微流体平台，用于用动态压缩刺激软骨细胞
2019年9月13日
本文提供了用于软骨细胞压缩的气动微流体装置的制造和特征的详细方法。
这种气动活化微流体压缩装置可用于研究生长板软体细胞的三维水凝胶培养物中的力学。微流体器件具有成本和时间上效力，因为它可以同时在小批量样品上生成多个量级的压缩，并且可以与该器件一起应用各种显微成像。该方法也适用于其他细胞类型的力学生物学研究。
要设置微通道层，首先将重量比为 10 的 PDMS 与一个固化剂混合 5 分钟。接下来，将模具放在泡沫垫上，将混合物倒入主模具中。将 PDMS 在真空室中脱气 30 分钟，用一块透明薄膜夹夹除气的 PDMS。
用玻璃板、泡沫垫和有机玻璃板夹住夹紧夹紧的组件。在 80 摄氏度下治疗 PDMS 6 小时，将 PDMS 层和透明膜与夹层结构隔离。使用等离子清洁剂激活 PDMS 表面和清洁玻璃板 1 分钟，然后将 PDMS 粘合到 80 摄氏度烤箱中的玻璃板上 30 分钟。
然后删除透明胶片。对于薄 PDMS 膜的制备，在透明膜上旋转未粘结的 PDMS，每分钟旋转 1，000 次，旋转一分钟，以获得 60 微米厚的 PDMS 层。在使用等离子清洁剂激活玻璃板上的微通道 PDMS 层和薄型 PDMS 层 1 分钟之前，在 80 摄氏度下对旋转涂层 PDMS 进行 20 到 30 分钟的部分固化。
然后将薄的 PDMS 膜层粘合到微通道 PDMS 层上，并一夜之间将层放入 80 摄氏度的烤箱中。对于管块制备，将金属管垂直放在培养皿上，然后轻轻地将未加热的 PDMS 倒入培养皿中，直到大约 3/4 的管子被淹没。在真空室中脱气 PDMS 30 分钟后，在 60 摄氏度的烤箱中固化 PDMS 超过 6 小时。
在固化过程结束时，切割一块包含一根管子的 PDMS 块，并在细薄的 PDMS 层中打一个孔，用于入口。使用等离子清洁剂激活 PDMS 块和薄型 PDMS 层。一分钟后，将 PDMS 块连接到薄 PDMS 层的进孔，并在 80 摄氏度的烤箱中放置整个驱动单元。
对于阿加罗斯凝胶模具制备，在去离子水中混合5%的加糖和200毫摩尔氯化钙，加热阿加罗斯凝胶溶液直到沸腾。将煮熟的阿加罗斯凝胶溶液倒入铝制模具中，将模具与玻璃板夹入。五分钟后，从铝模中去除凝固的加糖凝胶。
将藻酸-琼细胞溶液的150微升板放到氨基齐兰化玻璃板上，用琼糖凝胶模具覆盖溶液三分钟。在孵育结束时，使用剃须刀刀片去除过量的藻酸盐凝胶溶液，并从板中取出阿加罗斯凝胶模具。然后将藻酸盐-胆囊细胞结构放入含有50毫摩尔氯化钙和140毫摩尔氯化钠的交联溶液中，在去离子水中放置一分钟。
要组装设备，请将四个一毫米厚的 PDMS 分位器定位到驱动单元的薄 PDMS 层的四个角上。用 700 微升的软细胞培养培养剂覆盖薄 PDMS 层的空气室。使用立体微面，将藻酸-夹板结构放在薄的 PDMS 层上，注意将构造与气室对齐，并使用 3D 打印夹住设备。
对于设备的驱动，使用一块硅管将空气泵的出水口与电磁阀的入口连接。使用额外的一块管子将电磁阀的插座与组装设备的入口连接。将电磁阀与功能发生器连接，并使用功能发生器生成的 1 赫兹方波操作电磁阀。
然后打开空气泵以气动方式驱动设备。微流体软细胞压缩装置包含五到五个圆柱藻酸-软细胞构造数组，这些构造可以通过五个不同规模的压缩进行压缩。在此示例中，最大的 PDMS 气球将凝胶柱的高度压缩了 33.8%，由此产生的凝胶结构压缩应变每 0.2 毫米增量增加约 5%，PDMS 气球直径增加约 5%。
在凝胶构造中心附近，通过成像613 by 613 by 40 至 55 微米的细胞，确定软体细胞的压缩变形。这里显示了一个由最大的PDMS气球压缩了16%的软细胞图像。在此图中，可以观察到测量的单元压缩应变值的分布。
在此分析中，较大的 PDMS 气球对细胞进行更整体的压缩。综合起来，这些数据表明，藻酸凝胶和软细胞压缩量由PDMS气球的直径在14千帕的恒定压力下控制。为了确保器件性能的可重复性，创建具有恒定厚度和弹性的薄 PDMS 膜至关重要。
按照这个程序，可以进行各种生物测定，如免疫荧光和原位杂交。利用这种技术，可以回答有关生长板或关节软骨细胞中的机械转化的许多问题。
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概述
本文讨论了一种气动激活的微流控压缩装置，设计用于研究生长板软骨细胞在三维水凝胶培养中的机械生物学。该装置允许在小样本体积上同时施加不同程度的压缩，便于各种显微成像技术的应用。
关键研究组成部分
科学领域
- 机械生物学
- 微流控
- 细胞培养
背景
- 理解机械生物学对研究细胞行为至关重要。
- 软骨细胞在软骨的发育和维护中扮演重要角色。
- 微流控装置能够精确控制实验条件。
- 三维水凝胶培养模拟体内环境，以获得更好的研究结果。
研究目的
- 制造用于软骨细胞压缩研究的微流控装置。
- 实现对软骨细胞中机械生物学反应的研究。
- 提供一种高效且经济的样本分析方法。
使用的方法
- 以特定重量比混合PDMS、前聚物和固化剂。
- 将混合物倒入主模具中进行微通道的制造。
- 在真空室中对PDMS进行脱气以去除气泡。
- 使用透明膜将脱气后的PDMS夹在一起进行装置组装。
主要结果
- 该装置成功产生多种压缩幅度。
- 它允许应用各种显微成像技术。
- 该方法可以适应研究其他类型的细胞。
- 在处理小样本体积方面表现出效率。
结论
- 气动驱动的微流控装置对机械生物学研究有效。
- 它为未来细胞力学研究提供了一个多功能平台。
- 潜在应用范围不仅限于软骨细胞，还包括其他类型的细胞。
常见问题
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
