미세유체 세포 배양 응용 분야를 위한 소형 3D 프린팅 압력 조절기(μPR)

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 10769(2022) 이 기사 인용

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잘 정의된 유체 흐름은 미세유체 배양 시스템의 특징이며 세포 규모에서 생물물리학적 및 생화학적 신호를 정밀하게 제어할 수 있습니다. 미세 유체 흐름 제어는 일반적으로 일정한 흐름, 램프 흐름 및 펄스 흐름을 포함한 다양한 관류 옵션을 제공하는 변위 기반(예: 주사기 또는 연동 펌프) 또는 압력 제어 기술을 사용하여 달성됩니다. 그러나 이러한 대형 폼 팩터 장치와 그에 수반되는 주변 장치를 인큐베이터나 기타 제한된 환경에 통합하는 것은 어려울 수 있습니다. 또한 미세유체 배양 연구는 주로 일정한 관류 조건에서 수행되며 보다 복잡한 흐름 기능은 종종 사용되지 않습니다. 따라서 표준 관류 기능을 제공하고 배양 환경에 쉽게 통합될 수 있는 단순화된 흐름 제어 플랫폼이 필요합니다. 이를 위해 조정 가능한 3D 프린팅 마이크로 압력 조절기(μPR)를 소개하고 배터리 구동식 소형 공기 펌프와 결합하여 미세 유체 응용 분야를 지원할 때 강력한 흐름 제어 기능을 제공할 수 있음을 보여줍니다. 우리는 µPR의 설계 및 제작을 자세히 설명하고 (i) 미세 유체 응용 분야(1-10 kPa)와 관련된 조정 가능한 출구 압력 범위를 시연하고, (ii) 미세 유체 네트워크의 동적 제어 기능을 강조하고, (iii) 인간 제대를 유지합니다. 연속 관류 조건 하에서 다중 구획 배양 장치의 정맥 내피 세포(HUVEC). 우리는 3D 프린팅 제작 접근 방식과 개방형 설계가 광범위한 미세유체 응용 분야를 지원할 수 있는 맞춤형 µPR을 가능하게 할 것으로 기대합니다.

미세 유체 접근법은 유체의 정밀한 조작을 활용하여 배양 세포의 정의된 생물물리학적 자극4,5,6,7,8, 화합물의 제어된 유입9,10,11 및 배양 환경에 이차 세포 집단의 도입. 이러한 시스템에서 유체 흐름에 대한 제어는 일반적으로 변위 기반 또는 공압 펌핑 방식을 통해 달성됩니다. 예를 들어, 주사기 펌프는 기계식 나사의 회전 동작을 사용하여 제어된 유속(Q)으로 주사기 배럴에서 유체를 분배하는 반면, 연동 펌프는 Q17을 직접 제어하기 위해 호환 튜브를 통해 유체를 밀거나 당기는 캠 메커니즘을 사용합니다. 주사기 및 연동 펌프는 강력한 흐름 제어 기능과 표준화된 구성 요소(예: 주사기, 피팅 및 튜브)와의 호환성으로 인해 자주 사용되지만 제한된 환경에 통합하기 어려울 수 있습니다18. 또한 나사 또는 캠 메커니즘의 기계적 진동은 세포 손상을 초래하는 바람직하지 않은 흐름 맥동을 도입할 수 있습니다.

대조적으로, 공압 펌핑 방식은 Q를 제어하기 위해 미세 유체 네트워크 전체에 정의된 압력 강하(ΔP)를 생성합니다. 이러한 압력 구동 흐름의 경우 Q는 Hagen-Poiseuille 방정식 Q = ΔPR−1로 정의됩니다. 이는 다음과 같이 생각할 수 있습니다. 옴의 법칙에 대한 수리학적 비유. 여기서 R은 네트워크의 기하학적 구조와 유체 점도에 의해 정의된 유체 저항입니다. 공압 시스템의 본질적인 감쇠 특성으로 인해 이러한 접근 방식은 변위 기반 방법18에 비해 흐름 맥동에 덜 민감합니다. 그러나 잠재적인 유체 저항 변화와 이에 따른 배압 효과로 인해 공압 접근 방식에는 전용 고압 공기 공급원(예: 실험실 공기), 폐쇄 루프 압력 컨트롤러, 배압 조절기와 같은 복잡한 주변 장비가 필요한 경우가 많습니다. , 및 인라인 압력/유량 센서를 사용하여 원하는 유량24,25,26을 유지합니다. 결과적으로, 공압 방법은 제한된 세포 배양 환경에 통합하기 어려울 수도 있습니다.

24 h)31,32,33. Microelectromechanical systems (MEMS) approaches have also been used to create microfabricated pumps34,35. Although these micropumps can provide the long-term control required for lab-on-chip applications, the complexity of the fabrication procedures can make customization and implementation impractical./p>

30 mm), a higher outlet pressure range (~ 35 kPa) with a lower resolution (> 3.5 kPa). These approaches also cannot be customized, are expensive (> $100 USD for one with aforementioned features), and require a dedicated laboratory compressed air line. These techniques are summarized in Table S2. By introducing the µPR along with a mini air pump to create a microfluidic flow control platform, we can deliver a range of tunable and stable flow rates within a portable system. Our platform provides a cost-effective pressure control scheme with a range of customization opportunities owing to the increasing availability of hobby and commercial 3D printers. For reference, the total cost of the mini air pump and µPR setup as shown in this work is less than $7 USD, of which the µPR is less than $1.20 as shown in supplementary Table S1./p>

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