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Jul 19, 2023

Um regulador de pressão impresso em 3D miniaturizado (µPR) para aplicações de cultura de células microfluídicas

Relatórios Científicos volume 12,

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 10769 (2022) Citar este artigo

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Fluxos de fluidos bem definidos são a característica marcante dos sistemas de cultura microfluídica e permitem o controle preciso sobre sinais biofísicos e bioquímicos na escala celular. O controle de fluxo microfluídico geralmente é obtido usando técnicas baseadas em deslocamento (por exemplo, seringa ou bombas peristálticas) ou controladas por pressão que fornecem várias opções de perfusão, incluindo fluxos constantes, em rampa e pulsados. No entanto, pode ser um desafio integrar esses grandes dispositivos de fator de forma e os periféricos que os acompanham em incubadoras ou outros ambientes confinados. Além disso, os estudos de cultura microfluídica são realizados principalmente sob condições de perfusão constante e recursos de fluxo mais complexos geralmente não são utilizados. Assim, existe a necessidade de uma plataforma simplificada de controle de fluxo que forneça recursos de perfusão padrão e possa ser facilmente integrada a ambientes incubados. Para esse fim, apresentamos um micro regulador de pressão impresso em 3D sintonizável (µPR) e mostramos que ele pode fornecer recursos robustos de controle de fluxo quando combinado com uma bomba de ar em miniatura alimentada por bateria para suportar aplicações microfluídicas. Detalhamos o projeto e a fabricação do µPR e: (i) demonstramos uma faixa de pressão de saída ajustável relevante para aplicações microfluídicas (1–10 kPa), (ii) destacamos os recursos de controle dinâmico em uma rede microfluídica, (iii) e mantemos umbilicais humanos células endoteliais venosas (HUVECs) em um dispositivo de cultura multicompartimental sob condições de perfusão contínua. Prevemos que nossa abordagem de fabricação impressa em 3D e projetos de acesso aberto permitirão µPRs personalizados que podem suportar uma ampla gama de aplicações microfluídicas.

Abordagens microfluídicas alavancam a manipulação precisa de fluidos para introduzir capacidades experimentais únicas em aplicações biológicas1,2,3, incluindo a estimulação biofísica definida de células cultivadas4,5,6,7,8, o influxo controlado de compostos químicos9,10,11 e a introdução de populações de células secundárias ao ambiente de cultivo12,13. Nesses sistemas, o controle sobre o fluxo de fluido é normalmente obtido por meio de esquemas de bombeamento pneumático ou baseados em deslocamento14,15,16. Por exemplo, as bombas de seringa usam o movimento rotativo de parafusos mecânicos para dispensar fluido de um cilindro de seringa a uma taxa de fluxo controlada (Q), enquanto as bombas peristálticas empregam um mecanismo de came para empurrar ou puxar fluidos através de tubos compatíveis para controlar diretamente Q17. Embora as bombas peristálticas e de seringa sejam usadas com frequência por causa de suas capacidades robustas de controle de fluxo e compatibilidade com componentes padronizados (por exemplo, seringas, conexões e tubos), elas podem ser difíceis de integrar em ambientes confinados18. Além disso, as oscilações mecânicas do mecanismo de parafuso ou came podem introduzir pulsações de fluxo indesejadas que resultam em dano celular19,20,21,22.

Em contraste, os esquemas de bombeamento pneumático criam uma queda de pressão definida (ΔP) em redes microfluídicas para controlar Q. Para esses fluxos acionados por pressão, Q é definido pela equação de Hagen-Poiseuille, Q = ΔPR-1, que pode ser considerada como a analogia hidráulica com a Lei de Ohm, onde R é a resistência fluídica definida pela geometria da rede e a viscosidade do fluido23. Devido à natureza de amortecimento intrínseco dos sistemas pneumáticos, essas abordagens são menos suscetíveis a pulsações de fluxo em comparação com métodos baseados em deslocamento18. No entanto, devido às possíveis mudanças na resistência fluídica e aos efeitos concomitantes de contrapressão, as abordagens pneumáticas geralmente requerem equipamentos periféricos complexos, como uma fonte de ar de alta pressão dedicada (por exemplo, ar de laboratório), um controlador de pressão de circuito fechado, reguladores de contrapressão , e sensores de pressão/fluxo em linha para manter uma taxa de fluxo desejada24,25,26. Consequentemente, os métodos pneumáticos também podem ser difíceis de integrar em ambientes confinados de cultura de células27.