Un regolatore di pressione miniaturizzato stampato in 3D (μPR) per applicazioni di coltura cellulare microfluidica

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 10769 (2022) Citare questo articolo

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Flussi di fluidi ben definiti sono la caratteristica distintiva dei sistemi di coltura microfluidica e consentono un controllo preciso sui segnali biofisici e biochimici su scala cellulare. Il controllo del flusso microfluidico viene generalmente ottenuto utilizzando tecniche basate sullo spostamento (ad esempio, pompe a siringa o peristaltiche) o a pressione controllata che forniscono numerose opzioni di perfusione, inclusi flussi costanti, a rampe e pulsati. Tuttavia, può essere difficile integrare questi dispositivi di grande formato e le relative periferiche negli incubatori o in altri ambienti ristretti. Inoltre, gli studi sulla coltura microfluidica vengono condotti principalmente in condizioni di perfusione costante e le capacità di flusso più complesse sono spesso inutilizzate. Pertanto, è necessaria una piattaforma di controllo del flusso semplificata che fornisca funzionalità di perfusione standard e possa essere facilmente integrata negli ambienti incubati. A tal fine, presentiamo un micro regolatore di pressione (μPR) sintonizzabile stampato in 3D e dimostriamo che può fornire robuste capacità di controllo del flusso se combinato con una pompa ad aria miniaturizzata alimentata a batteria per supportare applicazioni microfluidiche. Descriviamo in dettaglio la progettazione e la fabbricazione del µPR e: (i) dimostriamo un intervallo di pressione di uscita regolabile rilevante per le applicazioni microfluidiche (1–10 kPa), (ii) evidenziamo le capacità di controllo dinamico in una rete microfluidica, (iii) e manteniamo il cordone ombelicale umano cellule endoteliali venose (HUVEC) in un dispositivo di coltura multicompartimento in condizioni di perfusione continua. Prevediamo che il nostro approccio alla fabbricazione stampata in 3D e i progetti ad accesso aperto consentiranno µPR personalizzati in grado di supportare un’ampia gamma di applicazioni microfluidiche.

Gli approcci microfluidici sfruttano la manipolazione precisa dei fluidi per introdurre capacità sperimentali uniche in applicazioni biologiche1,2,3, inclusa la stimolazione biofisica definita di cellule in coltura4,5,6,7,8, l'afflusso controllato di composti chimici9,10,11 e l'introduzione di popolazioni cellulari secondarie nell'ambiente di coltura12,13. In questi sistemi, il controllo del flusso del fluido viene generalmente ottenuto tramite schemi di pompaggio basati sulla cilindrata o pneumatici14,15,16. Ad esempio, le pompe a siringa utilizzano il movimento rotatorio delle viti meccaniche per erogare il fluido dal cilindro della siringa a una portata controllata (Q), mentre le pompe peristaltiche utilizzano un meccanismo a camma per spingere o tirare i fluidi attraverso tubi flessibili per controllare direttamente Q17. Sebbene le pompe a siringa e peristaltiche siano spesso utilizzate a causa delle loro robuste capacità di controllo del flusso e della compatibilità con componenti standardizzati (ad esempio siringhe, raccordi e tubi), può essere difficile integrarle in ambienti confinati18. Inoltre, le oscillazioni meccaniche del meccanismo a vite o a camma possono introdurre pulsazioni di flusso indesiderate che provocano danni alle cellule19,20,21,22.

Al contrario, gli schemi di pompaggio pneumatico creano una caduta di pressione definita (ΔP) attraverso le reti microfluidiche per controllare Q. Per questi flussi guidati dalla pressione, Q è definito dall'equazione di Hagen-Poiseuille, Q = ΔPR−1, che può essere pensata come l'analogia idraulica con la Legge di Ohm, dove R è la resistenza fluidica definita dalla geometria della rete e dalla viscosità del fluido23. A causa della natura intrinseca di smorzamento dei sistemi pneumatici, questi approcci sono meno suscettibili alle pulsazioni del flusso rispetto ai metodi basati sullo spostamento18. Tuttavia, a causa dei potenziali cambiamenti della resistenza fluidica e dei concomitanti effetti della contropressione, gli approcci pneumatici spesso richiedono apparecchiature periferiche complesse, come una fonte d'aria dedicata ad alta pressione (ad esempio, aria di laboratorio), un controller di pressione a circuito chiuso, regolatori di contropressione e sensori di pressione/flusso in linea per mantenere la portata desiderata24,25,26. Di conseguenza, i metodi pneumatici possono anche essere difficili da integrare in ambienti confinati di coltura cellulare27.

24 h)31,32,33. Microelectromechanical systems (MEMS) approaches have also been used to create microfabricated pumps34,35. Although these micropumps can provide the long-term control required for lab-on-chip applications, the complexity of the fabrication procedures can make customization and implementation impractical./p>

30 mm), a higher outlet pressure range (~ 35 kPa) with a lower resolution (> 3.5 kPa). These approaches also cannot be customized, are expensive (> $100 USD for one with aforementioned features), and require a dedicated laboratory compressed air line. These techniques are summarized in Table S2. By introducing the µPR along with a mini air pump to create a microfluidic flow control platform, we can deliver a range of tunable and stable flow rates within a portable system. Our platform provides a cost-effective pressure control scheme with a range of customization opportunities owing to the increasing availability of hobby and commercial 3D printers. For reference, the total cost of the mini air pump and µPR setup as shown in this work is less than $7 USD, of which the µPR is less than $1.20 as shown in supplementary Table S1./p>

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