Миниатюрный напечатанный на 3D-принтере регулятор давления (µPR) для микрофлюидных клеточных культур.

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 10769 (2022) Цитировать эту статью

2467 Доступов

3 цитаты

5 Альтметрика

Подробности о метриках

Четко определенные потоки жидкости являются отличительной чертой микрофлюидных культуральных систем и позволяют точно контролировать биофизические и биохимические сигналы на клеточном уровне. Управление микрофлюидным потоком обычно достигается с помощью методов вытеснения (например, шприцевых или перистальтических насосов) или с контролем давления, которые обеспечивают многочисленные варианты перфузии, включая постоянный, плавный и пульсирующий потоки. Однако интегрировать эти устройства большого форм-фактора и сопутствующие периферийные устройства в инкубаторы или другие ограниченные среды может быть непросто. Кроме того, исследования микрофлюидных культур в основном проводятся в условиях постоянной перфузии, а более сложные возможности потока часто не используются. Таким образом, существует потребность в упрощенной платформе управления потоком, которая обеспечивает стандартные возможности перфузии и может быть легко интегрирована в инкубационную среду. С этой целью мы представляем настраиваемый микрорегулятор давления (µPR), напечатанный на 3D-принтере, и показываем, что он может обеспечить надежные возможности управления потоком в сочетании с миниатюрным воздушным насосом с батарейным питанием для поддержки микрофлюидных приложений. Мы подробно описываем конструкцию и изготовление µPR и: (i) демонстрируем настраиваемый диапазон выходного давления, соответствующий микрофлюидным приложениям (1–10 кПа), (ii) подчеркиваем возможности динамического управления в микрофлюидной сети, (iii) и поддерживаем человеческие шлангокабели. эндотелиальные клетки вен (HUVEC) в многокамерном культуральном устройстве в условиях непрерывной перфузии. Мы ожидаем, что наш подход к изготовлению с помощью 3D-печати и проекты с открытым доступом позволят создавать индивидуальные микроПР, которые смогут поддерживать широкий спектр микрофлюидных приложений.

Микрофлюидные подходы используют точные манипуляции с жидкостями для предоставления уникальных экспериментальных возможностей в биологических приложениях1,2,3, включая определенную биофизическую стимуляцию культивируемых клеток4,5,6,7,8, контролируемый приток химических соединений9,10,11 и введение вторичных клеточных популяций в культуральную среду12,13. В этих системах контроль потока жидкости обычно достигается с помощью схем вытесняющей или пневматической откачки14,15,16. Например, шприцевые насосы используют вращательное движение механических винтов для дозирования жидкости из цилиндра шприца с контролируемой скоростью потока (Q), тогда как перистальтические насосы используют кулачковый механизм для проталкивания или вытягивания жидкости через эластичные трубки для непосредственного управления Q17. Хотя шприцевые и перистальтические насосы часто используются из-за их надежных возможностей регулирования потока и совместимости со стандартизированными компонентами (например, шприцами, фитингами и трубками), их интеграция в ограниченное пространство может оказаться сложной задачей18. Кроме того, механические колебания винтового или кулачкового механизма могут вызвать нежелательные пульсации потока, которые приводят к повреждению клеток19,20,21,22.

Напротив, схемы пневматической откачки создают определенный перепад давления (ΔP) в микрофлюидных сетях для управления Q. Для этих потоков, управляемых давлением, Q определяется уравнением Хагена – Пуазейля, Q = ΔPR-1, которое можно рассматривать как гидравлическая аналогия с законом Ома, где R — сопротивление жидкости, определяемое геометрией сети и вязкостью жидкости23. Из-за присущей пневматическим системам демпфирующей природы эти подходы менее восприимчивы к пульсациям потока по сравнению с методами, основанными на вытеснении18. Однако из-за потенциальных изменений гидравлического сопротивления и сопутствующих эффектов противодавления пневматические подходы часто требуют сложного периферийного оборудования, такого как специальный источник воздуха высокого давления (например, лабораторный воздух), регулятор давления с замкнутым контуром, регуляторы противодавления. и встроенные датчики давления/расхода для поддержания желаемого расхода24,25,26. Следовательно, пневматические методы также могут быть трудно интегрировать в закрытые среды культивирования клеток27.

24 h)31,32,33. Microelectromechanical systems (MEMS) approaches have also been used to create microfabricated pumps34,35. Although these micropumps can provide the long-term control required for lab-on-chip applications, the complexity of the fabrication procedures can make customization and implementation impractical./p>

30 mm), a higher outlet pressure range (~ 35 kPa) with a lower resolution (> 3.5 kPa). These approaches also cannot be customized, are expensive (> $100 USD for one with aforementioned features), and require a dedicated laboratory compressed air line. These techniques are summarized in Table S2. By introducing the µPR along with a mini air pump to create a microfluidic flow control platform, we can deliver a range of tunable and stable flow rates within a portable system. Our platform provides a cost-effective pressure control scheme with a range of customization opportunities owing to the increasing availability of hobby and commercial 3D printers. For reference, the total cost of the mini air pump and µPR setup as shown in this work is less than $7 USD, of which the µPR is less than $1.20 as shown in supplementary Table S1./p>

Новости