منصة ميكروفلويديك لتحفيز الخلايا الغضروفية مع الضغط الديناميكي
سبتمبر 13, 2019
توفر هذه المقالة طرق مفصلة لتلفيق وتوصيف جهاز microfluidic التشغيل الهوائي لضغط الخلايا الغضروفية.
هذا تنشيط هوائي microfluidic جهاز ضغط يمكن استخدامها لدراسة mechanobiology في الثقافات الهيدروجيل 3D من ألواح النمو. الجهاز microfluidic هو التكلفة والوقت فعالة لأنه يمكن أن تولد في وقت واحد مقادير متعددة من ضغط على كميات صغيرة من العينات، ويمكن تطبيق مختلف التصوير المجهري مع الجهاز. ويمكن أيضا تطبيق أسلوبنا لدراسة علم الأحياء الميكانيكية من أنواع الخلايا الأخرى.
لإعداد طبقة microchannel، خلط أول PDMS مع نسبة الوزن من 10 prepolymers إلى عامل علاج واحد لمدة خمس دقائق. في مكان المقبل القالب على وسادة رغوة وصب الخليط في القالب الرئيسي. Degas وMMS في غرفة فراغ لمدة 30 دقيقة وساندويتش PDMS degassed مع قطعة من فيلم الشفافية.
المشبك الجمعية تقع مع لوحة زجاجية، ومنصات رغوة، ولوحات زجاج شبكي. علاج PDMS في 80 درجة مئوية لمدة ست ساعات وعزل طبقة PDMS و فيلم الشفافية من هيكل تقع. قم بتنشيط أسطح نظام إدارة المباني ولوحة زجاجية نظيفة مع منظف البلازما لمدة دقيقة واحدة قبل ربط جهاز PDMS على اللوحة الزجاجية في الفرن 80 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة.
ثم قم بإزالة فيلم الشفافية. لإعداد غشاء PDMS رقيقة، تدور معطف PDMS uncured على فيلم الشفافية في 1،000 التناوب في الدقيقة لمدة دقيقة واحدة للحصول على طبقة PDMS سميكة 60 ميكرومتر. علاج جزئيا لفة PDMS المغلفة تدور في 80 درجة مئوية لمدة 20 إلى 30 دقيقة قبل استخدام نظافة البلازما لتنشيط طبقة PDMS microchannel على لوحة الزجاج وطبقة PDMS رقيقة لمدة دقيقة واحدة.
ثم السندات طبقة غشاء PDMS رقيقة على طبقة PDMS microchannel ووضع الطبقات في الفرن 80 درجة مئوية بين عشية وضحاها. لإعداد كتلة الأنابيب، ضع الأنابيب المعدنية عموديا على طبق بتري وصب بلطف PDMS غير مشذبة في الطبق حتى يتم غمر حوالي 3/4 من الأنابيب. بعد إزالة الغاز من نظام إدارة المباني في غرفة فراغ لمدة 30 دقيقة ، علاج PDMS في الفرن عند 60 درجة مئوية لأكثر من ست ساعات.
في نهاية عملية المعالجة، قطع قطعة من كتلة PDMS تحتوي على أنبوب واحد ولكمة ثقب في طبقة PDMS رقيقة للمدخل. قم بتنشيط كتلة PDMS وطبقة PDMS الرقيقة مع منظف البلازما. بعد دقيقة واحدة، قم بتوصيل كتلة PDMS إلى ثقب مدخل طبقة PDMS الرقيقة ووضع وحدة التشغيل بالكامل في الفرن عند 80 درجة مئوية بين عشية وضحاها.
لإعداد أجاروز هلام العفن، مزيج 5٪ agarose و 200 ملليمولر كلوريد الكالسيوم في الماء الأيونية وتسخين محلول هلام agarose حتى الغليان. صب حل جل agarose المسلوق في قالب الألومنيوم وساندويتش القالب مع لوحة زجاجية. بعد خمس دقائق، إزالة هلام agarose الصلبة من قالب الألومنيوم.
لوحة 150 ميكرولترات من حل alginate-chondrocyte على لوحة زجاجية أمينوسيلانized وتغطي الحل مع قالب هلام agarose لمدة ثلاث دقائق. في نهاية الحضانة، استخدم شفرة حلاقة لإزالة محلول الجل المُفرط في الجل وإزالة قالب جل agarose من الطبق. ثم ضع ثوابت alginate-chondrocyte في محلول ربط عبري يحتوي على كلوريد الكالسيوم 50 ملليمولار و 140 ملليمولار كلوريد الصوديوم في الماء الأيون لمدة دقيقة واحدة.
لتجميع الجهاز، حدد موقع أربعة تباعدات PDMS سميكة من ملليمتر واحد على الزوايا الأربعة لطبقة PDMS رقيقة من وحدة التشغيل. تغطية غرف الهواء من طبقة PDMS رقيقة مع 700 ميكرولترات من 1100 100 10000000000000000000000000000 100000000000000000 1000000000 باستخدام microsope ستيريو، ضع بناء alginate-chondrocyte على طبقة PDMS رقيقة، مع الحرص على محاذاة المنشآت مع غرف الهواء، ومشابك الجهاز مع المشابك المطبوعة 3D.
لشغّال الجهاز، استخدم قطعة من أنابيب السيليكون لتوصيل مأخذ مضخة الهواء مع مدخل صمام اللولبي. استخدم قطعة إضافية من الأنابيب لتوصيل منفذ الصمام اللولبي مع مدخل الجهاز المجمع. قم بتوصيل الصمام اللولبي بمولد وظيفة واستخدم موجة مربعة واحدة من هيرتز التي تم إنشاؤها بواسطة مولد الوظيفة لمعالجة صمام اللولبي.
ثم تشغيل مضخة الهواء لتشغيل الجهاز هوائيا. يحتوي جهاز ضغط الكولندروسيت microfluidic على خمسة صفائف بخمسة صفائف من ثوابت ألجينات-نشوندروتي أسطواني ويمكن ضغط هذه المنشآت بخمسة مقادير مختلفة من الضغط. في هذا المثال، تم ضغط عمود الجل بنسبة 33.8٪ في الارتفاع بواسطة أكبر بالون PDMS والضغط المضغوط الناتج من بنيات الجل زاد بنسبة 5٪ تقريبًا لكل 0.2 ملليمتر وزيادة قطر بالون PDMS.
تم تحديد تشوه اجهاد من chondrocytes عن طريق تصوير الخلايا في 613 من قبل 613 من قبل 40 إلى 55 حجم ميكرومتر بالقرب من مركز بناء هلام. هنا تظهر صورة لـ chondrocyte التي تم ضغطها بنسبة 16٪ بواسطة أكبر بالون PDMS. في هذا الرسم البياني، يمكن ملاحظة توزيع قيم ضغط الخلايا المقاسة.
في هذا التحليل، تم ضغط الخلايا بشكل عام أكثر بواسطة بالونات PDMS أكبر. وتوحي هذه البيانات مجتمعة بأن كميات الجل الجينات وضغط الزخرونات يتم التحكم فيها بقطر بالونات PDMS تحت ضغط مستمر يبلغ 14 كيلوباسكال. لضمان تكرار أداء الجهاز، يعد إنشاء غشاء PDMS رقيق بسماكة ومرونة ثابتتين أمرًا بالغ الأهمية.
وبعد هذا الإجراء، يمكن إجراء مختلف الأقوال البيولوجية، مثل التهجين المناعي والتهجين في الموقع. باستخدام هذه التقنية، يمكن الإجابة على العديد من الأسئلة حول mechanotransduction في لوحة النمو أو الخلايا الزخروية المفصلية.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
نظرة عامة
تناقش هذه المقالة جهازًا ضاغطًا ميكروهيدروديناميكيًا يتم تنشيطه بالهواء المضغوط ومصممًا لدراسة الميكانو بيولوجيا في مزارع هيدروجيل ثلاثية الأبعاد لخلايا الغضروف في لوحة النمو. يسمح الجهاز بالتطبيق المتزامن لمختلف درجات الضغط على أحجام عينات صغيرة، مما يسهل العديد من تقنيات التصوير المجهري.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- الميكانو بيولوجيا
- الهيدروديناميك الدقيقة
- ثقافة الخلايا
الخلفية
- فهم الميكانو بيولوجيا أمر بالغ الأهمية لدراسة سلوك الخلايا.
- تلعب خلايا الغضروف دورًا مهمًا في تطوير الغضاريف وصيانتها.
- توفر الأجهزة الهيدروديناميكية الدقيقة التحكم الدقيق في الظروف التجريبية.
- تحاكي مزارع الهايدروجل ثلاثية الأبعاد البيئة الحية للحصول على نتائج دراسة أفضل.
هدف الدراسة
- لتصنيع جهاز هيدرودينيمي دقيق لدراسات ضغط خلايا الغضروف.
- لتمكين التحقيق في الاستجابات الميكانو بيولوجية في خلايا الغضروف.
- لتوفير طريقة فعالة من حيث التكلفة وفعالة لتحليل العينات.
الطرق المستخدمة
- خلط PDMS بنسبة وزن معينة من البوليمرات السابقة وعامل المعالجة.
- صب الخليط في قالب رئيسي لتصنيع القنوات الدقيقة.
- إزالة الغازات من PDMS في غرفة تفريغ لإزالة فقاعات الهواء.
- تغليف PDMS بعد إزالة الغازات بفيلم شفاف لجمع الجهاز.
النتائج الرئيسية
- ينجح الجهاز في توليد درجات ضغط متعددة.
- يسمح بتطبيق تقنيات تصوير مجهري مختلفة.
- يمكن تكييف الطريقة لدراسة أنواع خلوية أخرى.
- أظهر كفاءة في التعامل مع أحجام العينات الصغيرة.
الاستنتاجات
- الجهاز الهيدرودينيمي المضغوط فعال في دراسات الميكانو بيولوجيا.
- يوفر منصة متعددة الاستخدامات للبحث المستقبلي في ميكانيكا الخلية.
- تمتد التطبيقات المحتملة إلى ما هو أبعد من خلايا الغضروف إلى أنواع خلوية أخرى.
الأسئلة الشائعة
Executive Industry Relevance
This microfluidic compression platform enables precise, multi-level mechanical stimulation of chondrocytes in 3D hydrogels, supporting target validation in cartilage biology and mechanotransduction pathways. By generating reproducible compressive stress gradients, it facilitates phenotypic screening and assay development for joint disease models. The system enhances predictive confidence in preclinical studies by linking biomechanical inputs to cellular outputs in a scalable, imaging-compatible format.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of mechanotransduction pathways in chondrocytes under controlled compressive stimuli.
- Operational Value: Supports functional validation of targets involved in cartilage homeostasis and mechanosensing.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Provides quantitative, imaging-based readouts of cellular deformation for assay standardization.
- Operational Value: Allows parallel testing of five compression magnitudes across technical replicates for efficient dose-response profiling.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Models physiologically relevant mechanical cues from growth plate environments to study chondrocyte behavior.
- Operational Value: Enables rapid isolation of compressed constructs for downstream molecular assays, supporting workflow continuity.
Pipeline & Workflow Integration
The platform fits within early discovery workflows where mechanical cues are used to de-risk targets in connective tissue diseases, particularly when phenotypic screening requires biomimetic mechanical inputs.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on how compressive stress modulates chondrocyte phenotype and signaling pathways.
- Screening: Delivers reproducible, quantifiable mechanical inputs enabling standardized compound or genetic perturbation screening.
- Analytics: Generates measurable strain values correlated with balloon diameter and pressure, facilitating data-driven condition comparisons.
- Translational Research: Aligns with preclinical models of growth plate dysfunction by replicating dynamic compressive environments.
- Enterprise Reuse: Adaptable to other hydrogel-encapsulated cell types, broadening utility across mechanobiology discovery programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces ambiguity in mechanobiology studies by providing tunable, repeatable compressive inputs.
- Operational Value: Standardizes mechanical stimulation across replicates, improving assay reproducibility and throughput.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions by linking mechanical environment to cellular response in disease-relevant systems.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of targets based on mechanosensitivity profiles in chondrocyte models.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic fabrication, PDMS handling, and hydrogel cell encapsulation.
- Depends on access to vacuum degassing, plasma cleaning, and precision ovens for device assembly.
- Necessitates standardization of PDMS membrane thickness and elasticity for consistent actuation.
- Requires adaptation of hydrogel formulation and cell density for different cell types beyond chondrocytes.
- Limited by the need for optical access and compatibility with downstream assay workflows post-compression.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Title
0:46
Microchannel Layer Preparation
1:48
Thin PDMS Membrane Preparation
2:31
Tubing Block Preparation
3:23
Alginate-Chondrocyte Construct
4:23
Device Assembly and Actuation
5:24
Results: Representative Alginate Gel and Chondrocyte Deformation Under Static Compression
6:40
Conclusion
