Dostępna procedura uszczelniania silikonu chip-to-membrana dla elastycznego i niezawodnego łączenia
20 marca 2026
Nowy protokół uszczelniający do produkcji wodoodpornych uszczelek silikonowych dla membran urządzeń z układem polidimetylosiloksanu (PDMS). Przeznaczony do laboratoriów do tworzenia modeli chipów oraz rozwoju małych platform chipowych. Demonstrujemy protokół przy użyciu plastikowych i natywnych błon tkankowych. Procedura ta wymaga jedynie PDMS, toluenu, formy, membrany i komory próżniowej.
Naszym celem jest wypełnienie luki w projektowaniu organ-on-chip, oferując nową procedurę uszczelniania dla urządzeń PDMS z porowatą membraną. Obecnie uszczelnianie odłamkowe jest wyzwaniem, ale nasz proces wymusza silikon przenikanie przez pory membrany, co oznacza, że mamy do czynienia wyłącznie z wiązaniem silikonowo-silikonowym. Jeśli błona jest porowata, na przykład w przypadku płuc lub jelit na chipie, potrzebne są tylko PDMS, toluen i próżnia.
Na początek dokładnie wymieszaj płynną bazę PDMS z środkiem utwardzającym w proporcji 10 do 1. Używając komory próżniowej, odparuj mieszaninę, aż wszystkie pęcherzyki powietrza zostaną usunięte. Używając strzykawki z szeroką dyszą, napełnij wcześniej przygotowane formy odgazowaną mieszaniną PDMS.
Włóż wypełnione formy do komory próżniowej i odgazuj przez około 10 minut, aż wszystkie pęcherzyki zostaną usunięte. Używając suchego piekarnika, utwardzaj formy przez dwie godziny w temperaturze 65 stopni Celsjusza. Po utwardzeniu usuń solidne połówki wiórów z form skalpelem.
Przytnij obróbkę blacharską na krawędziach każdej części wióra. Następnie użyj dziurkarza biopsyjnego, aby dodać cztery wloty do górnej części komory na każdym końcu komory oraz na dwóch sąsiednich pierścieniach, wskazując lokalizacje dolnych wlotów komory. Umieść szablon wydrukowany w 3D na membranie PET lub PC.
Używając skalpela, wytnij membranę na kształt, mocno trzymając szablon na miejscu. Alternatywnie przygotuj wyekstrahowaną membranę ECM i odwodnij ją. Połóż szablon na membranie i wytnij go na kształt, mocno trzymając szablon na miejscu.
Noś okulary ochronne i rękawiczki nitrylowe. Wymieszaj ciekły PDMS z toluenem w proporcji 7 do 5, aby przygotować zaprawę. Używając strzykawki z szeroką dyszą, dokładnie wymieszaj, strzykawając w górę i w dół, aż uzyskasz równowagę.
Wszystkie materiały laboratoryjne używane do obsługi toluenu umieść w okapie na 24 godziny, aby umożliwić odparowanie. Materiały utylizuj w zatwierdzonych i oznaczonych pojemnikach za pośrednictwem specjalistycznych usług odpadów. Teraz użyj końcówki pipety, aby szybko nałożyć przygotowany zaprawę PDMS na powierzchnię połowy chipu, gdzie zostanie umieszczona membrana.
Używając czystych kleszczy, trzymaj przygotowaną błonę na jednym końcu. Umieść końcówkę membrany na mokrej zaprawie we właściwym miejscu na wiórze i pozwól jej opaść na miejsce. Delikatnie przytrzymaj błonę na miejscu.
Ponownie nałóż zaprawę PDMS na wierzch membrany, oddalając się od komory przy każdym ruchu, aby usunąć pęcherzyki i zabezpieczyć membranę bez zmiany jej położenia. Po aplikacji zaprawy natychmiast umieść połówki wiórów otoczonych błoną w komorze próżniowej i utwardz je w temperaturze pokojowej pod próżnią 25-milibarową przez 72 godziny. Włącz pompę próżniową, modulator ciśnienia i piekarnik plazmowy.
Ustaw ciśnienie w komorze na 320 milibarów. Następnie umieszczam w środku zarówno połowę chipu otoczonego błoną, jak i drugą połowę chipu na 30 sekund obróbki plazmą tlenową. Po wyjęciu wiórów z komory próżniowej szybko dociskaj obie połówki pod lekkim naciskiem ręki, aby zakończyć montaż wióra.
Zaprawa PDMS barwiona czerwienią nilową została użyta do wizualizacji przenikania zaprawy ciekłej do 0,4-mikrometrowych porów membran PET i PC podczas próżniowego pakowania w temperaturze pokojowej. Obrazowanie pod mikroskopem świetlnym wykazało, że silikon skutecznie wniknął w pory i cienko pokrył powierzchnię. Podstawne rusztowania matrycy z błoną bazalną również skutecznie wiązały się wewnątrz urządzenia chipowego, co pokazuje szeroką skuteczność tej procedury w osiąganiu silnego, elastycznego wiązania na różnych typach błon.
Test integralności błony macierzy zewnątrzkomórkowej wykazał, że błona wytrzymała jeden milimetr cyklicznego rozciągnięcia poziomego wywołanego próżnią przez noc. Aby zweryfikować wydajność układu jako układu drog powietrznych na chipie do hodowli komórek na styku powietrze-ciecz, hodowano komórki nabłonkowe płuc Calu-3 w ludzkim płucach do połączenia i ekspozycji powietrza w urządzeniu. Po 10 dniach ekspozycji na powietrze wierzchołkowe komórki różnicowały się w komórki produkujące śluz, co potwierdza barwienie błękitu alcjańskiego.
Gdy komórki nabłonkowe są współhodowane z fibroblastami na błonie macierzy zewnątrzkomórkowej, komórki nabłonkowe tworzą konfluentną monowarstwę po wewnętrznej stronie, podczas gdy fibroblasty są rozmieszczone rzadziej na zewnętrznej powierzchni i zachowują morfologię przypominającą wrzeciono. Procedura ta ułatwia produkcję urządzeń organ-on-chip w większości środowisk działających w żywych środowiskach. Jest dostępny zarówno dla nowych deweloperów, jak i dla laboratoriów o niższych dochodach.
Komórki nabłonkowe mogą być hodowane w urządzeniu na granicy powietrze-ciecz, współhodowane z innymi typami komórek, a ich integralność bariery łatwie badana.
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia nowy, przystępny schemat postępowania w celu uszczelniania urządzeń typu Organ-on-Chip opartych na PDMS z zastosowaniem membran porowatych, co umożliwia trwały, szczelny montaż odpowiedni do kultur na granicy powietrze-ciecz (ALI). Metoda została opracowana w celu ułatwienia tworzenia chipów nowym badaczom oraz laboratoriom o ograniczonych zasobach, wspierając zastosowania takie jak modele Airway-on-Chip, Gut-on-Chip oraz Skin-on-Chip.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Inżynieria biomedyczna
- Technologia Organ-on-Chip
- Wytwarzanie urządzeń do hodowli komórkowych
Wstęp
- Platformy Organ-on-Chip są coraz częściej wykorzystywane do modelowania ludzkich tkanek i chorób.
- Niezawodne i szczelne uszczelnianie urządzeń chipowych pozostaje głównym wyzwaniem technicznym, zwłaszcza w przypadku membran porowatych.
- Istniejące metody często wymagają specjalistycznych materiałów lub sprzętu, co ogranicza dostępność dla nowych laboratoriów lub takich o ograniczonych zasobach.
- Istnieje potrzeba opracowania powszechnie stosowalnych, prostych technik uszczelniania, które byłyby kompatybilne z różnymi typami membran.
Cel badania
- Opracowanie i zademonstrowanie solidnego, powtarzalnego procesu uszczelniania urządzeń Organ-on-Chip z PDMS z wykorzystaniem membran porowatych.
- Umożliwienie produkcji chipów ALI odpowiednich do hodowli komórkowych, w tym modeli dróg oddechowych, jelit i skóry.
- Walidacja kompatybilności metody zarówno z membranami syntetycznymi (PET, PC), jak i biologicznymi (ECM).
Zastosowane metody
- Przygotowanie połówek chipa PDMS z wykorzystaniem form wydrukowanych w technologii 3D oraz standardowych protokołów utwardzania.
- Wycinanie i kształtowanie porowatych membran z PET, PC lub ECM przy użyciu szablonów.
- Przygotowanie zaprawy PDMS-toluen, odgazowanie jej i nałożenie na powierzchnie chipa oraz membrany.
- Infiltracja porów membrany zaprawą PDMS wspomagana próżniowo, a następnie utwardzanie w temperaturze pokojowej pod próżnią w celu uniknięcia naprężeń termicznych.
- Obróbka plazmą tlenową i ręczny montaż połówek chipa w celu końcowej konstrukcji urządzenia.
- Walidacja z wykorzystaniem wizualizacji barwnikiem Nile red, testów rozciągania mechanicznego oraz testów hodowli komórkowych z wykorzystaniem komórek nabłonkowych Calu-3 i fibroblastów.
Główne wyniki
- Zaprawa z PDMS pomyślnie przeniknęła i związała się z porami o wielkości 0,4 μm w membranach z PET i PC, co potwierdzono w badaniu mikroskopowym.
- Membrany ECM zostały również skutecznie uszczelnione i wytrzymały nocne cykliczne rozciąganie mechaniczne.
- Zmontowane chipy umożliwiły hodowlę komórek nabłonkowych Calu-3 w warunkach ALI, które po 10 dniach ekspozycji na powietrze zróżnicowały się w komórki produkujące śluz.
- Osiągnięto ko-kulturę z fibroblastami, przy czym poszczególne typy komórek wykazały wyraźną lokalizację na membranie ECM.
- Opisany schemat postępowania jest dostępny, tani i odpowiedni dla szerokiego zakresu warunków laboratoryjnych.
Wnioski
- Niniejsza procedura uszczelniania umożliwia niezawodne i elastyczne łączenie chipów PDMS z różnorodnymi membranami porowatymi.
- Metoda ta wspiera stabilne hodowle komórkowe typu ALI oraz aplikacje kokultury w urządzeniach Organ-on-Chip.
- Obniża ona bariery techniczne dla nowych badaczy oraz laboratoriów o ograniczonych zasobach w dziedzinie Organ-on-Chip.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Niezawodne i szczelne uszczelnianie urządzeń typu Organ-on-Chip stanowi trwałe wąskie gardło w rozwoju modeli translacyjnych, co wpływa na wiarygodność prognostyczną systemów przedklinicznych. Ten przystępny schemat uszczelniania chipu silikonowego z membraną umożliwia solidny montaż wielokomorowych chipów z PDMS z różnymi membranami porowatymi, wspierając skalowalne i powtarzalne hodowle na granicy faz powietrze-ciecz (ALI). Poprzez obniżenie barier technicznych metoda ta usprawnia wczesną fazę odkryć, modelowanie chorób oraz standaryzację między laboratoriami w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym.&Portfele D.
Strategiczne zastosowania w badaniach biofarmaceutycznych&D
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Umożliwia konstrukcję fizjologicznie istotnych modeli Organ-on-Chip do weryfikacji celów terapeutycznych w oparciu o postawione hipotezy.
- Ułatwia funkcjonalną walidację integralności bariery oraz różnicowania komórek w systemach istotnych dla danej jednostki chorobowej.
- Wspiera mechanistyczną redukcję ryzyka poprzez umożliwienie kokultury i dynamicznego modelowania tkanek.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Zapewnia standaryzowany i powtarzalny proces wytwarzania chipów do ilościowych analiz opartych na komórkach.
- Gwarantuje szczelną i stabilną integrację membrany, niezbędną do niezawodnych procesów przesiewania związków.
- Umożliwia przygotowanie systemów ALI do skalowalnych aplikacji wysokoprzepustowych analiz wysokotreściowych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wspiera badania nad biomarkerami translacyjnymi poprzez umożliwienie hodowli ludzkich komórek na granicy faz powietrze-ciecz.
- Zapewnia ciągłość procesu od fazy odkryć po walidację przedkliniczną dzięki elastycznej kompatybilności membran.
- Zmniejsza ryzyko błędów technicznych w zaawansowanym modelowaniu tkanek i symulacji chorób.
Integracja potoku i przepływu pracy
Niniejsza procedura uszczelniania integruje się z procesem rozwoju układów Organ-on-Chip, od wczesnych etapów odkrywania, poprzez identyfikację związków wiodących, aż po walidację przedkliniczną, wszędzie tam, gdzie wymagane jest trwałe wiązanie membran.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez i wyjaśnianie szlaków w modelach tkanek inżynieryjnych.
- Przesiewanie: Zapewnia powtarzalne, ilościowe wyniki dla testów funkcji barierowej i fenotypu komórek.
- Analityka: Umożliwia bezpośredni pomiar integralności błony i różnicowania komórek w warunkach ALI.
- Badania translacyjne: Ułatwia dopasowanie do modeli ludzkich tkanek istotnych dla danej choroby w badaniach nad biomarkerami.
- Zastosowania w przedsiębiorstwach: Oferuje szeroko stosowalną, wielokrotnego użytku możliwość uszczelniania dla różnych konstrukcji chipów i typów błon.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną i redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w modelach organotypowych.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje montaż chipów, poprawia powtarzalność i wspiera skalowalność między laboratoriami.
- Wartość strategiczna: Umożliwia lepsze podejmowanie decyzji go/no-go oraz zwiększa efektywność kapitałową poprzez redukcję ryzyka technicznego w rozwoju modeli.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację skorygowaną o ryzyko oraz rozwój modeli translacyjnych w procesie R&D.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w pracy z PDMS, przygotowywaniu membran oraz montażu wspomaganego próżniowo.
- Wymaga dostępu do standardowej infrastruktury laboratoryjnej: komory próżniowej, urządzenia do czyszczenia plazmowego oraz dygestorium.
- Wymaga standaryzacji międzyzespołowej w celu zapewnienia powtarzalności wytwarzania chipów i integracji membran.
- Możliwość adaptacji do różnych typów membran syntetycznych i biologicznych, co pozwala na wspieranie zróżnicowanych systemów modelowych.
- Utwardzanie w temperaturze pokojowej ogranicza problemy z rozszerzalnością cieplną, lecz wymaga dłuższego czasu utwardzania.
