本文介绍了一种用于在模拟微重力条件下、生理流体环境中进行内皮细胞培养的无气泡闭合回路微流控装置的设计、组装与操作方案。
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本文介绍了一种用于在模拟微重力条件下、生理流体环境中进行内皮细胞培养的无气泡闭合回路微流控装置的设计、组装与操作方案。
微生理系统(MPS)具有重要价值 体外 重建人体组织结构与功能的模型。具体而言,结合微流控技术的组织芯片或器官芯片能够模拟体内机械和生化环境,同时实现对细胞生长与发育的实时监测。这些系统在航天研究中具有重要应用价值,可被送入太空(例如国际空间站,ISS),用于探究太空飞行对人体的影响。微生理系统(MPS)成功应用的主要障碍之一是在微重力条件下气泡的形成,该现象在微重力环境中尤为显著。本文介绍了用于模拟微重力环境(例如在随机定位机或回转器上运行)的微生理细胞培养系统的设计、组装与操作方法。在流体回路中集成一种不受方向限制的气泡捕获装置,已被证明可高效去除微重力条件下的空气泡,支持内皮细胞的长期培养。这种闭环、不受方向限制的微流控系统可用于组织芯片或器官芯片在无气泡条件下运行,以模拟微重力与流体剪切力的联合作用,或适用于太空任务中的部署。
目前已有充分证据表明,通过正在研究的机制,机械力在细胞功能以及维持健康与疾病之间的精细平衡中发挥着关键作用1。在所有环境应力中,引力具有独特性,在绝大多数生物医学研究中被合理地视为一种恒定且不可改变的矢量。然而,太空飞行提供了一种独特的微重力环境,生物体在其中的行为可能与在地球上的表现不同。涉及动物和人类受试者的太空飞行实验显示出生理上的显著变化,凸显了引力在细胞和机体稳态中的重要作用2。
近年来,美国国家航空航天局(NASA)及其他私营机构对开发用于太空任务的组织芯片(或称器官芯片)表现出极大兴趣3组织芯片旨在模拟 体内 结构,使他们能够高保真地模拟微重力和空间辐射的生理效应与作用机制4利用供体来源的细胞,器官芯片还可用于研究宇航员对微重力和空间辐射的敏感性,并开发预防性对抗措施5在过去五年中,已利用组织芯片对包括大脑、肝脏、肠道、血管、心脏、肾脏和肺在内的多个器官系统进行建模,并将其送入国际空间站(ISS)开展研究。6. 在体,器官通过血管系统的灌注程度各不相同,这决定了其生理特性——例如,肝脏具有高度血管化,而软骨的血管化程度则低得多。因此,为了在体外准确模拟器官功能,在器官芯片系统的开发中,一个重要的考虑因素是将流体流动整合到组织和细胞中。
微流控技术已被用于器官芯片系统中细胞和组织的灌注7,8。适当的流体流动不仅能够支持营养物质进入系统以及代谢废物从系统中排出,还能维持细胞所经历的生理剪切应力。然而,在微小尺度下,气泡在相界面处始终是一个严峻挑战,会导致测量不准确、损伤和堵塞9。为缓解这一问题,已采用主动式(例如真空脱气或声场、热场等外加场)和被动式(例如依赖表面特性的半透膜)设计的气泡捕获装置10,11。然而,这些微流控除泡器设计增加了器件制造的复杂性,可能损害样品完整性,并导致堵塞和屏障破裂。在太空环境中,这些问题更加突出,因为成核和气泡形成现象更为显著,而在地球上有效的气泡抑制策略在太空中大多失效12。地面模拟微重力环境可通过旋转壁式生物反应器(RWV)或随机定位装置(RPM)等设备实现13,14。值得注意的是,在RPM中,重力矢量持续重新定向,从而使样品所受的时间平均净重力刺激接近于零。我们近期报道了一种用于在RPM模拟微重力条件下内皮细胞灌注培养的、与方向无关的气泡捕获装置的设计、制造与应用15。本文中,我们详细描述了使用该与方向无关气泡捕获装置构建闭环灌注系统的分步组装与操作流程,并展示了其在人脐静脉内皮细胞培养中的适用性,作为模拟微重力条件下连续细胞培养的模型系统。
闭环系统由一个带有电机驱动器的微控制器组成,用于频率和电压控制的微型泵运行,还包括液体流量传感器、气泡捕集器15,以及含有贴壁内皮细胞的微流控通道。具体组件详见材料表。以下方案描述了系统电子元件的组装(步骤1)、流体系统的组装(步骤2)、灭菌和灌注(步骤3和4)、微流控细胞培养的整合(步骤4)、微型泵与控制器的组装(步骤5),以及整个系统在封闭外壳中的集成(步骤6)。该闭环流动系统被安装在RPM上方,通过定制的外壳模拟微重力环境(步骤7)。
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1. 系统电子元件
2. 系统流体连接
3. 实验准备与系统灭菌
4. 系统启动与微流控细胞通道整合
5. 微控制器与微型泵外壳(可选)
6. 上层甲板安装板(可选)
7. 在随机定位机(RPM)上安装
8. 流式数据采集
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在进行如下所述的流体或细胞培养实验结果采集之前,应在组装和引液过程中的每个主要步骤检查系统完整性。通过将微控制器和液体流量传感器连接至计算机,并使用各自的软件应用程序与各组件通信,即可轻松检查电子连接。当管路推过带倒刺接头的倒刺部分时,即可视为管路连接充分;若任何流体组件出现裂纹,应立即更换。系统引液后应形成一个不仅无菌且肉眼可见无气泡的流动回路;如有可见气泡,可通过轻敲气泡所在位置将其去除。
实验装置完成后,应在24小时测试期开始前先运行并监测流体系统1小时,以确保系统无泄漏,且气泡捕获装置中无气泡逸出。此外,若流体系统在模拟微重力条件下运行,则需确保在流体系统安装后,模拟微重力装置能够自由旋转;可通过手动轻轻旋转装置,以及在24小时测试期前观察装置运行其模拟微重力程序1小时来进行测试验证。
闭环灌注系统的性能
在24小时周期内记录的流量传感器输出结果如图4所示。该图比较了在有...
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已开发出一种闭环、与方向无关的微流控系统,该系统能够在无重力条件下运行,并已证明可在生理流动条件下用于内皮细胞的培养。该系统的关键组件包括微控制器、微泵、液体流量传感器、细胞培养微流控载片以及定制的3D打印、与方向无关的气泡捕获装置。
本研究中使用的气泡捕获装置由立体光刻树脂制成15,此类树脂若未经未聚合单体的预浸出处理,通常细胞相容性较低,即使为生物医学级树脂亦是如此17,18。因此,在将气泡捕获装置集成到系统之前,有必要评估自行制备的气泡捕获装置材料是否可能因化学浸出物而影响细胞活力。
除生物相容性材料的选择外,在实验装置的操作流程中,最关键的步骤包括气泡捕集器的密封、微流控载玻片的浸没式预润湿,以及使用模拟微重力装置时的电缆管理。当观察到预润湿后的流体系统无气泡时,必须使用聚四氟乙烯胶带和鲁尔接头堵头对气泡捕集器的顶部接口进行严密密封,以防止泄漏。由于立体光...
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全向气泡捕获装置受美国专利申请号 US 18634723 保护。不存在其他利益冲突。
本研究由美国国家航空航天局(NASA)空间生物学项目资助,项目编号 # 80NSSC21K0272。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 100% 乙醇 | Fisher Scientific | A4094 | 用于配制70%乙醇溶液,以进行系统灭菌(最少需要35 mL) |
| 6 mm 黑色尼龙圆形垫圈,7 mm 外径,3.2 mm 内径 | Exqutoo | ZH-0050 | 将顶部安装件固定到外壳上(最少需要 4 个) |
| 丙烯酸板,75 mm 长 × 25 mm 宽 | Polymersan | ACRCS | 将肘型鲁尔接头固定到微通道载玻片上(最少需要1个) |
| A型公头至 mini-B 型母头 USB 2.0 电缆 | Ugreen 集团有限公司 | 10355 | 用于连接计算机与微控制器(最少需要1个) |
| 气泡捕集器 | (定制) | 为防止气泡进入显微载片(最少需要1个) | |
| 气泡捕集器支架 | 自定义 | 用于固定气泡捕获装置的3D打印支架(最少需要2个) | |
| 细胞培养级水 | Fisher Scientific | MT25055CI | 用于灭菌后冲洗掉所有乙醇残留(最少需要30 mL) |
| 控制器、泵和外壳安装架(内部安装) | 自定义 | 防护罩内安装板(最少需要1个) | |
| 横杆安装座 | 自定义 | 安装横杆并连接外壳安装板(至少需要1个) | |
| DB15 分线盒公头 + 母头连接器 | ANMBEST | ANMBEST_MDDB15 | 用于将计算机连接至随机定位机,再连接至微控制器(最少需要1个) |
| 肘型鲁尔接头转接至宝塔接头 | ibidi | 10802 | 将微载玻片连接至流路系统(最少需要2个) |
| 双面泡沫胶带 | 3M | 4026 | 用于压缩微通道载玻片上的肘型鲁尔接头(最少需要 1 个) |
| 外壳(60 mm × 140 mm × 140 mm) | 哈蒙德 | 1554Q2GYCL | 容纳微控制器和微泵(最少需要1个) |
| 封闭式安装(底部安装) | 自定义 | 外壳下方的安装板(最少需要1个) | |
| 雌-雌型鲁尔接头 | 博鳌 | 宝奥-注射器-WAD2354 | 用于连接注射器与肘型鲁尔接头,以进行细胞培养基预灌注(最少需要1个) |
| Gibco RPMI 1640 细胞培养基 | 赛默飞世尔科技 | 11875093 | 用于内皮细胞培养(最少需要 50 mL) |
| 铆钉,9/16" 孔径和1/8" 厚度,1/8" ID | McMaster-Carr | 9307K863 | 用于管道进出机箱(最少需要8个) |
| IDEX P-646 接头,1/16" 1/4-28 牙螺纹 | IDEX | P-646 | 将流量传感器连接至流量回路(最少需要2个) |
| 液体流量传感器 | Sensirion | SLF3-1300F | 用于流式数据采集(最低需求 1) |
| 液体流量传感器安装夹具 | Sensirion | SLF3x 安装夹具 | SLF3x 安装座(最少需要 2 个) |
| 鲁尔锁扣注射器(12 mL) | McKesson | 414624 | 用于真空引物(最少需要1个) |
| 鲁尔接头堵头 | Cole-Parmer | UX-50110-33 | 用于密封无需特定方向的气泡捕获装置(最低需求 1) |
| M2 不锈钢螺母 | VIGRUE | B07PJQC7T6 | 将液体流量传感器固定到顶部安装座(最少需要 4 个) |
| M2×8个不锈钢螺钉 | VIGRUE | B07PJQC7T6 | 将液体流量传感器固定到顶部安装座(最少需要4个) |
| M3 阴-阳尼龙六角间隔柱 | Meijubol | B0GC6GN9S7 | 将 mp-Multiboard 固定到内侧安装位置(最少需要 4 个) |
| M3 尼龙垫圈 | Sutemribor | 7.81573E+11 | 将外壳固定到底部安装座(最少需要16个) |
| M3 不锈钢螺母 | VIGRUE | B07PJQC7T6 | 将 enclosure 固定到底部安装座,横杆固定到底部安装座,泵支架固定到内部安装座(最少需要 16 个) |
| M3 不锈钢垫圈 | VIGRUE | B07PJQC7T6 | 将横杆固定到底部安装座,外壳固定到底部和内部安装座,内部安装座固定到泵支架(最少需要12个) |
| M3×12个不锈钢圆头螺丝 | VIGRUE | B07PJQC7T6 | 将外壳固定到底部安装座(至少需要4个) |
| M3×12个不锈钢内六角圆柱头螺钉 | Fgruh | FG001-3 | 将气泡捕集器支架固定在上层甲板安装座上(最少需要 2 个) |
| M3×6 个 Phillips 平头螺钉 | 美菊波尔 | B0GC6GN9S7 | 将 mp-Multiboard 固定至内侧安装位置(最少需要 4 个) |
| M3×8个不锈钢螺丝 | VIGRUE | B07PJQC7T6 | 将横杆固定到底部安装座,将外壳固定到内部安装座,将泵支架固定到内部安装座(最少需要8个) |
| M4 不锈钢螺母 | VIGRUE | B07PJQC7T6 | 将顶部安装件固定到外壳上(最少需要 4 个) |
| M4不锈钢垫圈 | VIGRUE | B07PJQC7T6 | 将顶部安装件固定到外壳上(最少需要 4 个) |
| M4-0.7 钢制螺纹杆 | Arwnnklo | AR01 | 剪成约6英寸长(至少需要4段) |
| 公对母迷你USB数据线 | Plinkwirekb | PCM-0725-L | 用于连接计算机与微控制器(最少需要1个) |
| 公对母微型USB直角连接器 | UCEC | 4326453558 | 用于连接计算机与微控制器(可选)(最少需要 1 个) |
| 微通道支架 | 自定义 | 3D打印支架,用于保持微通道居中(最少需要1个) | |
| 微通道载玻片, µ-载玻片 VI 0.4 | ibidi | 80606 | 用于流动条件下的细胞实验(最低需求 1) |
| 微泵 | Bartels | MP6-HYB | 用于产生流动(最低需求 1) |
| 微型泵固定架 | 定制 | 用于固定微泵的安装夹具(最少需要1个) | |
| mp-Multiboard 配 mp-Highdriver4 | Bartels | BM-E-0005 | 用于控制微泵的频率和电压设置(最少需要1个) |
| mp-pump 电缆 | Bartels | BM-A-0055 | 用于将 mp-Multiboard 与微泵进行电气连接(最少需要 1 个) |
| 尼龙圆形垫片,7 mm 外径,3.2 mm 内径 | Harfington | 2037015 | 用于将管路固定至微泵(最少需要 2 个) |
| O形环 | ZDBB | 7.17327E+11 | 将公对母 mini USB 数据线固定到外壳上(可选) (最少需要 3 个) |
| 塑料容器 | Herdusa | HDS10 塑料盒 | 用作细胞培养基的开放式储液槽(最少需要 1 个) |
| 聚氨酯管,1/8" I.D.,1/4" O.D. | PARKER | 95U-4-062-BLU-0100 | 将顶部安装件固定到外壳上(最小需要 1.6 cm) |
| 随机定位仪 | AIRBUS | 随机定位机 2.0(最少需 1 台) | |
| SCC1-USB 电缆 | Sensirion | SCC1-USB 2M | 连接液体流量传感器至计算机(最少需要1个) |
| 自立式离心管 | PEKYBIO | B0C13GZVD6 | 用于盛放细胞培养用水/70%乙醇(至少需要2个) |
| 间隔管,8 mm 外径,20 mm 长,铝制 | McMaster-Carr | 94669A062 | 最低需求 4 |
| Tygon PVC 1/16" ID x 1/8" 光密度 | Saint-Gobain | B-44-3 | 连接所有流路组件(最少需要 40 cm) |
| 上层甲板安装座 | 自定义 | 连接液体流量传感器和气泡捕获装置的安装板(最少需要1个) | |
| M4 × 0.7 mm 镀锌钢翼形螺母 | Siptenk | S-TH-DLM-002 | 将顶部安装件固定到外壳(至少需要4个) |
| 扎带 | HAVE ME TD | 7.32073E+11 | 安装系统至RPM时固定线缆(最少需要4个) |
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