Design and fabrication of microgel shapes as red blood cell substitutes (RBCs) by UV-assisted punching

There is a constant high demand for blood transfusions worldwide. Donor-derived blood employed as the current clinical standard has several limitations including insufficient availability, short shelf-life, and risk of pathogenic contamination. Thus, the development of artificial red blood cells (RBCs) has become a crucial field of study. Such artificial RBCs encapsulate hemoglobin (Hb), the oxygen-carrying component of RBCs, and aim to mimic the features of the endogenous cells. Currently, mainly microparticles and nanoparticles are used as encapsulated systems in drug delivery research. Polyethylene glycol (PEG)-based hydrogels are the primary choice for material, due to their biocom-patibility. So far, most carriers developed have spherical shapes and are produced from bottom-up approaches that cannot offer the best geometric control. It has been proven that geometry plays a critical role in the vascular behavior of microparticles, thus the need to obtain non-spherical carriers. This project proposed to employ top-down fabrication methods to better overcome this challenge. By aiming to design and fabricate three different PEG-based microgel shapes (rods, stars, and hexagons) designed within the same size range as RBCs. Firstly, Silicon masters with the designed patterns were produced through photolithography and dry etching. Then they were used to produce cyclo olefin polymer (COP) stamps through hot embossing. These stamps were coated with different PEG formulations (with and without Hb) by slot die coating. Next, they were used in UV-assisted punching to form the microgel shapes and mechanically punch through the hydrogel flash layer onto a poly-vinyl alcohol (PVA) substrate. The microgels were harvested by dissolving the PVA. These microgels shapes obtained had the desired aspect ratio of 3:1 retaining good shape features. However, challenges remained in the achievement of individual microgel shapes after harvest. Due to coating thickness limitations that consequently affected the mechanically punching process afterwards. Existe uma constante procura de transfusões sanguíneas. Isto devido ao sangue proveniente de dadores ter inúmeras limitações incluindo disponibilidade insuficiente, baixa longevidade e risco de contaminação pa-togénica. Assim sendo o desenvolvimento de hemácias artificiais tornou-se um crucial ramo de investigação. Estas hemácias artificiais encapsulam a hemoglobina, componente transportador de oxigénio, visando imitar as características das células endógenas. Atualmente maioritariamente micropartículas e nanopartículas são usadas como sistemas de encapsu-lamento em estudos de entrega de fármacos. Sendo os hidrogéis à base de polietilenoglicol (PEG) a maior escolha como material, devido à sua biocompatibilidade. Até agora, a maioria dos portadores desenvolvidos tem formas esféricas e são produzidos a partir de métodos de bottom-up que não conseguem oferecer o melhor controle geométrico. Foi comprovado que a geometria desempenha um papel crítico no comportamento vas-cular das micropartículas, daí a necessidade de obter portadores não esféricos. Este projeto propôs utilizar métodos de fabricação top-down de forma a superar essa limitação. Com o objetivo principal de desenhar e fabricar três formas diferentes de microgéis à base de PEG (hastes, estrelas e hexágonos) projetadas para dimensões semelhantes às hemácias. Primeiramente, foram produzidos templates de silício com os padrões fabricados por fotolitografia e erosão seca. Em seguida, estes foram usados para imprimir moldes de polímero de ciclo olefina (COP) por hot embossing. A estes moldes foram depositadas diferentes formulações de PEG (com e sem Hb) por slot die coating. Consecutivamente, estes foram usados em UV-assisted punching para obter as desejadas formas microgéis com o molde cortando mecanicamente as formas pelo hidrogel para o substrato de álcool polivinílico (PVA). Posteriormente os microgéis foram obtidos através da dissolução do PVA em água. Sendo que estes mantiveram os tamanhos desejados com uma razão de aspeto de 3:1, conservando também as formas. No entanto, os desafios permaneceram na obtenção de mi-crogéis individuais após a dissolução. Devido a limitações de espessura durante a deposição que consequente-mente afetaram o processo de cortamento mecânico posterior.