Caratterizzazione sistematica delle camere bianche

Nov 09, 2023

Microsistemi e nanoingegneria volume 8, numero articolo: 54 (2022) Citare questo articolo

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Le valvole integrate consentono il controllo automatizzato nei sistemi microfluidici, poiché possono essere applicate per scopi di miscelazione, pompaggio e compartimentazione. Tale automazione sarebbe molto preziosa per le applicazioni nei sistemi organ-on-chip (OoC). Tuttavia, i sistemi OoC hanno tipicamente dimensioni del canale nell'ordine di centinaia di micrometri, che è un ordine di grandezza maggiore di quello delle tipiche valvole microfluidiche. Il processo di fabbricazione più utilizzato per le valvole integrate in polidimetilsilossano (PDMS) normalmente aperte richiede un fotoresist a riflusso che limiti l'altezza del canale raggiungibile. Inoltre, i bassi volumi di corsa di queste valvole rendono difficile raggiungere portate di microlitri al minuto, tipicamente richieste nei sistemi OoC. Qui presentiamo una "macrovalvola" meccanica fabbricata mediante litografia morbida multistrato utilizzando stampi diretti microfresati. Dimostriamo che queste valvole possono chiudere canali arrotondati alti fino a 700 µm e larghi fino a 1000 µm. Inoltre, abbiamo utilizzato queste macrovalvole per creare una pompa peristaltica con una velocità di pompaggio fino a 48 µL/min e un dispositivo di miscelazione e dosaggio in grado di raggiungere la miscelazione completa di un volume di 6,4 µL in soli 17 s. Un esperimento iniziale di coltura cellulare ha dimostrato che un dispositivo con macrovalvole integrate è biocompatibile e consente la coltura cellulare di cellule endoteliali per più giorni in perfusione continua e rinfresco automatizzato del mezzo.

Gli organ-on-chips (OoC) sono comunemente definiti come dispositivi di coltura cellulare microfluidica contenenti due canali paralleli indirizzabili in modo indipendente, separati da una membrana porosa. È possibile coltivare diversi tipi di cellule su entrambi i lati della membrana, creando un'interfaccia tessuto-tessuto complessa, organo-specifica1,2. I dispositivi OoC sono considerati una potente alternativa ai convenzionali modelli in vitro e animali3. Tuttavia, eseguire esperimenti di coltura cellulare su chip non è banale. Gli OoC possono richiedere molta manodopera e sono difficili da utilizzare, poiché richiedono esperienza sia nella microfluidica che nella coltura cellulare4,5.

Per tradurre gli OoC da dispositivi proof-of-concept in sistemi commerciali, ad esempio, screening dei farmaci e medicina personalizzata, è fondamentale che i sistemi OoC abbiano una produttività maggiore. Gli OoC multiplex rappresentano un approccio promettente per aumentare la produttività degli esperimenti OoC5,6. Negli ultimi anni sono stati presentati diversi sistemi microfluidici con un livello più elevato di parallelizzazione o produttività, ma ciascuno di essi presenta i propri inconvenienti. Ad esempio, Mimetas OrganoPlate® è un sistema con da 40 a 96 pozzetti di coltura indipendenti o OoC7. Tuttavia, sono necessarie numerose fasi di pipettaggio per riempire ogni singolo chip, l'area della coltura cellulare è piccola e l'installazione richiede l'uso di un idrogel (come barriera semipermeabile e/o come substrato cellulare). Zakharova et al. ha mostrato un esempio di progetto con un ingresso comune e otto uscite parallele che possono essere utilizzate per raggiungere livelli di produttività più elevati, ma è ancora necessaria molta gestione manuale8.

I sistemi con valvole microfluidiche integrate vengono spesso utilizzati per ridurre la necessità di movimentazione manuale dei liquidi, come quelli mostrati da Vollertsen et al.9,10. Questi sistemi utilizzano spesso valvole integrate normalmente aperte11, poiché le valvole sono facili da fabbricare e hanno un ingombro ridotto rispetto alle larghezze del canale rispetto a quelle delle valvole normalmente chiuse12,13. Nel 2000, Unger et al. ha presentato una valvola PDMS normalmente aperta che viene attualmente utilizzata spesso, nota anche come valvole stile Quake12. Queste microvalvole sono uno strumento essenziale per il controllo automatizzato nella microfluidica, poiché possono essere utilizzate per scopi di miscelazione, pompaggio e multiplexing in un'ampia gamma di applicazioni9,10,14,15. Sebbene questi sistemi di integrazione microfluidica su larga scala (mLSI) consentano una produttività più elevata, non sono compatibili con le grandi dimensioni dei canali necessarie per ospitare colture cellulari rilevanti negli OoC.