Mikromakine Mikroakışkan Platformda Basitleştirilmiş Üç Boyutlu Çip Üzerinde Cilt Modeli Üretimi
May 17th, 2021
Burada, mikromakine mikroakışkan bir platform kullanarak üç boyutlu basitleştirilmiş ve farklılaşmamış bir cilt modeli oluşturmak için bir protokol sunuyoruz. Paralel akış yaklaşımı, hepsi şırınna pompaları tarafından kontrol edilen, üstteki epitel hücrelerinin tohumlaması için bir dermal bölmenin yerinde birikmesini sağlar.
Bu, mikromakine, yapışkan vinil katmanları ve dermal bölme üretimi için paralel akış metodolojisi kullanarak çip üzerinde 3D cilt modellemek için yeni, litografi içermeyen bir protokoldür. Mikromakine vinil, pdms ve geleneksel litografi yaklaşımlarının bazı sınırlamalarını aşarak, cihazın düzeninde imalat sürecinde ve çok yönlülükte daha basitlik sağlar. Bu çok katmanlı çipli cilt, ilaç ve kozmetik test yaklaşımları için kullanılabilir, çünkü daha düşük maliyetlerle yüksek verimli taramaya izin verir ve birkaç hastalığı modellemek için kullanılabilir.
Brother Canvas Workspace yazılımını kullanarak bir mikroakışkan çip tasarlayarak başlayın. 30'a 30 santimetrelik bir çalışma alanı oluşturun ve bir svg dosyasında depolamadan önce çipin farklı katmanları için tasarım desenleriyle doldurun. 30'a 30 santimetre vinil levhaları kesin.
Düşük yapışkanlı bir paspasa yapıştırın ve gerektiğinde tüm hava kabarcıklarını ortadan kaldırın. Bir USB sürücü kullanarak, svg dosyasını kenar çiziciye yükleyin ve kesme parametrelerini sıfır seviyesinde kesme basıncı, üçüncü seviyede kesme bıçağı ve kesme hızı için birinci seviye olarak ayarlayın. Parametreler ayarlandığında, vinilli yapışkan paspası çiziciye yerleştirin ve kanal desenlerini 95 mikrometre kalınlığında vinil üzerinde kesme işlemine başlayın.
Uygun ayarlama kanalları, girişler ve çıkışlar için bir hizalayıcı kullanarak tüm cihazı birleştirin. Alt kanalı monte etmek için karşılık gelen bir mikro makine tasarımına sahip vinil katmanlar için yığın, hizalayıcıya yapışmayı önlemek için alt katmanın kapak bandını tutun. Polikarbonat gözenekli membranı, girişleri kapatmadan alt kanalın üzerine kesin ve yerleştirin.
Üst bölme tasarımına sahip 10 vinil katman ekleyin ve üzerine çift taraflı bantlı bir son katman yapıştırın. Cam kaydırağa yapıştırmak için çipi hizalayıcıdan çıkarın. Çift taraflı bant vinil tabakasının üzerine iki milimetre kalınlığında bir PDMS levha yerleştirin.
Çipin tamamen su geçirmez olduğundan emin olmak için, bir gecede çipin üzerine bir ağırlık bırakın. Ertesi gün, çipi beş dakika boyunca% 70 etanol ile yıkayarak sterilize edin, ardından damıtılmış suyla yıkayın. Pompa bir ve pompa iki üst hazne giriş bir ve üst hazne giriş iki, sırasıyla.
Pompa üç'ü alt hazne girişine bağlayın, ardından üst hazneyi ve alt hazne çıkışlarını bir atık küvetine bağlayın. PTFE tüpleri ve 18 kalibrelik paslanmaz çelik konektörler kullanarak şırınnaları her girişe bağlayın. PBS'yi pompala, üç pompa ile alt hazne girişinden dakikada 50 mikrolitre ve pompa iki üst hazne girişinden dakikada 100 mikrolitre.
Ardından, şırıngayı fibrinojen ön jel ile yükleyin, hemen bir pompaya yerleştirin ve dakikada 200 mikrolitrede çalıştırın. Ön jel üst hazne çıkışından çıktıktan sonra, bir ve iki pompayı durdurun, ardından boruyu çıkarmadan, 10 dakika boyunca jelleşmeyi 37 santigrat derecede izin vermek için çipi bırakın. Jelleşmeden sonra, üst hazne girişini bir kapakla tıkayın ve kültür ortamını üst oda girişinden ikiye pompala ve gece boyunca saatte 50 mikrolitre pompayla pompala.
Dermal bölmenin üretilmesinden 24 saat sonra, insan birincil fibroblast hücrelerinin montajda yayılarak yayılmadığını kontrol edin, ardından bir dakika boyunca dakikada 40 mikrolitrede iki üst kanal girişinden mililitre başına 6 HKC'ye beş kez 10 kez tanıtın. Hücre eki için, çipi neme doymuş bir inkübatöre 37 santigrat derecede gece boyunca yerleştirin. Dakikada 50 mikrolitrede sadece alt hazne girişinden üç pompa ile taze kültür ortamı pompalamaya başlayın.
Temsili analizde, montajın üst odası boyunca hidrojel yüksekliği görüntülenir. Ortalama 550 mikrometre yükseklik, kurban PBS ve ön jel için dakikada 100 ve 200 mikrolitre akış hızlarında jelin çalışması için optimumdu. PBS'nin alt kanaldan yıkanamaması, jelin teorik yüksekliği ile ölçülen arasında tutarsızlıklara yol açtı, paralel akış protokolünün başlatılmasından 24 saat sonra, insan birincil fibroblastlarının montajın üst odasındaki fibrin jelinde başarıyla yayıldığı tespit edildi, bunu takiben, yeşil floresan protein ifade eden HCC'ler hidrojel üzerine etkili bir şekilde tohumlanabilir.
HKCS'nin tortuya izin vermek için sistemi bir gecede kapalı tutmadan boruların çıkarılması, tekdüze olmayan, bir araya gelen bir hücre monolayerine neden oldu. Mikroakışkan çipteki farklılaşmamış cilt modelinin 3D konfokal analizi, üstteki HCC'leri altta gömülü fibroblasttan ayıran hidrojel yüzeyini açıkça gösterdi. Üretilen cilt, olgun ve farklılaştırılmış bir epidermis elde etmek için hava / sıvı arayüzüne maruz kalabilir ve ayrıca birkaç dermal ve epidermal belirteç kullanılarak karakterize edilebilir.
Bu teknik, daha hızlı ve daha ucuz bir cihaz imalatı ve mikroakışkanlar kullanılarak çok katmanlı cilt üretilmesini sağlayarak ilaçlar ve kozmetik testleri için daha gerçekçi bir yaklaşım sağlar.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Genel Bakış
Bu makale, mikro makineli bir mikroakışkan platform kullanarak üç boyutlu bir cilt-çip modeli oluşturmak için yeni bir protokol sunmaktadır. Yaklaşım, bir dermis bölmesinin oluşturulması için yapışkan vinil katmanları ve paralel akış metodolojisini kullanır ve epitel hücrelerinin ekilme işlemini kolaylaştırır.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Mikroakışkan
- Cilt modelleme
- Biyomedikal uygulamalar
Arka Plan
- Geleneksel cilt modelleme yöntemleri genellikle karmaşık litografi tekniklerini içerir.
- Mikro makineli vinil katmanlar daha basit bir üretim süreci sunar.
- Bu çalışma PDMS ve geleneksel yaklaşımların sınırlamalarını ele almaktadır.
- Çok katmanlı cilt-çip, ilaç ve kozmetik testlerinde uygulanabilir.
Çalışmanın Amacı
- 3D cilt modeli oluşturmak için basitleştirilmiş bir yöntem geliştirmek.
- Cilt-çip cihazlarının çok yönlülüğünü artırmak.
- İlaç ve kozmetik uygulamaları için yüksek verimli tarama sağlamak.
Kullanılan Yöntemler
- Brother Canvas Workspace yazılımını kullanarak bir mikroakışkan çipi tasarlamak.
- Tasarım desenleri için 30-by-30 santimetrelik bir çalışma alanı oluşturmak.
- Çipin farklı katmanlarını oluşturmak için vinil sacları kesmek.
- Dermis bölmesinin oluşturulması için paralel akış yaklaşımı uygulamak.
Ana Sonuçlar
- Protokol başarıyla bir 3D cilt modeli oluşturur.
- Mikro makineli vinil katmanlar üretim basitliğini artırır.
- Cihaz, düşük maliyetle yüksek verimli testlere olanak tanır.
- Potansiyel uygulamalar arasında çeşitli hastalıkların modellenmesi bulunur.
Sonuçlar
- Bu litografisiz yöntem, cilt modelleme için çok yönlü bir platform sağlar.
- Yaklaşım, geleneksel yöntemlerin sınırlamalarını aşar.
- Gelecek çalışmaları, hastalık modelleme ve testlerinde uygulamasını araştırabilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
The development of a simplified 3D skin-on-a-chip model using a micromachined vinyl-based microfluidic platform addresses key challenges in tissue modeling for drug and cosmetic R&D. This approach enables cost-effective, scalable, and reproducible generation of multilayered human skin constructs, supporting high-throughput screening and disease modeling. The platform's accessibility and reduced material absorption risk enhance predictive confidence and workflow integration across discovery and preclinical pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of skin biology and disease mechanisms in a controlled microenvironment.
- Supports functional validation of targets in a physiologically relevant, multilayered tissue context.
- Facilitates mechanistic de-risking by modeling cell–cell and cell–matrix interactions.
Screening & Assay Development
- Provides a standardized, reproducible platform for compound and cosmetic screening.
- Delivers quantitative outputs through confocal imaging and hydrogel height measurements.
- Enables high-throughput workflows with scalable device fabrication and parallelization.
Translational & Preclinical Research
- Models human skin disease states for translational biomarker exploration.
- Maintains continuity from early discovery to preclinical validation by supporting dynamic culture and tissue maturation.
- Reduces translational risk by mimicking native tissue architecture and function.
Pipeline & Workflow Integration
This microfluidic skin model fits within the continuum from early discovery through lead identification and preclinical research, enabling iterative hypothesis testing and screening in a physiologically relevant system.
- Discovery Biology: Supports hypothesis-driven studies of skin structure, cell behavior, and disease modeling.
- Screening: Provides assay-ready, multilayered constructs for reliable compound evaluation and toxicity testing.
- Analytics: Offers quantitative readouts such as hydrogel height and compartment integrity via confocal imaging.
- Translational Research: Bridges in vitro findings to preclinical models by recapitulating human skin complexity.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable, adaptable platform for diverse tissue engineering and screening applications.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in skin-related studies.
- Operational Value: Streamlines device fabrication, standardizes workflows, and enhances reproducibility.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision-making and capital efficiency by enabling robust early-stage testing.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of dermatological and cosmetic candidates.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic device assembly and tissue culture techniques.
- Needs access to basic microfabrication tools and confocal imaging infrastructure.
- Demands cross-team standardization for reproducible device fabrication and operation.
- Adaptable to other tissue models with protocol modifications for different cell types and matrices.
- Limitations include the current undifferentiated state of the epidermal compartment and need for further maturation protocols.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:48
Chip Design and Micromachining Parameters
1:44
Chip Assembly
2:43
Pump Connections and Parallel Flow Protocol
3:55
Human Immortalized Skin Keratinocytes (hKCs) Monolayer Seeding
4:31
Results: Characterization of Skin Model in The Microfluidic Chip with Confocal and Fluorescence Microscopy
5:49
Conclusion
