Generally, hydrogels have been utilized as scaffold materials for the immobilization of cells in a microfluidic chip. Different strategies have been employed for the preparation of three-dimensional cell-hydrogel scaffolds. In this review, we discuss the main hydrogels that can be used in microfluidic systems and the methods used to create these scaffolds.
Les principaux types d'hydrogels
Alginate
L'alginate est largement distribué dans les parois cellulaires des algues brunes, il est hydrophile et forme une gomme visqueuse lorsqu'il est hydraté. Dans notre cas, les alginates – des polysaccharides dérivés d'algues – peuvent former un hydrogel potentiellement utilisable pour la synthèse d'échafaudages cellulaires après l'ajout d'ions calcium. L'alginate est connu pour former des structures réticulées appelées structures en « boîte à œufs » en présence de cations métalliques divalents tels que le calcium et le magnésium. Cet hydrogel présente plusieurs caractéristiques intéressantes, telles que sa grande capacité d'absorption et sa biocompatibilité, qui sont des propriétés très recherchées pour les applications cliniques ou biologiques. De plus, la modification chimique de l'alginate par l'introduction de groupes fonctionnels dans le groupe carboxylique en fait un matériau intelligent en raison de sa réactivité à la lumière, à la température et aux perturbations hypersoniques. L'adhésion de l'alginate aux cellules peut également être améliorée par l'introduction de molécules d'adhésion cellulaire dans les chaînes latérales. L'alginate a été exploité sous forme d'hydrogels isotropes.
Matrigel
La matrice extracellulaire des cellules est composée en grande partie de collagène. Ainsi, alors que la culture 3D révolutionne le monde de la recherche depuis plusieurs années, la possibilité de recréer une matrice 3D a également gagné du terrain. De cette manière, le Matrigel® de la marque Corning permet cet exploit. En effet, le Matrigel®, composé principalement de collagène, permet aux cellules de conserver leur morphologie originale dans un échafaudage 3D, offrant un environnement approprié pour maintenir le phénotype fonctionnel de ces mêmes cellules.
Gélatine
The melting temperature of the gelatine is 40°C. Above this temperature, the gelatine chains are in coil form. The gelatine solution is in a viscous liquid phase, called the "sol" phase. Below 30°C, a renaturation of the native triple helix structure occurs, and the chains again form a three-dimensional network of helical segments connected by single-stranded coils. The gelatin then behaves elastically and is in the so-called "gel" phase. The transition between the coils and the helices is completely reversible and the transition from one phase to the other is called the "sol-gel" transition. For all these physical properties, gelatine is, like the hydrogels presented above, a material of choice for cell encapsulation.
Mélange d'hydrogels
Bien que chacun de ces hydrogels possède ses propres caractéristiques et puisse être utilisé individuellement pour encapsuler les cellules, la meilleure solution réside dans un mélange d'hydrogels. En microfluidique, il n'est pas rare de combiner l'alginate avec du Matrigel, par exemple pour gélifier des gouttelettes contenant des cellules. En effet, cette association d'hydrogels permet notamment d'accroître l'étalement cellulaire [de Guzman et al. 2008 J. Microencapsul].
Méthodes de création d'échafaudages 3D en microfluidique
Le mécanisme de gélification d'un hydrogel peut parfois être délicat, rendant la préparation et la manipulation des gels compliquées. En fait, il existe 3 méthodes principales pour obtenir un échafaudage 3D en microfluidique : la méthode par flottation forcée, la méthode de la goutte suspendue et la méthode basée sur l'agitation. Dans le tableau suivant, vous trouverez tous les avantages et inconvénients de ces 3 méthodes.
| Méthode | Avantages | Inconvénients |
| approche par flottation forcée : empêchant les cellules de s'attacher à leur surface | -Relativement simple – Peu coûteux -Convient aux tests à haut débit -Les sphéroïdes produits sont facilement accessibles | – Variabilité de la taille et de la forme des cellules si le nombre de cellules par puits n'est pas fixe -Le revêtement de plaques DIY est relativement exigeant en main-d'œuvre |
| approche de la goutte pendante : favorise la croissance cellulaire en suspension | -Peu coûteux si l'on utilise des plaques à 96 puits standard – Sphéroïdes homogènes adaptés aux tests à haut débit -Les sphéroïdes produits sont facilement accessibles | -Plus coûteux si l'on utilise des plaques spécialisées -Exigeant en main-d'œuvre si les plaques sont préparées en interne -Un faible volume de culture rend l'échange de milieu difficile sans perturber les cellules (une manipulation plus facile est proposée avec les formats disponibles dans le commerce) |
| approche basée sur l'agitation : encourager les cellules à adhérer les unes aux autres pour former des sphéroïdes 3D | – Facilité de culture des cellules – Production à grande échelle relativement aisée à mettre en œuvre – Le mouvement de la culture facilite le transport des nutriments – Les sphéroïdes produits sont facilement accessibles | – Nécessite un équipement spécialisé – Aucun contrôle sur le nombre/la taille des sphéroïdes (peut être surmonté par une étape de culture supplémentaire ; voir « Méthodes de flottation forcée ») – Chronophage pour le HTS en raison de l'étape supplémentaire requise pour obtenir des sphéroïdes homogènes – Cellules potentiellement exposées à des forces de cisaillement dans les flacons agitateurs (peut être problématique pour les cellules sensibles) |
Tableau 1. Avantages et inconvénients proposés des différentes méthodes de culture cellulaire 3D. Extrait et modifié de Breslin et O’Driscoll, 2013, Drug Discovery Today.
Culture cellulaire 3D : Avantages et inconvénients
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