Controlled self-assembly of silk fibroin microgels using droplet-based microfluidic approach

Hydrogels have been extensively used in the biomedical field as an innovative approach in regenerative medicine. Their 3D polymeric network can be used to mimic natural tissues since their chemical and physical properties can be tuned according to the required application. Among the different hydrogel’s formats, microgels, with dimensions in the range of 10–1000 µm, have been widely employed in cell and drug delivery applications. Cell encapsulation in microgels allows their easy manipulation by means of syringes and pipettes and their small dimensions permits their targeted delivery by injection. In this work, I devised a method for the synthesis of silk fibroin microgels by combining sonication assisted gelation of silk from its water solution and a microfluidic device to confine the silk solution into micro sized droplets. The solution parameters (viscosity of oil and water), chemical parameters (concentration of surfactant) and fluidodynamics of the system (flow rates) were optimized. Silk microgels were synthesized in different sizes, ranging from 40 µm to 100 µm in diameter. They were homogeneous in size, with low polydispersity. The structural properties were characterized highlighting the hydrogels’ porous structure and mechanical properties, measured by indentation in the liquid phase, showed soft hydrogels. To test their permeability, drug release experiment using FITC-Albumin as a model drug was performed. The release was completed in 54 hours, but with 60% of the drug release within the first 6 hours. The release, modeled with Peppas-Korsemeyer model, corrected with an additional term to take into account the burst showed a Fickian-like behavior distorted because of the disgregation of the capsule. The microgels proved to have some interesting properties for cell encapsulation and delivery and future work should address improvement of stiffness and stability by increased silk concentration, in order to expand stability and thus applicability.

Gli idrogeli sono stati ampiamente utilizzati in campo biomedico come approccio innovativo nella medicina rigenerativa. La loro rete polimerica 3D può essere usata per imitare i tessuti naturali poiché le loro proprietà chimiche e fisiche possono essere regolate a seconda dell'applicazione richiesta. Tra i diversi formati di idrogel, i microgel, con dimensioni nell'intervallo di 10-1000 µm, sono stati ampiamente impiegati in applicazioni di consegna di cellule e farmaci. L'incapsulamento delle cellule nei microgel permette la loro facile manipolazione per mezzo di siringhe e pipette e le loro piccole dimensioni permettono la loro somministrazione mirata per iniezione. In questo lavoro, ho ideato un metodo per la sintesi di microgel di fibroina di seta combinando la gelificazione assistita da sonicazione della seta a partire dalla sua soluzione acquosa e un dispositivo microfluidico per confinare la soluzione di seta in goccioline di dimensioni micro. I parametri della soluzione (viscosità dell'olio e dell'acqua), i parametri chimici (concentrazione del tensioattivo) e la fluidodinamica del sistema (velocità di flusso) sono stati ottimizzati. I microgeli di seta sono stati sintetizzati in diverse dimensioni, che vanno da 40 µm a 100 µm di diametro. Erano di dimensioni omogenee, con bassa polidispersità. Le proprietà strutturali sono state caratterizzate evidenziando la struttura porosa degli idrogeli e le proprietà meccaniche, misurate mediante indentazione in fase liquida, hanno mostrato idrogeli morbidi. Per testare la loro permeabilità, è stato eseguito un esperimento di rilascio di farmaci utilizzando FITC-Albumina come farmaco modello. Il rilascio è stato completato in 54 ore, ma con il 60% del rilascio del farmaco entro le prime 6 ore. Il rilascio, modellato con il modello di Peppas-Korsemeyer, corretto con un termine aggiuntivo per tenere conto dell'effetto burst, ha mostrato un comportamento simile a quello di Fick, ma distorto a causa della disgregazione della capsula. I microgel hanno dimostrato di avere alcune proprietà interessanti per l'incapsulamento e il delivery di cellule e il lavoro futuro dovrebbe affrontare il miglioramento della rigidità e della stabilità utilizzando una maggiore concentrazione di seta, al fine di espandere la stabilità e quindi l'applicabilità.