جيل من نموذج مبسط ثلاثي الأبعاد للبشرة على رقاقة في منصة Micromachined Microfluidic
May 17th, 2021
هنا، نقدم بروتوكولا لتوليد نموذج بشرة مبسط وغير متمايز ثلاثي الأبعاد باستخدام منصة ميكروفلويدية ميكروماشينيد. يسمح نهج التدفق الموازي بترسب المقصورة الجلدية في الموقع لزرع الخلايا الظهارية في الأعلى ، والتي تسيطر عليها جميع مضخات الحقن.
هذا هو جديد، بروتوكول خالية من الطباعة الحجرية لنمذجة الجلد على رقاقة 3D باستخدام طبقات الفينيل micromachined، لاصقة ومنهجية تدفق مواز لتوليد المقصورة الجلدية. يوفر الفينيل Micromachined المزيد من البساطة في عملية التصنيع وبراعة في تخطيط الجهاز ، والتغلب على بعض القيود المفروضة على PDMS والنهج الطباعة الحجرية التقليدية. يمكن استخدام هذا الجلد متعدد الطبقات على رقاقة لنهج اختبار الأدوية ومستحضرات التجميل، لأنه يسمح بفحص عالية الإنتاجية بتكاليف أقل ويمكن استخدامها لنمذجة العديد من الأمراض.
ابدأ بتصميم رقاقة microfluidic باستخدام برنامج Brother Canvas Workspace. إنشاء مساحة عمل 30 في 30 سم، وملئه مع أنماط التصميم لطبقات مختلفة من رقاقة قبل تخزينه في ملف svg. قطع أوراق الفينيل 30 في 30 سنتيمترا.
التمسك بها إلى حصيرة لاصقة منخفضة تك والقضاء على جميع فقاعات الهواء، حسب الضرورة. باستخدام محرك أقراص USB، قم بتحميل ملف svg إلى مخطط الحافة، وحدد معلمات القطع كخفض الضغط عند المستوى صفر، وقطع النصل في المستوى الثالث، والمستوى الأول لسرعة القطع. عندما يتم تعيين المعلمات، ضع حصيرة لاصقة مع الفينيل في الراسمة وبدء عملية قطع أنماط القناة على الفينيل 95 ميكرومتر سميكة.
تجميع الجهاز بأكمله باستخدام جهاز محاذاة لقنوات الضبط المناسبة، المداخل، ومنافذ. تتراكم لطبقات الفينيل مع تصميم آلة صغيرة المقابلة لتجميع القناة السفلى، والحفاظ على شريط الغطاء من الطبقة السفلى لتجنب التمسك المحاذاة. قطع ووضع الغشاء المسامية البولي على رأس القناة السفلية دون تغطية المداخل.
إضافة 10 طبقات الفينيل مع تصميم الغرفة العليا والعصا طبقة الشريط النهائي على الوجهين على القمة. قم بإزالة الشريحة من المصفح لوضعها على الشريحة الزجاجية. ضع ورقة PDMS بسماكة ملليمترين فوق طبقة الفينيل الشريط على الوجهين.
لضمان أن رقاقة هو ماء تماما، وترك الوزن على رأس رقاقة بين عشية وضحاها. في اليوم التالي، قم بتعقيم الشريحة عن طريق غسلها بالإيثانول بنسبة 70٪ لمدة خمس دقائق، تليها غسلة بالماء المقطر. توصيل مضخة واحدة ومضخة اثنين إلى مدخل الغرفة العليا واحد ومدخل الغرفة العليا اثنين، على التوالي.
توصيل المضخة ثلاثة إلى مدخل الغرفة السفلية، ثم ربط الغرفة العليا ومنافذ الغرفة السفلى إلى حوض النفايات. قم بتوصيل المحاقن بكل مدخل باستخدام أنابيب PTFE وموصلات الفولاذ المقاوم للصدأ ذات قياس 18. مضخة PBS مع مضخة ثلاثة من خلال مدخل الغرفة السفلى في 50 ميكرولتر في الدقيقة الواحدة، ومع مضخة اثنين من خلال مدخل الغرفة العليا اثنين في 100 ميكرولتر في الدقيقة الواحدة.
ثم، تحميل الحقنة مع الفيبرينوجين قبل هلام، ووضعها على الفور في مضخة واحدة، وتشغيله في 200 ميكرولتر في الدقيقة الواحدة. بمجرد خروج ما قبل الجل من منفذ الغرفة العليا ، أوقف المضخات الأولى والاثنين ، ثم ، دون إزالة الأنابيب ، اترك الشريحة للسماح بالجيليشن عند 37 درجة مئوية لمدة 10 دقائق. بعد الهلام، منع مدخل الغرفة العليا واحد مع غطاء، وضخ المتوسطة الثقافة من خلال مدخل الغرفة العليا اثنين مع مضخة ثلاثة في 50 ميكرولتر في الساعة بين عشية وضحاها.
بعد 24 ساعة من توليد المقصورة الجلدية ، تحقق من أن خلايا الورم الليفي الأولية البشرية تنتشر في التجميع ، ثم أدخل خمس مرات 10 إلى 6 HKCs لكل ملليلتر من خلال مدخل القناة العلوية اثنين بمعدل 40 ميكرولتر في الدقيقة لمدة دقيقة واحدة. بالنسبة لمرفق الخلية، ضع الشريحة بين عشية وضحاها عند 37 درجة مئوية في حاضنة مشبعة بالرطوبة. بدء ضخ ثقافة جديدة المتوسطة مع مضخة ثلاثة فقط من خلال مدخل الغرفة السفلى في 50 ميكرولتر في الدقيقة الواحدة.
في التحليل التمثيلي، يتم عرض ارتفاع الهيدروجيل على طول الغرفة العليا من الجمعية. وكان متوسط ارتفاع 550 ميكرومتر الأمثل لعمل هلام بمعدلات تدفق 100 و 200 ميكرولتر في الدقيقة الواحدة لبرنامج تلفزيوني التضحية وما قبل هلام، على التوالي. فشل في تدفق برنامج تلفزيوني من خلال القناة السفلى أدى إلى تناقضات بين الارتفاع النظري للجل واحد قياسها، مع فارق 40٪ بعد 24 ساعة من بدء بروتوكول التدفق الموازي، تم العثور على الخلايا الليفية الأولية الإنسان أن تنتشر بنجاح في هلام الفيبرين في الغرفة العليا من الجمعية، وبعد ذلك، يمكن أن تكون البذور الأخضر الفلورسنت التعبير عن HKCs على نحو فعال على رأس الهيدروجيل.
وأدى إزالة الأنابيب دون إبقاء النظام مغلقا بين عشية وضحاها للسماح لبلدان هونغ كونغ إلى الرواسب إلى طبقة أحادية غير موحدة والتقاءية من الخلايا. أظهر التحليل البؤري ثلاثي الأبعاد لنموذج الجلد غير المتمايز في الشريحة الدقيقة السائل بوضوح سطح الهيدروجيل الذي يفصل هونغ كونغ في الأعلى عن الأرومة الليفية المضمنة في الأسفل. يمكن أن يتعرض الجلد المتولد إلى واجهة الهواء / السائل للحصول على البشرة الناضجة والمتمايزة ، وتتميز كذلك باستخدام العديد من علامات الجلد والجلد.
هذه التقنية تسمح لتصنيع جهاز أسرع وأرخص، وتوليد الجلد متعدد الطبقات باستخدام microfluidics، وتوفير نهج أكثر واقعية للأدوية ومستحضرات التجميل الاختبار.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
نظرة عامة
تقدم هذه المقالة بروتوكولًا جديدًا لإنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد للبشرة على الشريحة باستخدام منصة مصغرة مجهرية. يعتمد هذا النهج على طبقات الفينيل اللاصقة ومنهجية التدفق المتوازي لتكوين حجرة جلدية، مما يسهل زرع الخلايا الظهارية.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- الميكانيكا المصغرة
- نمذجة البشرة
- التطبيقات الطبية الحيوية
الخلفية
- تتضمن الطرق التقليدية لنمذجة البشرة غالبًا تقنيات لوحية معقدة.
- توفر طبقات الفينيل المصغرة عملية تصنيع أبسط.
- تعالج هذه الدراسة قيود مواد PDMS والأساليب التقليدية.
- يمكن تطبيق نموذج البشرة المتعدد الطبقات على الشريحة في اختبار الأدوية ومستحضرات التجميل.
غرض الدراسة
- تطوير طريقة مبسطة لإنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد للبشرة.
- تعزيز تنوع أجهزة البشرة على الشريحة.
- تمكين الفحص عالي الإنتاجية للتطبيقات الدوائية ومستحضرات التجميل.
الطرق المستخدمة
- تصميم شريحة مصغرة مائية باستخدام برنامج Brother Canvas Workspace.
- إنشاء مساحة عمل بأبعاد 30-بـ30 سنتيمترًا لأنماط التصميم.
- قطع صفائح الفينيل لتشكيل طبقات مختلفة من الشريحة.
- تنفيذ منهج التدفق المتوازي لتوليد الحجرة الجلدية.
النتائج الرئيسية
- ينجح البروتوكول في إنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد للبشرة.
- تحسن طبقات الفينيل المصغرة من بساطة التصنيع.
- تسمح الشريحة بإجراء اختبارات عالية الإنتاجية بتكلفة فعالة.
- تشمل التطبيقات المحتملة نمذجة مختلف الأمراض.
الاستنتاجات
- يوفر هذا الأسلوب الخالي من الطباعة الحجرية منصة متنوعة لنمذجة البشرة.
- يتغلب هذا الأسلوب على قيود الأساليب التقليدية.
- يمكن أن تستكشف الدراسات المستقبلية تطبيقه في نمذجة الأمراض والاختبار.
الأسئلة الشائعة
Executive Industry Relevance
The development of a simplified 3D skin-on-a-chip model using a micromachined vinyl-based microfluidic platform addresses key challenges in tissue modeling for drug and cosmetic R&D. This approach enables cost-effective, scalable, and reproducible generation of multilayered human skin constructs, supporting high-throughput screening and disease modeling. The platform's accessibility and reduced material absorption risk enhance predictive confidence and workflow integration across discovery and preclinical pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of skin biology and disease mechanisms in a controlled microenvironment.
- Supports functional validation of targets in a physiologically relevant, multilayered tissue context.
- Facilitates mechanistic de-risking by modeling cell–cell and cell–matrix interactions.
Screening & Assay Development
- Provides a standardized, reproducible platform for compound and cosmetic screening.
- Delivers quantitative outputs through confocal imaging and hydrogel height measurements.
- Enables high-throughput workflows with scalable device fabrication and parallelization.
Translational & Preclinical Research
- Models human skin disease states for translational biomarker exploration.
- Maintains continuity from early discovery to preclinical validation by supporting dynamic culture and tissue maturation.
- Reduces translational risk by mimicking native tissue architecture and function.
Pipeline & Workflow Integration
This microfluidic skin model fits within the continuum from early discovery through lead identification and preclinical research, enabling iterative hypothesis testing and screening in a physiologically relevant system.
- Discovery Biology: Supports hypothesis-driven studies of skin structure, cell behavior, and disease modeling.
- Screening: Provides assay-ready, multilayered constructs for reliable compound evaluation and toxicity testing.
- Analytics: Offers quantitative readouts such as hydrogel height and compartment integrity via confocal imaging.
- Translational Research: Bridges in vitro findings to preclinical models by recapitulating human skin complexity.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable, adaptable platform for diverse tissue engineering and screening applications.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in skin-related studies.
- Operational Value: Streamlines device fabrication, standardizes workflows, and enhances reproducibility.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision-making and capital efficiency by enabling robust early-stage testing.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of dermatological and cosmetic candidates.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic device assembly and tissue culture techniques.
- Needs access to basic microfabrication tools and confocal imaging infrastructure.
- Demands cross-team standardization for reproducible device fabrication and operation.
- Adaptable to other tissue models with protocol modifications for different cell types and matrices.
- Limitations include the current undifferentiated state of the epidermal compartment and need for further maturation protocols.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:48
Chip Design and Micromachining Parameters
1:44
Chip Assembly
2:43
Pump Connections and Parallel Flow Protocol
3:55
Human Immortalized Skin Keratinocytes (hKCs) Monolayer Seeding
4:31
Results: Characterization of Skin Model in The Microfluidic Chip with Confocal and Fluorescence Microscopy
5:49
Conclusion
