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

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 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 controle preciso sobre sinais biofísicos e bioquímicos em escala celular. O controle de fluxo microfluídico é geralmente obtido usando técnicas baseadas em deslocamento (por exemplo, seringa ou bombas peristálticas) ou controladas por pressão que fornecem inúmeras opções de perfusão, incluindo fluxos constantes, em rampa e pulsados. No entanto, pode ser um desafio integrar esses dispositivos de formato grande 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 capacidades de fluxo mais complexas muitas vezes não são utilizadas. Assim, existe a necessidade de uma plataforma de controle de fluxo simplificada que forneça capacidades de perfusão padrão e possa ser facilmente integrada em ambientes incubados. Para esse fim, apresentamos um microregulador de pressão impresso em 3D (µPR) ajustável 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 capacidades de controle dinâmico em uma rede microfluídica, (iii) e mantemos umbilical humano células endoteliais da veia (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.

As abordagens microfluídicas aproveitam 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 no ambiente de cultura12,13. Nestes sistemas, o controle sobre o fluxo de fluido é normalmente alcançado através de esquemas de bombeamento pneumático ou baseados em deslocamento14,15,16. Por exemplo, as bombas de seringa utilizam o movimento rotativo de parafusos mecânicos para dispensar fluido de um corpo 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 de seringa e peristálticas sejam frequentemente usadas devido às suas robustas capacidades de controle de fluxo e compatibilidade com componentes padronizados (por exemplo, seringas, acessórios e tubos), pode ser difícil integrá-las em ambientes confinados18. Além disso, as oscilações mecânicas do mecanismo de parafuso ou came podem introduzir pulsações de fluxo indesejadas que resultam em danos celulares19,20,21,22.

Em contraste, os esquemas de bombeamento pneumático criam uma queda de pressão definida (ΔP) através de 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 à Lei de Ohm, onde R é a resistência fluídica definida pela geometria da rede e pela viscosidade do fluido23. Devido à natureza intrínseca de amortecimento dos sistemas pneumáticos, essas abordagens são menos suscetíveis a pulsações de fluxo em comparação com métodos baseados em deslocamento18. No entanto, devido a possíveis alterações na resistência fluídica e efeitos concomitantes de contrapressão, as abordagens pneumáticas muitas vezes 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.