Stretchable, 듀얼 채널, 미세 기관 칩의 확장 가능한 제작
Summary
여기, 우리 stretchable, 듀얼 채널의 제작, 기관 수준 기능 체 외업과 위한 기관 칩 미세 세포 문화 장치를 설명 하는 프로토콜을 제시.
Abstract
동물 연구는 종종 인간 환자에 임상 응답 예측을 실패 하기 때문에 납 화합물의 상당수 제약 파이프라인에서 실패 합니다. 인간의 기관-에-한-칩 (기관 칩) 미세 세포 문화 장치, 효능, 독성, 그리고 인 간에 있는 pharmacokinetic (PK) 프로필을 평가 하기 위해 실험 체 외에 플랫폼을 제공 하는 치료 효 험의 더 나은 예언자를 있을 수 있습니다, 동물 연구에 비해 병원에 안전입니다. 이 소자는 거의 모든 기관 형식의 기능을 모델링 하는 데 사용할 수 있습니다 하 고 fluidically 필요 없이 인간의 기관 수준 및 전체 몸 수준 생리학에 생체 외에서 연구를 수행 하기 위해 일반적인 endothelium 늘어선 microchannels 통해 연결 될 수 있다 사람에 대 한 실험을 실시 합니다. 이러한 기관 칩 1 개의 측에 기관 특정 parenchymal 세포와 제공 하기 위해 주기적으로 기지개 할 수 있는 다른, microvascular 내 피 투과성 탄성 막으로 구분 된 두 개의 끼얹는다 미세 채널의 구성 기관 특정 기계 단서 (예를 들어, 폐에서 동작을 호흡). 이 프로토콜 세부 유연 하 고, 듀얼 채널의 제작, 여러 캐스팅의 조합 및 후 처리 단계 기관 칩을 통해 3D를 사용 하 여 부품의 주조 금형, 인쇄. 다공성 폴 리 (디 메 틸 실록 산) (PDMS) 막 마이크로미터 크기와 함께 캐스팅은 실리콘 기둥 배열에서 압축을 사용 하 여 구멍을 통해. 제조 및 기관 칩 장비 및 전통적인 클린 룸 밖에 서 구현할 수 있는 단계를 포함 한다. 이 프로토콜 연구를 기관 및 몸 수준 연구 약물 발견, 안전 및 효능 시험, 생체 외에서 뿐만 아니라 기본적인 생물학 과정의 기계 론 적인 연구 기관 칩 기술에 대 한 액세스를 제공 합니다.
Introduction
여기, 우리가 vascularized 기관-에-한-칩 (기관 칩) 미세 문화 장치 cleanrooms 전통적인 소프트 리소 그래피 도구에 대 한 액세스를 부족 한 연구 그룹에 의해 사용 하기 위해 의무가 확장 가능한 프로토콜을 사용 하 여 듀얼 채널의 제조를 설명 합니다. 이 소자 들은 마약 응답 생체 외에서1,2뿐 아니라 이해 일반 질병 생리학, 인간의 기관 수준 기능 정리를 개발 되었습니다. 공학에 중요 한이 기능은 반 투과성 막 (그림 1)으로 구분 된 두 개의 끼얹는다 미세 채널입니다. 이 디자인에는 적어도 두 종류의 조직, 일반적으로 다공성 막의 1 개의 측에 기관 parenchymal 세포와 다른 혈관 피 유체 흐름에 그들의 노출 사이의 조직-조직 인터페이스의 오락 수 있습니다. 또한, 때문에 탄성 중합체, 폴 리 (디 메 틸 실록 산) (PDMS), 기관 칩 신체를 조작 하는 데 사용 됩니다 및 순환 기계 긴장 막 구성 요소 설계 전체에 적용할 수 있습니다 통해 탄성 조직-조직 인터페이스 살아있는 장기 호흡 폐에 동작과 소장에서 연동 등의 자연 물리 microenvironment를 모방 하는 막.
그림 1: 기관 칩 횡단면. 양쪽에 셀 시드할 수 있습니다 다공성, 탄성 막으로 분리 된 2 개의 채널 기관 칩에 의하여 이루어져 있다. 최고 채널 횡단면은 1 m m x 1 m m, 바닥 폭 채널 크로스 섹션은 0.2 m m 높은, 및 진공 채널 둘 다에 및 아래쪽 부품 x 세로 1 m m 0.3 m m, 폭 0.5 m m, 높이 유체 채널에서 0.3 m m 간격. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
이러한 stretchable, 듀얼 채널, 기관 칩 호흡 폐에 폐 부 증 약물 유발3,4; 나노 흡수에 동작의 영향을 보여주는 사용 되었습니다. 차별화5 및 세균성 무성 내장5,,67;에 연동 운동의 효과 그리고 순환 개 악 때문에 차별화에 심장의 맥 동에의 영향 및 신장8사 podocytes의 성숙. 또한, 포함 한 endothelium 늘어선 혈관 채널은 세포 외 기질 (ECM)을 구분 하는이 두 루멘 장치-parenchymal 세포 별도로 액세스할 수 채널 내에서 코팅된 막은 마약 PK의 특성에 적합 하다 매개 변수 및 새 대상 검색, 단일 관류에 제한 된 채널 시스템. 또한, 여러 기관 칩 연결 될 수 있습니다 함께 통해 효과적으로 만들는 인간의 시체-에-칩, 치료제 개발9매력적인 인간 생체 외에서 플랫폼을 제공할 수 있는, 그들의 혈관 채널 10. 마이크로 생리 시스템 (MPS)11,,1213, 달리 기관 칩 혈관 parenchymal 상호 작용을 용이 하 게 하는 다공성 막으로 구분 된 두 개의 미세 채널 포함 vivo에서 장기의 기능 정리 이 뿐만 아니라 perfusing 관 채널을 통해 일반적인 매체에 의해 함께 다른 기관의 연결을 간소화 하지만 조직과 체액의 구획 vivo에서 기능을 모방한 pharmacokinetic 실험을 지원 하 고 생체 외에서–vivo에서 추정9,은 어렵거나 불가능 한 단일 채널 MP14,,151610 뿐만 아니라 모델링. 미세 소자에서 PDMS의 인기 작은 분자10,17를 흡수 하는 재료의 고유의 능력을 극복 하기 위해 도구의 개발을 이끌어 냈다. 그러나, 생물학 연구 어디 미생물 대리인 및 PDMS 흡수 화합물을 사용 하 여 만들기 어려운 기관 칩의 재사용을 지 원하는 데 필요한 칩의 큰 숫자도 작은 연구 그룹에 대 한 확장 가능한 제조 프로세스를 필요로 합니다. 여기에 설명 된 프로토콜 장치 제조 cleanrooms 및 소프트 리소 그래피에 대 한 액세스를 부족 한 그들을 포함 하 여 대학 실험실에서 사용 하기에 적합 한 메서드를 제공 합니다. 이 프로토콜 stretchable, 듀얼 채널 디바이스를 사용 하 여 변환 치료 개발 뿐 아니라 기본적인 생물학 과정을 탐험 하고자 하는 연구의 광범위 한 범위에 의해 기관 칩에 대 한 액세스를 확대 하는 것을 목표로.
제조를 위한 디자인으로 결합 된 micromanufacturing 필드에서 모범 사례를 활용 하 여, 강력한 접근 높은 재현성 및 수율 대량에서 기관 칩 장치 조작에 대 한 개발 되었다. 여기에 설명 된 제조 프로토콜 기관 칩 생산을 위한 확장 가능한 방법을 제공 합니다. 우리는 옵션 형 내부 지 그 (MiP, 보충 자료세부 사항 디자인) 폴리우레탄 가스 켓 스트립 함께 스케일 업 PDMS 구성 요소를 주조의 사용을 사용을 설명 합니다. 폴리우레탄 스트립의 광택 면 질감된 측면 demolding 용이 하 게 하는 동안 광학 부드러운 PDMS 부품 생산. 우리 또한 사용의는 선택적 자동 막 Fabricator (AMF) 일괄 처리 당 24 막까지 날조를 위한 치료 하는 동안 막 웨이퍼 금형의 균일 한 압축을 제공 하는 설명. 디자인은 기계적인 긴장 및 관류, 경험 하는 조직으로 구성 된 장기의 연구에 대 한 광범위 하 게 적용 하 고 소형 및 대형의 요구를 충족 하는 데 필요한 수량에 낮은 칩 가변성 이러한 칩을 생산할 수 있습니다. 모두 연구 그룹입니다. 이 워크플로 일괄 처리 또는 조립 라인 형식으로 순종 하 고 쉽게 제어 생산 프로세스, 인력 훈련, 및 응답 문제 해결에 대 한 품질 평가 프로토콜 호환. 우리는이 프로토콜 듀얼 채널, stretchable, 기본 및 변환 연구를 위한 기관 칩의 기능에 대 한 액세스를 확장 됩니다 바랍니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
제조 공정 고해상도 3D 인쇄 금형 PDMS 위쪽 및 아래쪽 기관 칩 신체 구성 요소 micromolded 다공성 PDMS 멤브레인과 결합 하는 패턴에 의존 합니다. 중요 한 이렇게 프로토 타입을 축소 제작 및 금형의 교체로 빠른 전환을 결합의 용이성으로 인해 선정 됐다. 상위 구성 요소 금형 주조 단계 패턴 포트 정의 수직 단면도로 정확한 위치에 설계 되었습니다. 이 뿐만 아니라 수동으로 액세스 포트 펀칭에 관련 …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리에 대 한 사진 videography M. 잉 그램, 제이 구 엔, D. 쉬 어, 그리고 북 아 일 원자바오 공헌 초기 제작 프로토콜 개발에 대 한 M. 루소와 S. Kroll 감사합니다. 이 연구는 생물학적 영감 공학 하버드 대학과 협력 계약 #W911NF-12-2-0036 및 #W911NF-16-C-0050, 방위 고급 연구 프로젝트 기관에서 Wyss 연구소에 의해 후원 되었다 및 FDA 부여 # HHSF223201310079C, NIH R01-EB020004 # 및 #UG3-HL141797-01, 부여 고 빌과 멜 린다 게이츠 재단 #OPP1163237 및 #OPP1173198 데이를 부여 합니다. 보기 및이 문서에 포함 된 결론 들 저자와 하나 명시적 또는 묵시적, 방위 고 등 연구 계획국, 식품 및 의약품 안전 청의 공식 정책을 나타내는으로 해석 해서는 안 된 국립 보건원, 또는 미국 정부.
Materials
| Personal Protective Equipment | |||
| Hairnet | VWR | 89107-770 | |
| Tyvek lab coat | VWR | 13450-506 | |
| Extended cuff gloves | VWR | 89521-898 | |
| Equipment | |||
| Cutting mat | VWR | 102096-430 | |
| Tile cutter | McMaster-Carr | 26765A31 | |
| Mold-in-place (MIP) top molds | Protolabs, Inc. | custom | printed in Prototherm 12120 |
| Mold-in-place (MIP) bottom molds | Protolabs, Inc. | custom | printed in Prototherm 12121 |
| Duckbill curved forceps | VWR | 63041-864 | |
| Sharp tipped forceps | Electron Microscopy Sciences | 72700-D | |
| Metal spatula | VWR | 82027-528 | |
| Deep reactive ion etch (DRIE) pillar array wafers | Sensera, Inc. | custom | Four 50 x 50 mm pillar arrays per wafer; pillars 7 um wide, 50 um tall, spaced hexagonally 40 um apart |
| Textured polycarbonate .01” thick | McMaster-Carr | 85585K33 | cut to 45 mm square |
| PDMS blocks (40 x 40 x 5 mm) | n/a | custom | |
| Laminar flow hood | Germfree | BVBI | cast in-house |
| Air gun | |||
| 60°C level oven | |||
| Vacuum desiccator | |||
| Mass balance | accuracy to 0.1 g | ||
| Plasma machine | Diener | Nano | oxygen plasma capability is critical |
| Supplies | |||
| Sylgard 184 poly (dimethylsiloxane) (PDMS) base/curing agent kit | Ellsworth Adhesives | 4019862 | |
| Mixing cup | Ensure adequate ventilation when handling prepolymer due to low levels of ethylbenzene | ||
| 1 mL syringe | VWR | 10099-395 | |
| Cleanroom wipes | VWR | TWTX1080 | |
| 25 x 75 mm glass microscope slides | VWR | 48311-703 | |
| Packing tape | VWR | 500043-724 | |
| Scotch tape | VWR | 500026-873 | |
| Die-cut Polyurethane (PU) strips | Atlantic Gasket, Inc. | custom: AGWI2X3 | 1/8” thick; 60 Durometer Black Polyurethane; 2” x 3” |
| Polycarbonate film .005” thick | McMaster-Carr | 85585K102 | |
| 100 x 100 x 15 mm square gridded petri dishes | VWR | 60872-480 | |
| Aluminum foil | |||
| Optional Equipment | |||
| Thinky PDMS Mixer | Thinky | ARE-310 | |
| Mold-in place (MIP) jig | in-house | screw clamp compression jig | |
| Automated membrane fabricator (AMF) | in-house | pneumatic compression piston array with programmable heater |
References
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