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Le cellule risiedono in una complessa rete fibrosa 3D chiamata matrice extracellulare (ECM), la maggior parte della quale è composta dalla proteina strutturale collagene di tipo I (COL1)1,2. Le proprietà biofisiche dell'ECM forniscono indicazioni alle cellule e, in risposta, le cellule rimodellano la microarchitettura ECM 3,4,5. Queste interazioni reciproche cellula-matrice possono dare origine a domini di fibre COL1 allineati6 che promuovono l'angiogenesi e l'invasione cellulare nell'ambiente tumorale 7,8,9 e influenzano la morfologia cellulare 10,11,12, la polarizzazione 13 e la differenziazione 14. Le fibre di collagene allineate promuovono anche la guarigione delle ferite15, svolgono un ruolo chiave nello sviluppo dei tessuti 16 e contribuiscono alla comunicazione cellulare a lungo raggio17,18. Pertanto, replicare la microarchitettura nativa della fibra COL1 in vitro è un passo importante verso lo sviluppo di modelli strutturati per studiare le risposte cellulari a microambienti allineati.
I sistemi di coltura cellulare microfluidica sono stati stabiliti come tecnologia preferita per sviluppare sistemi microfisiologici (MPS)19,20,21,22,23. Sfruttando effetti di ridimensionamento su microscala favorevoli, questi sistemi forniscono un controllo preciso sui flussi di fluidi, supportano l'introduzione controllata di forze meccaniche e definiscono il microambiente biochimico all'interno di un microcanale 21,24,25,26,27. Le piattaforme MPS sono state utilizzate per modellare microambienti tessuto-specifici e studiare le interazioni multiorgano28. Allo stesso tempo, gli idrogel sono stati ampiamente esplorati per ricapitolare la meccanica 3D e l'influenza biologica della ECM che si osservano in vivo29,30. Con una crescente enfasi sull'integrazione della coltura 3D con piattaforme microfluidiche, numerosi approcci possono combinare idrogel COL1 in dispositivi microfluidici31,32,33. Tuttavia, i metodi per allineare gli idrogel COL1 nei canali microfluidici sono stati limitati a sottili "tappetini" 2D (<40 μm di spessore) in canali larghi <1 mm, offrendo un potenziale limitato per modellare le risposte cellulari in microambienti 3D allineati31,34,35,36.
Per ottenere idrogel COL1 3D allineati in un sistema microfluidico, è stato dimostrato che, quando una soluzione COL1 autoassemblante è esposta a flussi estensionali locali (variazione di velocità lungo la direzione del flusso), gli idrogel COL1 risultanti mostrano un grado di allineamento delle fibre che è direttamente proporzionale all'entità della velocità di deformazione estensionale che sperimentano37, 38. Il design a microcanali in questo protocollo è unico in due modi; in primo luogo, il design segmentato introduce la deformazione estensionale locale nella soluzione COL1 e, in secondo luogo, la sua costruzione "a due pezzi" consente all'utente di allineare le fibre COL1 e quindi smontare il canale per accedere direttamente alle fibre allineate in un formato aperto. Questo approccio può essere ulteriormente adottato per sviluppare piattaforme microfluidiche modulari che sviluppano sistemi microfisiologici con matrici COL1 ordinate. Il seguente protocollo descrive il processo di fabbricazione di microcanali segmentati e descrive in dettaglio l'uso dei canali per allineare l'atelo bovino COL1. Questo protocollo fornisce anche istruzioni per la coltura di cellule su COL1 in un formato a pozzo aperto e discute l'aggiunta di funzionalità alla piattaforma utilizzando uno strato di base magnetico modulare.