Fabbricazione scalabile di Stretchable, Dual Channel, organo di Microfluidic chip

Sommario

Qui, presentiamo un protocollo che descrive la fabbricazione di estensibile, bicanale, dispositivi organo chip microfluidici cella cultura per ricapitolare la funzionalità a livello dell'organo in vitro.

Abstract

Un numero significativo di composti del piombo non riuscire nella pipeline farmaceutica perché gli studi sugli animali, spesso non riescono a predire le risposte cliniche in pazienti umani. Umano dell'organo-on-a-Chip (Chip organo) cella cultura dispositivi microfluidici, che forniscono una piattaforma sperimentale in vitro per valutare efficacia, tossicità e farmacocinetica (PK) profili in esseri umani, possono essere meglio predittori di efficacia terapeutica e sicurezza nella clinica rispetto a studi sugli animali. Questi dispositivi possono essere utilizzati per la funzione di praticamente qualsiasi tipo di organo di modello e possono essere collegati fluidically attraverso comuni microcanali endotelio-allineate per eseguire gli studi in vitro sulla fisiologia umana di intero corpo-livello e organo senza dover condurre esperimenti sulle persone. Questi chip di organo sono costituiti da due canali microfluidici irrorato separati da una membrana elastomerica permeabile con organo-specifiche cellule parenchimatiche su un lato ed endotelio microvascolare da altro, che possono essere allungata ciclicamente a fornire organo-specifiche meccaniche cues (ad es., movimenti nel polmone respiratori). Questo protocollo dettaglia la fabbricazione di flessibile, bicanale, Chips di organo attraverso la fusione delle parti utilizzando 3D stampato stampi, consentendo la combinazione di colata più e passaggi di post-elaborazione. Poroso poli (silossano dimetilico) membrane (PDMS) sono espressi con micrometro dimensioni fori utilizzando matrici di pilastro di silicio sotto compressione. Fabbricazione e assemblaggio di organo chip coinvolge attrezzature e passaggi che possono essere attuate di fuori di una camera bianca tradizionale. Questo protocollo fornisce ai ricercatori con accesso alla tecnologia Chip organo per in vitro studi di organo e corpo-livello nella scoperta della droga, sicurezza e prove di efficacia, come pure gli studi meccanicistici di processi biologici fondamentali.

Introduzione

Qui, descriviamo la fabbricazione di doppio canale, vascolarizzati dispositivi di cultura microfluidici organo-on-a-Chip (Chip organo) utilizza un protocollo scalabile favorevole per l'utilizzo di gruppi di ricerca non hanno accesso alle camere bianche e agli strumenti tradizionali litografia soft. Questi dispositivi sono stati sviluppati per ricapitolare le funzioni a livello di organo umane per comprensione normale e fisiologia di malattia, come pure la droga le risposte in vitro^1,2. Critica all'ingegneria questa funzionalità sono due canali microfluidici irrorato separati da una membrana semipermeabile (Figura 1). Questo design consente di ricreazione delle interfacce di tessuto-tessuto tra almeno due tipi di tessuti, in genere cellule parenchimali dell'organo su un lato della membrana porosa e l'endotelio vascolare da altro, come pure loro esposizione al flusso del fluido. Inoltre, poiché il polimero elastomerico, poli (silossano dimetilico) (PDMS), viene utilizzato per fabbricare il corpo organo Chip e componenti della membrana, sforzo meccanico ciclico possono essere applicati all'intero progettato tessuto-tessuto interfaccia tramite l'elastico membrana per imitare il microambiente fisico naturale di organi viventi, come respiratori mozioni nel polmone e peristalsi nell'intestino.

Figura 1: sezione trasversale organo Chip. Chips di organo è composto da due canali separati da una membrana porosa, elastica che può essere seminata con cellule su entrambi i lati. Canale superiore le sezioni trasversali sono 1 mm di larghezza x 1 mm alta, fondo canale croce sezioni sono di 1 mm di larghezza x 0,2 mm alta e vuoto canali in entrambi e parti inferiori sono 0,3 mm di larghezza, 0.5 mm di altezza e distanziati 0,3 mm dai canali fluidici. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Questi stretchable, doppio canale, organo Chips sono stati utilizzati per dimostrare l'impatto della respirazione movimento sull'assorbimento delle nanoparticelle nel polmone ed edema polmonare droga-indotto^3,4; effetti di movimento peristaltico sulla differenziazione⁵ e crescita eccessiva batterica in intestino^5,6,7; influenza delle deformazioni ciclici dovuto la pulsazione del cuore sulla differenziazione e maturazione dei Glomerulare podociti nel rene⁸. Inoltre, questi dispositivi di due lumi che contengono un canale vascolare endotelio-allineate, separato da una matrice extracellulare (ECM)-membrana rivestita da cellule parenchimali all'interno di un canale separatamente accessibile sono adatti per la caratterizzazione di droga PK parametri e nuova scoperta di destinazione, che è stato limitato nell'aspersione singolo canale sistemi. Inoltre, Chips di organo multiple possono essere collegate insieme tramite loro scanalature vascolari per creare efficacemente un umano corpo-on-chip, in grado di offrire una piattaforma attraente umana in vitro per terapie sviluppo^{9, 10}. A differenza di più micro-fisiologici sistemi (MPS)^11,12,13, i chip di organo contiene due canali microfluidici separati da una membrana porosa che facilita le interazioni vascolare parenchimale a ricapitolare in vivo funzione dell'organo. Questo non solo semplifica il collegamento di diversi organi insieme irrorando un mezzo comune attraverso le scanalature vascolari, ma la compartimentazione di tessuti e fluidi imita in vivo funzioni e supporta la sperimentazione farmacocinetica e modellazione così come in vitro-in vivo estrapolazione^9,10 che è difficile o impossibile a canale singolo MPS^14,15,16. La popolarità di PDMS in dispositivi microfluidici ha portato allo sviluppo di strumenti per superare la capacità del materiale di assorbire piccole molecole^10,17. Tuttavia, i grandi numeri dei chip necessari per supportare gli studi biologici, dove l'uso di agenti microbici e PDMS-assorbendo composti fanno riutilizzare di organo chip difficile richiedono un processo di fabbricazione scalabile anche per piccoli gruppi di ricerca. Il protocollo descritto qui presenta un metodo per la fabbricazione di dispositivi adatto all'impiego in laboratori accademici, compresi quelli non hanno accesso a camere bianche e litografia soft. Questo protocollo mira a estendere l'accesso ai circuiti integrati dell'organo da una vasta gamma di ricercatori che cercano di utilizzare i dispositivi stretchable, dual-channel per esplorare i processi biologici fondamentali così come sviluppo terapeutico traslazionale.

Sfruttando consigliate dai campi micromanufacturing accoppiati con design per la produzione, è stato sviluppato un approccio robusto per fabbricare dispositivi organo Chip in grandi quantità con resa e alta riproducibilità. Il protocollo di fabbricazione descritto qui fornisce un metodo scalabile per la produzione di Chip di organo. Descriviamo l'uso di un opzionale Mold-in-Place Jig (MiP; dettagli di design in Materiali supplementari) accoppiato con le strisce di guarnizione in poliuretano per consentire la scalabilità di PDMS componenti del pezzo fuso. Il lato lucido del poliuretano strisce produrre otticamente liscia PDMS parti mentre il lato strutturato facilita la sformatura. Inoltre descriviamo l'uso di un opzionale automatizzato membrana Fabricator (AMF) che fornisce una compressione uniforme di stampi di wafer di membrana durante la polimerizzazione per fabbricare fino a 24 membrane per ogni batch. Il design è ampiamente applicabile per gli studi degli organi che sono composti di tessuti che l'esperienza di sollecitazioni meccaniche e perfusione, e questi chip possono essere prodotto con bassa variabilità di truciolo-truciolo in quantità necessaria per soddisfare le esigenze di piccole e grandi gruppi di ricerca allo stesso modo. Il flusso di lavoro è favorevole a un formato batch o linea di assemblaggio e compatibili con protocolli di valutazione di qualità per il controllo dei processi di produzione, formazione del personale e la risoluzione reattivo. Ci auguriamo che questo protocollo si espanderà l'accesso alle funzionalità di doppio canale, estensibile, patatine di organo per la ricerca di base e traslazionale.

Protocollo

1. generale preparazione

1. Per evitare residui, pulire l'area di lavoro utilizzando il nastro adesivo e strofinare l'area con una cleanroom wipe e alcool isopropilico.
2. Per tutti i passaggi che richiedono PDMS, mescolare PDMS con un rapporto di 10:1 (10 g di agente, 100 g di elastomero a base di collegamento trasversale). Mescolare a mano o con un miscelatore commercialmente disponibile. Utilizzare una centrifuga planetaria qui: mescolando per 2 minuti a 2000 giri/min, poi il PDMS di degassamento per 2 minuti a 2200 giri/min.
3. Pulire tutti stampi con fucile ad aria compressa per soffiare fuori i detriti prima dell'uso.
   Attenzione: Non utilizzare pinze metalliche per rimuovere i detriti come danneggia la superficie degli stampi.

2. preparazione top Channel

1. Pulire il lato lucido di ogni pezzo di poliuretano con salviettine di etanolo e camere bianche. Assicurarsi che tutti i residui di etanolo è asciugato dalla superficie in poliuretano.
2. Posizionare il lato lucido del poliuretano sopra il lato aperto dello stampo MiP per generare una guarnizione sul lato aperto dello stampo, lasciando solo un'apertura di ben-come nella parte superiore dello stampo per colata PDMS.
   Nota: Controllare che ogni stampo è coperta in modo sicuro da parte di poliuretano o il PDMS colerà dalle muffe durante versarsi.
3. Posizionare gli assembly muffa e poliuretano un jig di MiP, con il lato strutturato contro la fine del jig MiP. Continuare a farlo fino a quando tutti gli stampi sono stati collocati nell'attrezzatura.
4. Serrare il jig MiP ruotando la maniglia con una chiave fino a quando la spaziatura di jig è di 25 mm di larghezza.
5. Fare una barchetta di carta stagnola che circondano il jig MiP per impedire la colatura su superfici in eccesso PDMS.
6. Versare PDMS in ciascuno degli stampi bene fino al completo.
   Nota: Ogni componente superiore chip richiede circa 3 mL di PDMS.
7. Una volta riempito l'intero jig, posizionare la dima in un essiccatore sotto vuoto. Tirare-80 kPa per 1 h a degas PDMS a.
8. Dopo 1 h, rimuovere il jig MiP dall'essiccatore e mettere in forno a 60 ° C per almeno 4 h curare PDMS.
9. Smontare la dima di MiP usando una chiave, allentare il jig ruotando la maniglia in senso antiorario. Una volta che le muffe sono esenti da compressione, rimuovere muffe da jig.
10. Rimuovere le strisce di poliuretano da ogni stampo e scartare.
11. Accuratamente de-stampo parti PDMS da loro stampi e adagiarle caratteristica-lato verso l'alto.
12. Allineare la lama del raschietto piastrella alla tacca sulla scheda fine e tagliare ogni fine di singulate i componenti migliori.
13. Verifica parti per uno qualsiasi dei seguenti tipi di guasto e scartare qualsiasi parti insoddisfacente: graffi nel canale principale, grandi detriti sopra l'area del canale, grandi bolle, deformato canali vuoto.
14. Conservare pezzi finiti in capsule di Petri quadrato all'interno di armadi positiva di pressione a temperatura ambiente.

3. fondo canale preparazione

1. Versare circa 10,5 g di PDMS negli stampi fino a quando il PDMS raggiunge la parte superiore della cavità.
   1. Ispezionare lo stampo del canale di fondo per PDMS curata sul fondo dello stampo.
   2. Se sporco, raschiare PDMS vecchia dalla parte inferiore dello stampo poiché una superficie non uniforme sul fondo dello stampo può causare variazioni di spessore delle parti finali.
      Nota: per le piccole < zone² 2 cm che sono scoperti, il fucile ad aria compressa possono essere utilizzati molto delicatamente per spostare PDMS sopra lo spazio.
2. Posizionare gli stampi in un essiccatore sotto vuoto per 1 h.
3. Dopo 1 h, spostare gli stampi in forno a 60 ° livello C per > 4h.
4. Posto muffa tavolo in cappa a flusso laminare. Allentare PDMS da un bordo dello stampo.
5. Afferrare un angolo e Sbucci delicatamente indietro il PDMS dalla superficie dello stampo.
6. Quando completamente rimosso, posare sulla superficie di lavoro, in modo che funzioni dei canali sono scoperte.
7. Parti tagliate lungo i bordi esterni con Tagliapiastrelle, mettendo la lama della taglierina di mattonelle in dentellato PDMS come descritto al punto 2.12.
8. Accumulate i parti laterali di funzionalità su nastro per rimuovere eventuali detriti.
9. Rimuovere la parte dal nastro di imballaggio. Trascinare l'estremità libera della parte attraverso la diapositiva. L'estremità libera sarà in laminato con il vetro.
   Nota: È fondamentale per evitare che allunga la parte mentre stabilisce. Se la bolla è intrappolata tra parte e vetro, delicatamente sollevare la parte con il forcipe e ri-laici.
10. Eseguire ispezioni di controllo qualità delle parti. Verifica parti per qualsiasi modalità di guasto e scartare qualsiasi parti insoddisfacente, incluse quelle che contengono graffi nel canale principale, detriti di grandi dimensioni, grandi bolle o deforme canali vuoto.
11. Coprire con nastro.
12. Negozio di parti in una pressione positiva mobile a temperatura ambiente.

4. PDMS membrana preparazione

1. Verifica che le cialde sono privi di PDMS sul retro.
2. Posizionare ogni wafer di membrana in slot designato nei vassoi AMF.
3. Utilizzare la siringa da 1 mL per posizionare al centro di ogni matrice di membrana wafer post 0,09 mL di PDMS. Lasciate PDMS riposare per un minimo di 5 min per consentire PDMS a diffondersi in tutto il post del wafer della membrana.
   Nota: Non procedere al passaggio successivo fino a coprire almeno il 75% della matrice post in PDMS. La qualità delle membrane migliora il più a lungo il PDMS è permesso di stoppino in regione post in modo più lunghi tempi di attesa in questo passaggio sono comodo.
4. Al plasma trattare la striscia di policarbonato a 20 W per 45 s, O₂ gas a 0.80 mbar in una macchina al plasma.
5. Rimuovere il foglio di policarbonato dalla macchina al plasma e usare le forbici per tagliare le lastre in policarbonato in 45 x 45 mm quadrati.
   Nota: Minimizzare il contatto con il plasma superficie trattata per impedire che polvere attaccare per il policarbonato.
6. Appoggiare delicatamente il lato del plasma trattato delle piazze sul liquido PDMS centrato sul wafer di membrana in policarbonato. Assicurarsi che il policarbonato e il PDMS sono in contatto.
   Nota: Evitare sacche d'aria tra il policarbonato e il PDMS.
7. Posizionare il distanziale PDMS pre-tagliato al centro della piazza in policarbonato.
8. Posizionare il foglio pre-tagliati in policarbonato strutturato sul blocco PDMS di mantenere il gruppo dal legame alla piastra di compressione.
9. Inserire il vassoio affinché vassoio 3 è nella parte posteriore, vassoio 2 è nel mezzo e vassoio 1 è nella parte anteriore. Vassoio 1 ha una tacca per l'allineamento.
10. Aprire la valvola di uscita e aprire molto lentamente la valvola di pressione di ingresso. Solo allora chiudere la valvola di pressione di uscita.
    Nota: Questo è il modo che l'output 4 kg di forza gradualmente viene applicato a ogni wafer di membrana al contrario immediatamente, che può rompere il wafer.
11. Flip l'interruttore AMF su ON per iniziare il ciclo di vulcanizzazione. Curare la cialda meno di 4 kg (16 kPa) di compressione e un rampa ciclo di temperatura elencati nella tabella 1.

Passo	Temperatura (° C)	Durata (min)
1	20	20
2	35	10
3	45	10
4	50	60
5	60	120
6	20	Tenere premuto

Tabella 1 - membrana condizioni di reticolazione

12. Chiudere la valvola di pressione di ingresso e aprire la valvola di pressione di uscita per rilasciare la pressione dai cilindri aria.
13. Rimuovere i vassoi e portarli alla cappa a flusso laminare.
14. Rimuovere con cautela il policarbonato strutturato e rimuovere con cautela il distanziale PDMS.
    Nota: Guarda il distanziale PDMS affinché che non anche staccare il vettore in policarbonato, in questo caso inizio peeling da un angolo diverso.
    1. Ispezionare la membrana PDMS attraverso il vettore in policarbonato per aree con fori passanti e usare un pennarello per tracciare il contorno dell'area attraverso-foro e contrassegnare tutti i fori o difetti nelle membrane.
    2. Con pinze di manipolazione wafer, allentare wafer dal vassoio.
    3. Rimuovere ogni membrana da wafer e inserire nella capsula di Petri.
       Nota: La membrana PDMS sarà de-stampo dalla cialda di membrana e siano rispettata il policarbonato backing. Se PDMS inizia a distaccarsi dal vettore in policarbonato, buccia da una regione diversa.
    4. Memorizzare le membrane e le cialde in piastre di Petri in un'armadietto a temperatura di pressione positiva.

5. montaggio e preparazione più venduti

1. Utilizzando nastro opaco, pulire le membrane PDMS, come pure le parti interne di Petri per rimuovere i detriti.
2. Accuratamente il nastro sul lato di funzionalità di ogni componente superiore per rimuovere i detriti.
3. Posizionare canale superiore parte ("top") funzionalità lato fino nella capsula di Petri con membrana PDMS.
   Nota: Tenere presente che alcune membrane possono essere utilizzate per uno o due parti superiori a seconda delle dimensioni dell'area utilizzabile. I principali canali di ogni parte superiore dovrebbero andare bene all'interno dell'area contrassegnato della membrana.
4. Caricare i piatti Petri in macchina al plasma.
5. Al plasma trattare membrana e superiore a 20 W per 45 s, O₂ gas a 0.80 mbar.
6. Al termine dei cicli di incollaggio, rimuovere i piatti e stabilire le parti attivate lato caratteristica sopra la membrana e garantire parte completamente è laminato con membrana con nessun bolle.
7. Mettere parti in forno a 60 ° C per almeno 2 h temprare.
8. Usando un bisturi, traccia attorno al perimetro della parte superiore legato a separare top-membrana dal vettore in policarbonato.
   Nota: Non tagliare il vettore.
9. Una volta che la parte venga tracciata, sbucciare l'assembly dal policarbonato. La membrana PDMS che è legata alla parte superiore dovrebbe sbucciare da parte del vettore.
10. Utilizzando pinze punte tagliente, rimuovere la membrana dalle porte di accesso al canale inferiore e rimuovere tutti i residui o polvere con forcipe sotto uno stereoscopio.
    Nota: Non lasciare qualsiasi parte della membrana che copre la porta di accesso.

6. chip Assembly

1. Sono dotate di lato verso l'alto, gli assembly di ossequio al plasma con componenti inferiori utilizzando le condizioni al punto 5.5.
2. Sotto un microscopio invertito, allineare l'assemblea superiore con vetrino da microscopio a fondo metà.
3. Mettere in forno a 60 ° C per almeno 2 h.
4. Ispezioni di controllo qualità di chip
   Nota: Prestare particolare attenzione ai principali porti e canale del chip. Controllare le modalità di guasto dall'occhio e anche sotto il microscopio.
   1. Per verificare che il chip è legato completamente, tirare leggermente su ogni angolo del chip per controllare parti delaminating.
   2. Guarda il canale del chip per controllare una membrana rugosa o cascante, che apparirà come un motivo ondulato o una leggera deviazione nel canale.
   3. Eseguire un'ispezione del microscopio per verificare la presenza di detriti nel canale principale.
      Nota: Detriti nelle aree non critiche, come ad esempio i canali vuoto sono accettabili.
   4. Con il chip ancora sul microscopio invertito, ispezionare il canale principale e canali vuoto per delaminazione.
      Nota: Delaminazione in aree non critiche (ad esempio, il bordo del chip) è accettabile.
   5. Verificare che i canali principali sono allineati a entro 50-60 µm (pori di membrana 1-2).
      Nota: È fondamentale che i canali non sono sovrapposte con canali vuoto.
   6. Controllare che la membrana tra i principali canali e i canali di ingresso e di uscita sia integra senza fori apparenti.
      Nota: Qualsiasi foro nella membrana può portare a un chip che perde o la crescita delle cellule di fuori dei canali.
5. Archivio i gettoni nelle capsule di Petri in un'armadietto a temperatura di pressione positiva.

Risultati

Il protocollo presentato qui descrive la fabbricazione scalabile di PDMS organo Chips. Questi dispositivi consentono di cultura dei due tipi di tessuto irrorato distinti su una membrana elastica porosa (Figura 1). I canali PDMS sono espressi utilizzando stampi stampate 3D, che accelera la prototipazione di nuovi disegni (Figura 2A e 2B). Canali top sono fusi in stampi sotto compressione contro una compatibile con...

Discussione

Il processo di fabbricazione si basa sulle muffe stampato 3D di alta risoluzione per modello i componenti corpo PDMS superiore e inferiore dell'organo Chip accoppiati con micromolded membrane porose di PDMS. Questo approccio critico è stato selezionato dovuta alla facilità di prototipazione combinato con rapida transizione in scalabilità fabbricazione e sostituzione degli utensili. Gli stampi di componente superiore sono progettati per porte modello in posizioni precise con profili verticali definiti durante la fase di c...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Dispositivi di protezione individuale
Hairnet	VWR	89107-770
Camice da laboratorio in Tyvek	VWR	13450-506
Guanti con polsino esteso	VWR	89521-898
Equipment
Tappetino da taglio	VWR	102096-430
Tagliapiastrelle	McMaster-Carr	26765A31
Stampi superiori Mold-in-place (MIP)	Protolabs, Inc.	stampato su misura	Prototherm 12120
Mold-in-place (MIP)	Protolabs, Inc.	stampato su misura	in Prototherm 12121
Pinza curva a becco d'anatra	VWR	63041-864
Pinza a punta affilata	Microscopia elettronica Sciences	72700-D
Spatola in metallo	VWR	82027-528
Incisione ionica reattiva profonda (DRIE)  wafer a matrice di pilastri	Sensera, Inc.		custom Quattro array di pilastri da 50 x 50 mm per wafer; pilastri larghi 7 um, alti 50 um, distanziati esagonalmente 40 um l'uno dall'altro
Policarbonato testurizzato spessore .01"	McMaster-Carr	85585K33	tagliato a blocchi PDMS quadrati da 45 mm
(40 x 40 x 5 mm)	n/a	personalizzato
		BVBI
germi
60 gradi Forno
Essiccatore
Precisione del bilancio			fino a 0,1 g
Macchina al plasma	Diener	Nano	oxygen è fondamentale
Supplies
Sylgard 184 poli(dimetilsilossano) (PDMS) kit base/agente indurente	Ellsworth Adhesives& nbsp;
Tazza			Garantire un'adeguata ventilazione durante la manipolazione del prepolimero a causa dei bassi livelli di etilbenzene
Siringa da 1 ml	VWR	10099-395
Salviette per camera bianca	VWR	TWTX1080
vetrini per microscopio in vetro 25 x 75 mm	VWR	48311-703
Nastro da imballaggio	VWR	500043-724
Nastro adesivo	VWR	500026-873
Strisce fustellate in poliuretano (PU) Atlantic	Gasket, Inc.	personalizzato: AGWI2X3	1/8" spesso; 60 Durometro Poliuretano Nero; 2 pollici x 3 pollici
Film in policarbonato .005" di spessore	McMaster-Carr	85585K102
100 x 100 x 15 mm piastre di Petri grigliate quadrate	VWR	60872-480
Foglio
di alluminioEquipaggiamento opzionale
Thinky PDMS Mixer	Thinky	ARE-310
Maschera per stampi in loco (MIP)	Maschera di compressione con morsetto a vite	interna
Produttore di membrane automatizzato (AMF)	array	pistoni di compressione pneumatico