PL224588B1 - Mikroukład do trójwymiarowej hodowli komórkowej - Google Patents

Mikroukład do trójwymiarowej hodowli komórkowej

Info

Publication number
PL224588B1
PL224588B1 PL406928A PL40692814A PL224588B1 PL 224588 B1 PL224588 B1 PL 224588B1 PL 406928 A PL406928 A PL 406928A PL 40692814 A PL40692814 A PL 40692814A PL 224588 B1 PL224588 B1 PL 224588B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
microcircuit
polymer
nanofiber
polymer nanofibers
nanofibers
Prior art date
Application number
PL406928A
Other languages
English (en)
Other versions
PL406928A1 (pl
Inventor
Elżbieta Jastrzębska
Zbigniew Brzózka
Artur Dybko
Wojciech Święszkowski
Krzysztof Jan Kurzydłowski
Ewa Anna Kijeńska
Michał Chudy
Ewelina Tomecka
Original Assignee
Politechnika Warszawska
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Politechnika Warszawska filed Critical Politechnika Warszawska
Priority to PL406928A priority Critical patent/PL224588B1/pl
Publication of PL406928A1 publication Critical patent/PL406928A1/pl
Publication of PL224588B1 publication Critical patent/PL224588B1/pl

Links

Landscapes

  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)

Description

Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest mikroukład do trójwymiarowej hodowli komórkowej stosowany do prowadzenia badań z wykorzystaniem materiału biologicznego. Tego typu mikroukłady mogą znaleźć zastosowanie w szczególności w badaniach związanych z inżynierią tkankową.
Mikroukłady do hodowli komórek i prowadzenia badań cytotoksyczności, prezentowane w liter aturze, wykonane są zazwyczaj z materiałów, które jednocześnie stanowią materiał konstrukcyjny układu oraz miejsce wzrostu komórek. W polskim zgłoszeniu patentowym P.393251 w zależności od rodzaju analizowanych komórek stosowany jest hydrofobowy poli(dimetylosiloksan) lub hydrofilowe szkło. Mikrosystemy tego typu umożliwiają prowadzenie hodowli w ułożeniu 2D co nie daje możliwości uzyskania struktur umożliwiających przestrzenne ułożenie komórek, a tym samym prowadzenie badań w warunkach zbliżonych do warunków in vivo.
Z polskiego zgłoszenia patentowego P.399357 znany jest mikroukład umożliwiający hodowlę komórkową w ułożeniu 3D. Przywołany mikroukład składa się z dwóch płytek, których budowa wraz z elementami hodowlanymi nie oddaje w pełni warunków in vivo.
Celem wynalazku jest uzyskanie struktur umożliwiających przestrzenne ułożenie komórek w warunkach umożliwiających prowadzenie badań w warunkach bardzo zbliżonych do warunków in vivo.
Mikroukład według wynalazku stanowi hybrydowy system składający się z trzech połączonych ze sobą płytek polimerowych, korzystnie z poli(dimetylosiloksanu) PDMS oraz umieszczonych wewnątrz mikroukładu warstw nanowłókien polimerowych. Górna płytka polimerowa zawiera kanał wlotowy, rozchodzący się w mikrokanały przeznaczone do wprowadzania komórek do mikrostruktur. Ponadto w płytce tej znajdują się mikrokanały tworzące generator gradientu stężeń, oraz kanały wlotowe służące do wprowadzenia różnych stężeń badanych substancji i kanały wylotowe. Środkowa płytka polimerowa i dolna płytka polimerowa wykonane są z usieciowanego poli(dimetylosiloksanu), bez dodatkowych mikrostruktur. Środkowa płytka stanowi membranę, w której wywiercono otwory, tworzące macierz. Na dolnej płytce polimerowej umieszczono warstwy nanowłókien polimerowych o średnicy i położeniu analogicznym do otworów pozostałych dwóch płytek polimerowych tworzących macierz. Tak wykonane płytki polimerowe połączono ze sobą z wykorzystaniem plazmy tlenowej, w wyniku czego uzyskano mikrokomory hodowlane wypełnione nanowłóknami. Wytworzony i wysterylizowany mikroukład służy do przestrzennej hodowli komórek na nanowłóknach polimerowych.
Nanowłókna mogą być wykonane z dowolnych materiałów za pomocą metody elektroprzędzenia z roztworu lub stopu, lub inną metodą, która pozwala otrzymać struktury nanowłókniste. Nan owłókna mogą posiadać różną morfologię, geometrię i wymiary. Rozmiary włókien mogą zmieniać się od kilku nanometrów do kilku mikrometrów. Włókna mogą być o przekroju kołowym, prostokątnym lub nieregularnym. Mogą być typu rdzeń-otoczka. Włókna w nanowłókninie mogą być nieuporządkowane lub ułożone równolegle tworzyć trójwymiarowe struktury o różnej porowatości i różnych rozmiarach porów. Nanowłókniny mogą być wytworzone z dowolnego materiału zarówno biodegradowalnego np. polikaprolakton, polilaktyd, poliglikolid, polihydroksymaślan, chitosan jak i nie biodegradowalnego jak alkohol poliwinilowy. Mogą być mieszaniną polimeru syntetycznego i naturalnego, np. polilaktyd i kolagen. Może być materiałem kompozytowym np. polikaprolakton z dodatkiem nanocząstek hydroks yapatytu lub trójfosforanu wapnia. Możliwa jest również modyfikacja powierzchni nanowłók nin np. poprzez dołączanie różnych grup funkcyjnych lub białek, sterując tym samym właściwościami biologicznymi materiału. Nanowłókna mogą być zmodyfikowane w ten sposób, że zawierają na powierzchni lub w swojej objętości lub w rdzeniu (włókna typu rdzeń-otoczka) dodatkowo substancje czynne lub czynniki biologiczne, np. czynniki wzrostu.
Wytworzenie mikroukładu rozpoczyna się od zaprojektowania przebiegu mikrostruktur - masek, które następnie odtwarzane są w górnej płytce polimerowej za pomocą techniki fotolitografii i metody odlewu. Metoda fotolitografii polega na wytworzeniu tzw. pieczątki ze wcześniej zaprojektowanym wzorem, przy zastosowaniu materiału światłoczułego i naświetleniu go światłem UV. Mikrostruktury w górnej płytce polimerowej otrzymuje się poprzez wylanie płynnego prepolimeru na wykonaną pieczątkę, a następnie usieciowaniu go w temperaturze 70°C przez 60 min. Ponadto, odwzorowano m ikrokanały tworzące generator gradientu stężeń, zawierający kanały wlotowe służące do wprowadzenia różnych stężeń badanych substancji i kanały wylotowe. Korzystny mikroukład zawiera macierz 3x3 mikrokomór hodowlanych, w których znajduje się warstwa nanowłókien polimerowych, stanowiących
PL 224 588 B1 rusztowania przeznaczone do hodowli komórek. Do mikrokomór doprowadzona jest sieć mikrokanałów przeznaczona do równomiernego wprowadzenia komórek oraz substancji odżywczych.
Mikroukład według wynalazku charakteryzuje się tym, że stanowi on narzędzie umożliwiające hodowlę komórek w ułożeniu przestrzennym w mikroskali. Taki wzrost komórek zapewniony jest poprzez zastosowanie rusztowań wykonanych z opisanych powyżej nanowłókien polimerowych metodą elektroprzędzenia symulujących budowę i strukturę naturalnej macierzy pozakomórkowej. Integracja nanomateriałów w systemie Lab-on-a-chip daje możliwość hodowli komórek w warunkach zbliżonych do tych panujących in vivo. Tym samym oczekuje się, że zachowanie i reakcja hodowanych komórek będzie zbliżona do ich zachowania w organizmie. Taka konstrukcja Lab-on-a-chip umożliwia również w sposób szybki i syntetyczny badanie odziaływania biomateriału rusztowania z komórkami. Jednocześnie zmieniając właściwości nanowłóknin można w pewnym stopniu sterować zachowaniem komórek. Wzbogacając nanowłókniny w czynniki biologiczne można również badać wpływ tych czynników na komórki.
Opracowana metoda umieszczania nanowłókien w mikrostrukturach mikroukładu umożliwia testowanie wielu typów nowoopracowanych nanomateriałów, stanowiących rusztowania dla hodowli wielu typów komórek. Zastosowanie materiałów nanowłóknistych do modyfikacji miejsc mikroukładu, na których wzrastają komórki, pozwala na uzyskanie struktur umożliwiających przestrzenne ułożenie komórek, a tym samym prowadzenie badań w warunkach jeszcze bardziej zbliżonych do warunków in vivo. Wykorzystanie nanowłókien polimerowych w systemach Lab-on-a-chip pozwala na odtworzenie struktur substancji pozakomórkowych oraz analizę przestrzennego wzrostu komórek w mikroskali.
Zmieniając morfologię i skład chemiczny nanowłókien można sterować ich właściwościami mechanicznymi oraz fizyko-chemicznymi. Można otrzymać włókna o wysokiej lub niskiej sztywności. Można otrzymać struktury o hydrofobowych lub hydrofilowych właściwościach, o różnym kącie zwilżania.
Mikroukład według wynalazku został zilustrowany w przykładzie wykonania na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia mikroukład w widoku perspektywicznym przez pokazanie kolejnych warstw mikroukładu, Fig. 2 przedstawia przekrój poprzeczny jednej mikrokomory hodowlanej oraz Fig. 3 przedstawia mikroukład w rzucie ukośnym.
Mikroukład według wynalazku stanowi hybrydowy system składający się z trzech połączonych ze sobą płytek polimerowych - górnej 1, środkowej 2 i górnej 3, korzystnie z poli(dimetylosiloksanu) PDMS oraz umieszczonych wewnątrz mikroukładu warstw nanowłóknin polimerowych 4 z polikaprolaktonu PCL, otrzymanych metodą elektroprzędzenia. Wytworzenie mikroukładu rozpoczyna się od zaprojektowania w programie AutoCAD przebiegu mikrostruktur - masek, które następnie odtworzone zostały w górnej płytce polimerowej 1 za pomocą techniki fotolitografii i metody odlewu. Metoda fotolitografii polega na wytworzeniu tzw. pieczątki ze wcześniej zaprojektowanym wzorem, przy zastosowaniu materiału światłoczułego i naświetleniu go światłem UV. Mikrostruktury w płytce polimerowej 1 otrzymuje się poprzez wylanie płynnego prepolimeru na wykonaną pieczątkę, a następnie usieciowaniu go w temperaturze 70°C przez 60 min. Górna płytka polimerowa 1 zawiera kanał wlotowy 5, rozchodzący się w mikrokanały 6 o szerokości 100 μm i głębokości 50 μm przeznaczone do wprowadzania komórek do mikrostruktur 7a, o średnicy 1000 μm. Ponadto, odwzorowano mikrokanały tworzące generator gradientu stężeń 8, zawierający dwa kanały wlotowe 9a i 9b służące do wprowadzenia dwóch stężeń badanych substancji i trzy kanały wylotowe 10. Płytki polimerowe 2 i 3 stanowił usieciowany PDMS, bez dodatkowych mikrostruktur. W celu uzyskania płytek polimerowych 2 i 3 na powierzchnię o wymiarach 7,5 cm x 2,5 cm wylano 0,5 g (dla płytki 2) i 15 g (dla płytki 3) płynnego prepolimeru i następnie usieciowano. Środkowa płytka 2 stanowiła membranę o grubości 200 μm, w której wywiercono dziewięć otworów 7b, o średnicy 1000 μm, tworzących macierz 3x3. Na dolnej płytce polimerowej 3 umieszczono dziewięć nanowłóknin polimerowych 4, o średnicy 1100 μm, w taki sposób aby analogicznie do płytek polimerowych 1 i 2 tworzyły one macierz 3x3. Tak wykonane płytki polimerowe połączono ze sobą z wykorzystaniem plazmy tlenowej, w wyniku czego uzyskano mikrokomory hodowlane 7 o głębokości 200 μm i średnicy 1000 μm wypełnione nanowłóknami o średnicy ok. 500 nm 4. Wytworzony i wysterylizowany mikroukład posłużył do przestrzennej hodowli komórek na nanowłóknach polimerowych.
Do tak wykonanego mikroukładu wprowadzono zawiesinę nowotworowych komórek płuc człowieka - A549 o gęstości 106 komórek/ml w przepływie 15 μ^^. Mikroukład wraz z komórkami umieszczono w inkubatorze w 37°C i 5% CO2. Po 24 h inkubacji obserwowano adhezję komórek do podłoża, który stanowiły nanowłókniny polimerowe. W kolejnych dniach obserwowano wzrost i proliferację komórek. W celu potwierdzenia prawidłowego wzrostu komórek na nanowłókninach polimero4
PL 224 588 B1 wych przeprowadzono test żywotności. W tym celu, do mikroukładu wprowadzono roztwory barwników fluorescencyjnych: calceinę AM (CAM) oraz jodek propidyny (PI) w przepływie 2 μΙ/min. CAM wyznacza komórki żywe, wybarwiając je na zielono, PI komórki martwe, wybarwiając je na czerwono. Na podstawie analizy mikroskopowej (mikroskop odwrócony fluorescencyjny, Olympus IX) potwierdzono, prawidłową proliferację komórek, tym samym potwierdzając możliwość stosowania wytworzonego mikroukładu do prowadzenia hodowli komórkowych.

Claims (17)

1. Mikroukład do trójwymiarowej hodowli komórkowej, stanowiący hybrydowy system składający się z połączonych ze sobą płytek polimerowych, zawierających kanały wlotowe rozchodzące się w mikrokanały tworzące generator gradientu stężeń, kanały wlotowe rozchodzące się w mikrokanały przeznaczone do wprowadzania komórek do mikrostruktur i kanały wylotowe, znamienny tym, że składa się z trzech płytek - górnej płytki (1), środkowej płytki (2) oraz dolnej płytki (3) oraz umieszczonych wewnątrz mikroukładu warstw nanowłókien polimerowych (4), przy czym górna płytka polimerowa (1) zawiera kanał wlotowy (5), rozchodzący się w mikrokanały (6) przeznaczone do wprowadzania komórek do mikrostruktur (7a) oraz mikrokanały tworzące generator gradientu stężeń (8) oraz kanały wlotowe (9) i kanały wylotowe (10), zaś środkowa płytka polimerowa (2) stanowi membranę z otworami (7b), tworzące macierz a na dolnej płytce polimerowej (3) znajdują się warstwy nanowłókien polimerowych (4) o średnicy i położeniu analogicznym do otworów (7a) i (7b) pozostałych dwóch płytek polimerowych tworzących macierz a ponadto płytki polimerowe (1, 2, 3) połączone są ze sobą z wykorzystaniem plazmy tlenowej.
2. Mikroukład według zastrz. 1, znamienny tym, że nanowłókna polimerowe (4) wykonane są za pomocą metody elektroprzędzenia z roztworu lub stopu.
3. Mikroukład według zastrz. 1, znamienny tym, że rozmiary nanowłókien polimerowych (4) wynoszą od kilku nanometrów do kilku mikrometrów.
4. Mikroukład według zastrz. 1, znamienny tym, że nanowłókna polimerowe (4) mają przekrój kołowy, prostokątny lub nieregularny.
5. Mikroukład według zastrz. 1, znamienny tym, że nanowłókna polimerowe (4) są typu rdzeń-otoczka.
6. Mikroukład według zastrz. 1, znamienny tym, że nanowłókna polimerowe (4) w nanowłókninie są nieuporządkowane.
7. Mikroukład według zastrz. 1, znamienny tym, że nanowłókna polimerowe (4) w nanowłókninie są ułożone równolegle.
8. Mikroukład według zastrz. 1, znamienny tym, że nanowłókna polimerowe (4) w nanowłókninie tworzą trójwymiarowe struktury o różnej porowatości i różnych rozmiarach porów.
9. Mikroukład według zastrz. 1, znamienny tym, że nanowłókna polimerowe (4) w nanowłókninie są wytworzone z materiału biodegradowalnego.
10. Mikroukład według zastrz. 9, znamienny tym, że nanowłókna polimerowe (4) w nanowłókninie są wytworzone z polikaprolaktonu, polilaktydu, poliglikolidu, polihydroksymaślanu, chitosanu.
11. Mikroukład według zastrz. 1, znamienny tym, że nanowłókna polimerowe (4) w nanowłókninie są wytworzone z materiału niebiodegradowalnego.
12. Mikroukład według zastrz. 11, znamienny tym, że nanowłókna polimerowe (4) w nanowłókninie są wytworzone z alkoholu poliwinilowego.
13. Mikroukład według zastrz. 1, znamienny tym, że nanowłókna polimerowe (4) w nanowłókninie są wytworzone z mieszaniny polimeru syntetycznego i naturalnego, korzystnie polilaktydu i kolagenu.
14. Mikroukład według zastrz. 1, znamienny tym, że nanowłókna polimerowe (4) w nanowłókninie są wytworzone z materiału kompozytowego.
15. Mikroukład według zastrz. 14, znamienny tym, że nanowłókna polimerowe (4) w nanowłókninie są wytworzone z polikaprolaktonu z dodatkiem nanocząstek hydroksyapatytu lub trójfosforanu wapnia.
16. Mikroukład według zastrz. 1, znamienny tym, że nanowłókna polimerowe (4) w nanowłókninie są wytworzone z modyfikowanych powierzchniowo nanowłóknin poprzez dołączenie grup funkcyjnych lub białek.
PL 224 588 B1
17. Mikroukład według zastrz. 5, znamienny tym, że nanowłókna polimerowe (4) w nanowłókninie zawierają na powierzchni lub w swojej objętości lub w rdzeniu dodatkowo substancje czynne lub czynniki biologiczne takie jak czynniki wzrostu.
PL406928A 2014-01-24 2014-01-24 Mikroukład do trójwymiarowej hodowli komórkowej PL224588B1 (pl)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL406928A PL224588B1 (pl) 2014-01-24 2014-01-24 Mikroukład do trójwymiarowej hodowli komórkowej

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL406928A PL224588B1 (pl) 2014-01-24 2014-01-24 Mikroukład do trójwymiarowej hodowli komórkowej

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL406928A1 PL406928A1 (pl) 2015-08-03
PL224588B1 true PL224588B1 (pl) 2017-01-31

Family

ID=53723563

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL406928A PL224588B1 (pl) 2014-01-24 2014-01-24 Mikroukład do trójwymiarowej hodowli komórkowej

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL224588B1 (pl)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
PL127216U1 (pl) * 2018-04-05 2019-10-07 Politechnika Warszawska Wielofunkcyjny mikrosystem przepływowy

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
PL127216U1 (pl) * 2018-04-05 2019-10-07 Politechnika Warszawska Wielofunkcyjny mikrosystem przepływowy

Also Published As

Publication number Publication date
PL406928A1 (pl) 2015-08-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Mohanty et al. Fabrication of scalable and structured tissue engineering scaffolds using water dissolvable sacrificial 3D printed moulds
Chung et al. Microfluidic fabrication of microengineered hydrogels and their application in tissue engineering
Mondrinos et al. Native extracellular matrix-derived semipermeable, optically transparent, and inexpensive membrane inserts for microfluidic cell culture
Kang et al. Digitally tunable physicochemical coding of material composition and topography in continuous microfibres
US10928382B2 (en) Microfluidic device and method for analysis of tumor cell microenvironments
Nguyen et al. Microfluidic approach for the fabrication of cell-laden hollow fibers for endothelial barrier research
Ghorbanian et al. Microfluidic direct writer with integrated declogging mechanism for fabricating cell-laden hydrogel constructs
JP5801311B2 (ja) 細胞培養用のマイクロスケール多流体流バイオリアクタ
Morimoto et al. Three-dimensional cell culture based on microfluidic techniques to mimic living tissues
Sousa et al. Surface Micro‐and Nanoengineering: Applications of Layer‐by‐Layer Technology as a Versatile Tool to Control Cellular Behavior
US10758902B2 (en) Method of fabricating semipermeable ultrathin polymer membranes
Bae et al. Bio-inspired configurable multiscale extracellular matrix-like structures for functional alignment and guided orientation of cells
US20060141617A1 (en) Multilayered microcultures
Kitagawa et al. Patterned hydrogel microfibers prepared using multilayered microfluidic devices for guiding network formation of neural cells
Nadine et al. Advances in microfabrication technologies in tissue engineering and regenerative medicine
JP6628416B2 (ja) 細胞培養方法
Kobuszewska et al. Lab-on-a-chip system integrated with nanofiber mats used as a potential tool to study cardiovascular diseases (CVDs)
US20190136172A1 (en) Three-dimensional thin film structure having microparticles enclosed therein and method for manufacturing same
He et al. Layer-by-layer micromolding of natural biopolymer scaffolds with intrinsic microfluidic networks
CN109810935A (zh) 细胞分区培养的明胶甲基丙烯酰胺核壳微球的制备方法
Patel et al. Micropatterned fibrous scaffolds for biomedical application
Mazzitelli et al. Optimised production of multifunctional microfibres by microfluidic chip technology for tissue engineering applications
Jeong et al. Microfluidic spinning of grooved microfiber for guided neuronal cell culture using surface tension mediated grooved round channel
Zheng et al. Precise manipulation of cell behaviors on surfaces for construction of tissue/organs
PL224588B1 (pl) Mikroukład do trójwymiarowej hodowli komórkowej