Un régulateur de pression (µPR) miniaturisé imprimé en 3D pour les applications de culture cellulaire microfluidique

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 10769 (2022) Citer cet article

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Des flux de fluides bien définis sont la caractéristique distinctive des systèmes de culture microfluidique et permettent un contrôle précis des signaux biophysiques et biochimiques à l’échelle cellulaire. Le contrôle du débit microfluidique est généralement obtenu à l'aide de techniques basées sur le déplacement (par exemple, seringues ou pompes péristaltiques) ou à pression contrôlée qui offrent de nombreuses options de perfusion, notamment des débits constants, progressifs et pulsés. Cependant, il peut s’avérer difficile d’intégrer ces dispositifs de grande taille et les périphériques qui les accompagnent dans des incubateurs ou d’autres environnements confinés. De plus, les études de culture microfluidique sont principalement réalisées dans des conditions de perfusion constantes et les capacités d’écoulement plus complexes sont souvent inutilisées. Ainsi, il existe un besoin pour une plate-forme de contrôle de flux simplifiée offrant des capacités de perfusion standard et pouvant être facilement intégrée dans des environnements incubés. À cette fin, nous introduisons un micro-régulateur de pression (µPR) imprimé en 3D et montrons qu'il peut fournir des capacités robustes de contrôle de débit lorsqu'il est combiné avec une pompe à air miniature alimentée par batterie pour prendre en charge les applications microfluidiques. Nous détaillons la conception et la fabrication du µPR et : (i) démontrons une plage de pression de sortie réglable pertinente pour les applications microfluidiques (1 à 10 kPa), (ii) mettons en évidence les capacités de contrôle dynamique dans un réseau microfluidique, (iii) et maintenons le système ombilical humain. cellules endothéliales veineuses (HUVEC) dans un dispositif de culture à plusieurs compartiments dans des conditions de perfusion continue. Nous prévoyons que notre approche de fabrication imprimée en 3D et nos conceptions en libre accès permettront de réaliser des µPR personnalisés pouvant prendre en charge un large éventail d’applications microfluidiques.

Les approches microfluidiques exploitent la manipulation précise des fluides pour introduire des capacités expérimentales uniques dans les applications biologiques1,2,3, y compris la stimulation biophysique définie des cellules en culture4,5,6,7,8, l'afflux contrôlé de composés chimiques9,10,11 et l'introduction de populations de cellules secondaires dans l'environnement de culture12,13. Dans ces systèmes, le contrôle du débit de fluide est généralement réalisé via des schémas de pompage basés sur le déplacement ou pneumatiques14,15,16. Par exemple, les pompes à seringue utilisent le mouvement rotatif de vis mécaniques pour distribuer du fluide à partir d'un corps de seringue à un débit contrôlé (Q), tandis que les pompes péristaltiques utilisent un mécanisme à came pour pousser ou tirer les fluides à travers un tube conforme afin de contrôler directement Q17. Bien que les pompes à seringues et péristaltiques soient fréquemment utilisées en raison de leurs solides capacités de contrôle du débit et de leur compatibilité avec les composants standardisés (par exemple, seringues, raccords et tubulures), elles peuvent être difficiles à intégrer dans des environnements confinés18. De plus, les oscillations mécaniques du mécanisme à vis ou à came peuvent introduire des pulsations de flux indésirables entraînant des dommages aux cellules19,20,21,22.

En revanche, les schémas de pompage pneumatique créent une chute de pression définie (ΔP) à travers les réseaux microfluidiques pour contrôler Q. Pour ces flux pilotés par la pression, Q est défini par l'équation de Hagen – Poiseuille, Q = ΔPR−1, qui peut être considérée comme l'analogie hydraulique avec la loi d'Ohm, où R est la résistance fluidique définie par la géométrie du réseau et la viscosité du fluide23. En raison de la nature intrinsèquement amortissante des systèmes pneumatiques, ces approches sont moins sensibles aux pulsations d’écoulement que les méthodes basées sur le déplacement18. Cependant, en raison des changements potentiels de résistance fluidique et des effets de contre-pression concomitants, les approches pneumatiques nécessitent souvent des équipements périphériques complexes, tels qu'une source d'air haute pression dédiée (par exemple, de l'air de laboratoire), un contrôleur de pression en boucle fermée, des régulateurs de contre-pression. et des capteurs de pression/débit en ligne pour maintenir un débit souhaité24,25,26. Par conséquent, les méthodes pneumatiques peuvent également être difficiles à intégrer dans des environnements de culture cellulaire confinés27.