reino Unido

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Andrew B. Cundy

Escuela de Ingeniería, Universidad Nazarbayev, 010000, Astana, Kazajstán

Serguéi V. Mijalovsky

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ISand SM diseñaron la investigación original. IS y GI realizaron la síntesis, caracterización, analizaron los datos y redactaron el manuscrito. IS, GI, SM y AC discutieron los resultados y sus aplicaciones/implicaciones y comentaron el manuscrito. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Los autores no declaran tener intereses financieros en competencia.

Este trabajo está bajo una licencia Creative Commons Attribution 4.0 International. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en la línea de crédito; Si el material no está incluido bajo la licencia Creative Commons, los usuarios deberán obtener permiso del titular de la licencia para reproducir el material. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

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Savina, I., Ingavle, G., Cundy, A. et al. Un método sencillo para la producción de hidrogeles macroporosos 3D de gran volumen para aplicaciones biotecnológicas, médicas y medioambientales avanzadas. Representante científico 6, 21154 (2016). https://doi.org/10.1038/srep21154

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Recibido: 14 de junio de 2015

Aceptado: 18 de enero de 2016

Publicado: 17 de febrero de 2016

DOI: https://doi.org/10.1038/srep21154

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