Un modello polmone su un chip rapidamente prototipato che utilizza la stampa in 3D

Stampi in 3D utilizzati per il prototipo Lung-on-a-Chip

Gli scienziati australiani e russi stanno continuando la vasta ricerca per sostenere cellule sane per l’ingegneria dei tessuti e, alla fine, organi stampati in 3D che potrebbero cambiare completamente il panorama della medicina. Approfondendo ulteriormente le microarchitetture specifiche per organo, i ricercatori hanno pubblicato i loro risultati nel recente pubblicato ” “.

Gli autori sono abbastanza precisi nel sottolineare l’uso crescente della stampa 3D per gli stampi e in una varietà di diversi progetti e applicazioni di ricerca, dal miglioramento della produzione di fonderia alla riprogettazione delle tecniche convenzionali e alla sperimentazione di nuovi materiali. In questo studio, tuttavia, il chiaro focus è sull’ingegneria dei tessuti e sui modi migliori di prototipare durante la creazione di modelli organ-on-a-chip.

Le tecniche di litografia soft sono uno dei modi più comuni per creare dispositivi organ-on-a-chip; tuttavia, i ricercatori sottolineano importanti inconvenienti come il numero di ore richieste, i problemi con la fabbricazione di geometrie complesse, la necessità di una camera bianca separata e di utenti istruiti e in alcuni casi l’inefficienza complessiva.

“Con ulteriori sviluppi nella stampa 3D, c’è stato un aumento significativo nell’utilizzo delle parti stampate in 3D come stampi per generare repliche PDMS [ polidimetilsilossano] “, hanno detto i ricercatori.

Attualmente, la stampa 3D SLA e DLP è preferita a causa di una serie di vantaggi in microfluidica e altre applicazioni mediche. Nella creazione di stampi, gli utenti possono godere di una maggiore flessibilità durante la progettazione di una varietà di caratteristiche e forme che sarebbero altrimenti impossibili. Molti stampi attualmente fabbricati tramite SLA e DLP, tuttavia, non sono adatti per la colata PDMS a causa dei materiali residui lasciati indietro che potrebbero alterare la polimerizzazione PDMS.

La temperatura è talvolta un altro ostacolo durante l’indurimento. Il calore deve essere “accuratamente ottimizzato” per mantenere la qualità degli stampi stampati in 3D, lasciando ai ricercatori la creazione di un processo di trattamento superficiale che consentirà la sostenibilità delle cellule. Con un protocollo potenziato, hanno ideato un metodo per realizzare stampi di qualità rapidamente e senza segni di screpolature o altri deterioramenti.

“Questo processo di trattamento consente la fusione ripetitiva ad alta risoluzione di PDMS mediante stampi stampati in 3D. Il chip fabbricato è stato ulteriormente ottimizzato testando diverse membrane e rivestimenti ECM per la crescita cellulare e la vitalità estesa “, hanno affermato i ricercatori. “Il chip ha permesso alle cellule epiteliali polmonari di essere coltivate in un’interfaccia aria-liquido in condizioni dinamiche; la trasparenza del PDMS ha consentito la visualizzazione delle celle in tempo reale e il monitoraggio dei chip “.

Modello microfluidico di progettazione e fabbricazione di Lung-on-a-chip umano: A) Uno schema concettuale della configurazione sperimentale che mostra il sistema respiratorio umano B) Una sezione trasversale del tessuto delle vie aeree umane. C) La stampante 3D è stata utilizzata per fabbricare il design a pozzo aperto del modello di chip con strati superiore e inferiore per ricapitolare il polmone umano. D) Lo strato superiore contiene un pozzo aperto centrale per la semina cellulare e un ingresso e un’uscita per i media nel canale inferiore. Il livello inferiore include un canale per il flusso multimediale. La membrana porosa del PC è posizionata con cura e allineata tra i due strati, dove le cellule si attaccano e crescono. E) Una volta che le cellule erano confluenti, sono stati analizzati gli effetti del CSE sulle cellule.

Scegliendo la linea cellulare Calu-3 per il loro dispositivo lung-on-a-chip, i ricercatori sono stati in grado di mostrare la versatilità del modello mentre hanno valutato gli effetti CSE e iniziato il trattamento con Budesonide. Gli stampi sono stati stampati su una stampante 3D MiiCraft Ultra 50 , dopo la modellazione in SolidWorks .

“Per consentire la stampa ad alta risoluzione delle caratteristiche dello stampo, le opzioni di stampa sono state accuratamente adattate a ciascun design. Le caratteristiche di design più piccole richiedevano uno spessore della fetta di 10 μm e un tempo di indurimento di 1 s per fetta, dove le caratteristiche erano meno fini, sono stati utilizzati spessori di fetta di 30 e 50 μm ”, hanno spiegato i ricercatori. “Considerando le dimensioni degli stampi stampati, è stato utilizzato uno strato di base per garantire che la parte aderisse al raccoglitore per tutta la durata della stampa. Il tempo di indurimento per lo strato di base è stato impostato su 24 s. “

Hanno aggiunto uno strato aggiuntivo come tampone e hanno capito che per evitare che il PDMS si attaccasse, il trattamento della superficie dello stampo in resina era fondamentale. Lo stampo è stato lavato, asciugato ad alta pressione, polimerizzato per tre minuti e quindi immerso in alcool.

Protocollo per il trattamento superficiale degli stampi in resina stampati in 3D: A) Progettazione CAD dello stampo desiderato con Solidworks. B) I disegni finalizzati vengono stampati con la stampante 3D. C). Lo stampo viene quindi lavato con IPA, seguito da indurimento UV. D) ed E). Lo stampo viene quindi immerso in etanolo prima del trattamento al plasma. F) e G) Prima della fusione del PDMS, lo stampo viene silanizzato. Una volta indurito, il PDMS viene ritagliato con cura dagli stampi per formare due lastre. Le lastre PDMS vengono quindi pulite con IPA alternativo e lavaggio con etanolo prima di essere trattate al plasma, allineate e incollate con cura per creare un polmone su un chip completo

L’innovativo design a pozzo aperto è stato utile per migliorare la semina cellulare, lavorare con fluidi e raccogliere campioni. Le cellule sono state inoltre esposte direttamente al CSE e ad eventuali farmaci o nanoparticelle.

“È possibile collegare tra loro più camere a pozzo aperto per condurre studi indipendenti e paralleli. Questo è stato suggerito per la prima volta da Blume et al. che hanno sviluppato un simile design a pozzo aperto compatibile con Transwell disponibili in commercio da collegare. (Blume et al., 2015) “, hanno spiegato i ricercatori. “Tuttavia, questo è un processo complicato aggravato dal numero di componenti che compongono il loro design del chip.”

Il modello polmone su chip risultante offre una migliore manutenzione, usabilità e consente anche una sperimentazione più semplice. Composto da un grande pozzo circolare, ingresso e uscite su entrambi i lati, il trattamento superficiale è “vitale” per un tale stampo.

Simulazioni del flusso di fluido nel modello lung-on-a-chip: A) Geometria e condizioni al contorno utilizzate per la modellazione computazionale. B) Profilo di velocità lungo la lunghezza del microcanale. È evidente che la distribuzione della velocità attraverso il canale superiore è abbastanza piccola da non avere un impatto negativo sulle cellule attaccate. C) Distribuzione della velocità lungo la lunghezza del canale. Viene mostrato che il profilo di velocità nel canale inferiore ha un profilo parabolico. D) Profilo di velocità nel canale superiore. L’
ordine di velocità è abbastanza piccolo in modo che le cellule non siano influenzate dalla velocità di taglio.

La funzionalità cellulare è stata testata attraverso:

Macchie vive e morte
Secrezione di muco
Permeazione di fluoresceina di sodio
Espressione di P-gp della superficie cellulare
Una delle parti più importanti della ricerca, tuttavia, è stata la possibilità di testare il fumo di sigaretta sui modelli lung-on-a-chip. Poiché i fumatori hanno mostrato livelli aumentati di IL-6 e IL-8 nel loro lavaggio broncoalveolare (BAL), i ricercatori hanno studiato – scoprendo che c’erano “secrezioni significativamente aumentate” di IL-6 (p <0,01) e IL-8 (p <0,05), indicando effettivamente gli effetti anti-infiammatori del trattamento con Budesonide.

“La capacità del nostro modello di replicare con successo gli effetti di CSE e Budesonide lo rende un modello in vitro adatto per studi tossicologici e infiammatori”, hanno concluso i ricercatori.

“Il modello sviluppato utilizzando stampi stampati in 3D è stato in grado di mantenere un’eccellente integrità della barriera, espresso P-gp funzionale della superficie cellulare e secrezione dello strato di muco, fornendo una piattaforma per test di permeabilità, meccanismi di trasporto e studi sulla consegna di farmaci polmonari. Inoltre, la capacità di prototipare rapidamente questi stampi con scarse competenze tecniche rende la modellazione organ-on-a-chip accessibile a un ampio gruppo di ricercatori. “

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