實驗目的:
本實驗方案利用微滴/微球制備儀,以含有螯合物Ca-EDTA和海藻酸鈉的溶液為水相1,以含有螯合物Zn-EDDA和海藻酸鈉的溶液為水相2,以Drop-Surf微滴生成油為油相制備高單分散的海藻酸鈉凝膠微球(CV<5%)。
引言:
水凝膠是一類重要的軟性材料,被廣泛應用于藥物研究、藥物遞送、組織工程和食品科學等領域。在眾多制備水凝膠的天然高分材料中,海藻酸鹽作為一種天然多糖,由于其低毒性、溫和的離子交聯(lián)條件、良好的生物相容性和生物可降解性等優(yōu)點,在生物醫(yī)學領域得到極大的關注
[1]。
目前,現有技術報道了微米大小的海藻酸鹽凝膠珠作為3D細胞培養(yǎng)的生物支架模擬細胞生長的基質環(huán)境,被廣泛應用于活細胞的封裝、培養(yǎng)和監(jiān)測
[2]。Uyen N.T.T.等人發(fā)現微米級的海藻酸鹽凝膠微球既可以控制藥物的釋放速度,又能將藥物遞送到特定的治療靶點,且藥物釋放后的海藻酸鹽可直接被降解通過代謝排出體內
[3]。通常情況下,海藻酸鹽水溶液在封裝過程中與Ca
2+、Ba
2+、Cu
2+、Cd
2+和Sr
2+等二價陽離子進行離子交聯(lián)以制備海藻酸鹽凝膠。如將海藻酸鈉滴入過量的氯化鈣水溶液中,并通過攪拌或超聲制備海藻酸鹽微凝膠珠
[4]。然而,這種方法生產的微凝膠存在粒徑單分散性差和形狀不規(guī)則等缺點。因此,生產單分散性良好和結構均勻的凝膠珠仍存在不少問題。
采用液滴微流控技術可以生產形狀精確可控和粒徑均一的海藻酸鹽凝膠。通常,海藻酸鈉溶液在液滴微流控芯片中乳化并分散在油相中,并與Ca
2+進行交聯(lián)。而這種快速的交聯(lián)反應可能導致液滴生成粒徑不均和微流控芯片的堵塞。因此,采用液滴微流控制備時需將液滴生成與凝膠化反應分開,F有技術中公開了通過將CaCO
3納米顆粒分散于海藻酸鹽水溶液中,然后將生成后的液滴暴露在酸性條件下,導致CaCO
3的溶解釋放Ca
2+,并使其與海藻酸鹽交聯(lián)凝膠化
[5]。然而,由于CaCO
3呈顆粒狀,pH降低導致Ca
2+的釋放分布不均,進而使得離子交聯(lián)均勻性較差。此外,納米顆粒的團聚也會導致微流控芯片流道的堵塞。
為此,Utech等通過用螯合劑乙二胺四乙酸(EDTA)螯合Ca
2+形成Ca-EDTA,使其穩(wěn)定的分散在海藻酸鹽溶液中。然后,將經微流控芯片制備微液滴的油水混合物通入酸性的油相中,Ca
2+由H
+與EDTA的結合而被釋放,并與海藻酸鹽交聯(lián)形成凝膠珠
[6]。雖然這種方法可以制備結構均勻的離子交聯(lián)海藻酸鹽凝膠珠,但該工藝凝膠固化所需的pH(pH<5)較低。這很有可能會嚴重影響細胞的存活,不利于細胞和組織生長。
基于以上存在的問題,
FluidicLab微滴制備平臺通過借助配體與離子結合能力的不同,實現凝膠離子Ca
2+有序可控的釋放,以達到海藻酸鈉微球凝膠固化的目的
[7,8]。其原理示意圖下圖所示,將含有螯合物Ca-EDTA和海藻酸鈉的溶液作為水相1,含有螯合物Zn-EDDA和海藻酸鈉的溶液作為水相2;當兩種水相混合后,因螯合劑與金屬離子的結合能力存在差異,Zn
2+會與EDTA結合從而導致
Ca
2+的釋放,而被釋放的Ca
2+與海藻酸鈉反應實現凝膠固化。通過上述方式結合FluidicLab微滴制備平臺制備的海藻酸鈉凝膠微球是在中性、低離子濃度的溫和條件下進行的,制備反微球粒徑均一性高,反應速度快,凝膠固化時間短,大大減少對健康細胞的傷害。
實驗材料:
試劑 |
微滴生成油(Drop-Surf,FluidicLab) |
破乳劑(Drop-Surf,FluidicLab) |
海藻酸鈉(FluidicLab) |
無水氯化鈣(Macklin, C805228-100 g) |
EDTA溶液(Macklin, 0.5 M, pH 7.4, E885215-1L) |
乙二胺-N, N′-二乙酸(EDDA, Macklin, E838453-5 G) |
無水醋酸鋅(Macklin, E820824-25 G) |
氫氧化鈉(Macklin, S817971-500 G) |
PBS緩沖液粉末(Macklin, P854529-10EA) |
耗材 |
50 mL離心管(Falcon 50 mL REF 352098)若干 |
15 mL離心管(Falcon 15 mL REF 352097)若干 |
1.5/2 mL離心管若干 |
內/外徑0.25 /1.6 mm PEEK管及所需接頭 |
0.22 μm針式過濾器(PTFE材質)和注射器若干 |
芯片夾具 |
PDMS-SCE-100/50/30 μm芯片(FluidicLab) |
PDMS標準芯片夾具 |
設備 |
Fluidiclab微滴/微球制備儀(三通道) |
輔助設備 |
電腦(Win10 以上系統(tǒng)) |
普通光學顯微鏡(用于測微球粒徑) |
梅特勒托利多pH計 |
實驗步驟:
- 試劑配制:
① 2 M CaCl
2 溶液配制:
取2.2197 g的無水CaCl
2 (M
CaCl2=110.984 g/moL)加入超純水振蕩溶解,最終定容至10 mL備用。
② 2 % (wt%)海藻酸鈉溶液配制:
取0.2 g的海藻酸鈉固體粉末加入超純水超聲振蕩,60 ℃加熱輔助溶解,最終定容至10 mL備用。
③ 2 M NaOH溶液配制
取1.6 g的NaOH(M
NaOH=176.17 g/moL)加入超純水振蕩溶解,最終定容至20 mL備用。
④ 80 mM Ca-EDTA溶液(pH=6.7)
取400 μL配制的2 M CaCl
2與1.6 mL 的0.5 M EDTA振蕩均勻,加入5 mL超純水振蕩均勻,然后滴加2M NaOH調整pH至6.7左右,最終加入超純水定容至10 mL。
【注】下表加入體積供參考,實際加入量以pH值變化為準。
序號 |
依次加入2 M NaOH體積(μL) |
pH測量值 |
1 |
0 |
3.92 |
2 |
200 |
4.38 |
3 |
150 |
5.97 |
4 |
5 |
6.21 |
5 |
3 |
6.38 |
6 |
2 |
6.51 |
7 |
1 |
6.58 |
8 |
0.5 |
6.63 |
9 |
0.5 |
6.67 |
總體積 |
362 |
/ |
⑤ 80 mM Zn-EDDA溶液(pH=6.7)
取0.1465 g的無水Zn(CH
3CHO
2)
2 (M
Zn(CH3CHO2)2=183.48 g/moL)與0.1416 g的乙二胺-N, N′-二乙酸(EDDA,M
EDDA=176.17 g/moL),加入5 mL超純水超聲振蕩溶解,然后滴加2M NaOH調整pH至6.7左右,最終加入超純水定容至10 mL。
【注】下表加入體積供參考,實際加入量以pH值變化為準。
序號 |
依次加入2 M NaOH體積(μL) |
pH測量值 |
1 |
0 |
3.96 |
2 |
500 |
5.01 |
3 |
200 |
5.71 |
4 |
40 |
6.06 |
5 |
20 |
6.44 |
6 |
3 |
6.53 |
7 |
2 |
6.62 |
8 |
1 |
6.65 |
9 |
0.5 |
6.68 |
總體積 |
766.5 |
/ |
⑥ 水相1配制(0.6%海藻酸鈉, 40 mM Ca-EDTA)
取等體積80 mM Ca-EDTA溶液與1.2%海藻酸鈉溶液振蕩均勻得到分散相1,用0.22 μm針式過濾器過濾備用。
⑦ 水相2配制(0.6%海藻酸鈉, 40 mM Zn-EDDA)
取等體積80 mM Zn-EDDA溶液與1.2%海藻酸鈉溶液振蕩均勻得到分散相2,用0.22 μm針式過濾器過濾備用。
2. 海藻酸鈉微球制備:
- 微滴/微球制備儀的安裝連接
微滴/微球制備儀安裝連接參考《微滴/微球制備儀使用手冊V.1.0》中“2. 微滴/微球制備儀的安裝連接”的部分;其連接如下(步驟③-⑦連接效果如下圖所示):
① 用氣管依次連接“空氣壓縮機”--“氣源處理裝置”--“微滴/微球制備儀”;
② 將
微滴/微球制備儀分別與電源、電腦的連接;
③ 用氣管分別將A
0(壓力輸出通道一)和A
1(油相15 mL儲液池),B
0(壓力輸出通道二)和B
1(水相1的2 mL儲液池)連接,C
0(壓力輸出通道三)和C
1(水相2的2 mL儲液池);
④ 用配有1/4-28螺紋接頭和卡箍的PEEK管(內/外徑 0.25 mm/1.6 mm)分別將A
1(油相15 mL儲液池)和A
2(通道一流量傳感器),B
1(水相1的2 mL儲液池)和B
2(通道二流量傳感器)連接,C
1(水相2的2 mL儲液池)和C
2(通道三流量傳感器)連接;
⑤ 用配有1/4-28螺紋接頭和卡箍的PEEK管(內/外徑 0.25 mm/1.6 mm)分別將A
2(通道一流量傳感器)和A
3(PDMS芯片的油相入口),B
2(通道二流量傳感器)和B
3(PDMS芯片的水相1入口)連接,C
2(通道三流量傳感器)和C
3(PDMS芯片的水相2入口)連接;
⑥ D為標準PDMS芯片和夾具的組合,芯片和夾具的入口通過硅膠塞密封;
⑦ 用PEEK管(內/外徑 0.25 mm/1.6 mm)將芯片出口E處生成的乳液導出。
2. FluidicLabSuite軟件的安裝和設備的添加:
FluidicLabSuite軟件的安裝參考《微滴/微球制備儀使用手冊V.1.0》中“3.1 FluidicLabSuite軟件的安裝”的部分(相機和流量傳感器僅需添加一次);
3. 海藻酸鈉微滴的制備和固化:
具體操作步驟如下(參考視頻“微流控應用:微滴制備儀制備海藻酸鈉微球”):
① 分別在15 mL油相儲液池(通道一),2 mL水相1儲液池(通道二)和2 mL水相2儲液池(通道三)中依次加入5 mL微滴生成油,2 mL 水相1(0.6%海藻酸鈉, 40 mM Ca-EDTA)和2 mL水相2(0.6%海藻酸鈉, 40 mM Zn-EDDA);
② 打開空氣壓縮機和氣源處理裝置開關;
③ 在乳液出口端放置離心管接收微滴穩(wěn)定前的廢液;
④ 在電腦端設置通道一壓力(油相,如250 mbar)、通道二壓力(水相1,如350 mbar)和通道三壓力(水相2,如350 mbar)排出管路和芯片中的空氣;
⑤ 待管路和芯片中填充滿液體后(空氣被完全排出),將整個系統(tǒng)由壓力控制切換到流速控制,并設置通道一(油相),通道二(水相1)和通道三(水相2)流速分別為20,5和5 μL/min;
⑥ 調整反饋值(Feedback)快速達到設定流速,并實現流速的穩(wěn)定輸出;
⑦ 用疏水培養(yǎng)皿接收一滴乳液,并在普通光學顯微鏡下觀察其微滴的均勻性;
⑧ 待微滴生成均勻后,即可開始接收1.5 mL離心管中;
⑨ 一段時間后停止收集,密封于離心管中,靜置10 min固化。
4. 海藻酸鈉微球的破乳清洗:
具體操作步驟如下(參考視頻“微流控應用:微滴制備儀制備海藻酸鈉微球”):
① 取出1.5 mL離心管底部微滴生成油;
② 按V
球:V
破=1:2 加入破乳劑,振蕩破乳;
③ 1000 rpm離心處理30 s,并取出底部破乳劑;
④ 重復上述②和③操作;
⑤ 最終將得到海藻酸鈉微球分散于配制的PBS緩沖液中。
5. 微滴/微球制備儀清洗:
微滴生成儀每次使用完必須清洗管路、流量傳感器和芯片。具體操作詳見“微滴/微球制備儀操作指導卡”。
結果與討論:
剛接收的微滴平均粒徑為101.74 μm,具有極高的單分散性(變異系數:CV=1.30%)。其顯微鏡圖和粒徑分布如下圖所示:
微滴交聯(lián)固化分散于PBS中的海藻酸鈉微球平均粒徑為96.08 μm,具有極高的單分散性(變異系數:CV=2.52%)。其顯微鏡圖和粒徑分布如下圖所示:
此外,我們也采用了不同類型的芯片制備了1%海藻酸鈉微球,其中水相1中Ca-EDTA和水相2中的Zn-EDDA濃度都為40 mM。具體參數如下表所示:
芯片類型 |
油相 |
水相1 |
水相2 |
微滴粒徑
(μm) |
CV(%) |
微球粒徑
(μm) |
CV(%) |
流速
(μL/min) |
壓力
(mbar) |
流速
(μL/min) |
壓力
(mbar) |
流速
(μL/min) |
壓力
(mbar) |
PDMS-SCE-100 |
10 |
85 |
1.5 |
366 |
1.5 |
366 |
101.68 |
1.69 |
107.24 |
1.61 |
10 |
114 |
4.5 |
855 |
4.5 |
859 |
112.39 |
1.99 |
110.54 |
2.03 |
20 |
166 |
5 |
959 |
5 |
944 |
100.60 |
1.81 |
103.16 |
1.76 |
20 |
176 |
6.5 |
1110 |
6.5 |
1081 |
106.57 |
1.72 |
107.24 |
1.71 |
PDMS-SCE-50 |
4 |
174 |
1 |
1145 |
1 |
1157 |
53.83 |
2.66 |
58.39 |
4.10 |
4 |
251 |
2 |
1727 |
2 |
1658 |
60.07 |
2.49 |
65.94 |
3.37 |
8 |
309 |
2 |
1700 |
2 |
1663 |
51.28 |
2.62 |
55.81 |
3.99 |
PDMS-SCE-30 |
5 |
/ |
2 |
/ |
2 |
/ |
33.72 |
2.81 |
34.42 |
3.46 |
參考文獻:
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