Les puces microfluidiques peuvent offrir un environnement biomimétique pour la culture cellulaire et tissulaire, préservant les aspects clés du système biologique tout en intégrant une analyse en aval. Il est même possible d'aller plus loin en intégrant un apport continu de nutriments via la recirculation du milieu. Dans ce tutoriel, nous présenterons les différentes techniques de recirculation et les moyens d'y parvenir.
En bref, la recirculation est généralement réalisée en utilisant une pompe péristaltique pour renvoyer l'éluant de sortie vers le réservoir d'entrée afin que la suspension puisse traverser à nouveau le dispositif.
Avantages de la recirculation en culture cellulaire :
- L'intégration de la recirculation au sein d'un dispositif microfluidique nous permettra de nous rapprocher un peu plus de la réalité ainsi que pour la compréhension de l'absorption, de la distribution, du métabolisme et de l'élimination des médicaments. En effet, chaque organe, tissu ou cellule du corps humain est continuellement irrigué via les fluides corporels, que ce soit en circuit ouvert (salive, fluide gastrique, urine…) ou en circuit fermé (sang, lymphe, liquide pleural…).
- Selon l'installation, cela peut permettre l'élimination des déchets, ce qui peut améliorer considérablement les performances de l'expérience et, une fois de plus, reproduire la réalité.
- La technique de recirculation permet également d'économiser du milieu de culture, qui peut être très coûteux pour les cellules primaires, et enrichit le milieu en facteurs de sécrétion cellulaire. Néanmoins, il convient de noter qu'une circulation fermée nécessite que le milieu soit alimenté en CO2 à l'intérieur de la puce. Cela peut être réalisé soit en utilisant un matériau perméable aux gaz, soit un milieu indépendant du CO2 pour de courtes périodes (environ 2 heures).
Recirculation avec une pompe péristaltique en culture cellulaire
Les pompes péristaltiques sont largement utilisées en culture cellulaire, étant faciles à utiliser et à connecter. Les pompes péristaltiques peuvent être utilisées dans diverses situations, mais dans la plupart des cas pour recirculer le fluide à travers une puce. Le nombre d'échantillons pouvant être infusés en parallèle varie généralement de 1 à 24, en fonction du nombre de canaux sur la tête de pompe.
Par définition, les pompes péristaltiques fournissent un débit pulsé. La fréquence et l'amplitude des oscillations varient d'une pompe à l'autre en fonction du nombre de galets, de leur fréquence de rotation et du diamètre du tube utilisé. La plupart des pompes péristaltiques sont contrôlées par un logiciel qui permet d'automatiser des protocoles tels que l'injection périodique ou de simples variations de débit.
Dans la plupart des cas, tous les tubes sont enroulés autour d'un rotor et fournissent donc le même débit dans chaque puce, ce qui peut être limitant pour certaines études. Cependant, de nouveaux modèles arrivent sur le marché qui permettent d'infuser plusieurs échantillons simultanément et indépendamment. Aujourd'hui, des formulations de tubes spécifiques pour pompes péristaltiques augmentent considérablement leur durée de vie, assurant des performances bonnes et reproductibles.
La recirculation du milieu est également possible avec une pompe péristaltique miniaturisée sur puce basée sur des microcanaux contrôlés pneumatiquement et a été rapportée par Balagadd´e et al. [Balagadd´e et al., Science 2005].
Autres configurations
Au-delà du pompage péristaltique, il est possible de créer une boucle d'injection en utilisant d'autres technologies de pompage. Cette méthode consiste en un réseau d'entrées/sorties qui peuvent être connectées entre elles dans une configuration permettant une configuration de recirculation avec un débit traversant toujours le dispositif microfluidique dans la même direction.
Pour réaliser cette boucle d'injection, vous aurez besoin de :
- Contrôleur de pression (Système de contrôle de débit microfluidique 4 canaux)
- Capteur de débit (MFS Microfluidic Thermal Flow Sensor)
- Vanne d'injection (MUX Recirculation)
- Dispositif microfluidique (Organe sur puce microfluidique)
- Réservoirs d'échantillons (Réservoir microfluidique)
En utilisant un contrôleur de pression, le débit sera d'autant plus régulier et sans impulsion, contrairement à l'utilisation d'une pompe péristaltique. Cette configuration permettra l'automatisation complète de vos expériences, qu'elles durent 2 heures ou 1 semaine, avec des volumes de milieux limités ou pour des applications plus avancées telles que la modélisation de modèles de flux biologiques complexes.
