I chip microfluidici possono fornire un ambiente biomimetico per la coltura cellulare e tissutale, preservando gli aspetti fondamentali del sistema biologico e integrando al contempo le analisi a valle. È persino possibile spingersi oltre, integrando un apporto continuo di nutrienti tramite il ricircolo del mezzo. In questo tutorial presenteremo le diverse tecniche di ricircolo e i metodi disponibili per realizzarle.
In breve, il ricircolo si ottiene solitamente utilizzando una pompa peristaltica per riportare l’eluente in uscita nel serbatoio di ingresso, in modo che la sospensione possa attraversare nuovamente il dispositivo.
Vantaggi del ricircolo nella coltura cellulare:
- L'integrazione del ricircolo all'interno di un dispositivo microfluidico ci consentirà di avvicinarci un po' di più alla realtà, oltre che di comprendere meglio l'assorbimento, la distribuzione, il metabolismo e l'eliminazione dei farmaci. Infatti, ogni organo, tessuto o cellula del corpo umano è costantemente irrigato dai fluidi corporei, sia in un circuito aperto (saliva, succo gastrico, urina…) sia in un circuito chiuso (sangue, linfa, liquido pleurico…).
- A seconda dell'installazione, ciò può consentire l'eliminazione degli scarti, il che può migliorare notevolmente le prestazioni dell'esperimento e, ancora una volta, riprodurre la realtà.
- La tecnica di ricircolo consente inoltre di risparmiare terreno di coltura, che può risultare molto costoso nel caso delle cellule primarie, e arricchisce il terreno con fattori secreti dalle cellule. Tuttavia, va notato che la circolazione chiusa richiede che il terreno venga alimentato con CO₂ all’interno del chip. Ciò può essere ottenuto utilizzando un materiale permeabile al gas oppure un terreno indipendente dalla CO₂ per brevi periodi (circa 2 ore).
Ricircolo con pompa peristaltica nella coltura cellulare
Le pompe peristaltiche sono ampiamente utilizzate nella coltura cellulare, in quanto sono facili da usare e da collegare. Possono essere impiegate in una varietà di situazioni, ma nella maggior parte dei casi servono a far ricircolare il fluido attraverso un chip. Il numero di campioni che possono essere infusi in parallelo varia generalmente da 1 a 24, a seconda del numero di canali presenti sulla testina della pompa.
Per definizione, le pompe peristaltiche generano un flusso pulsante. La frequenza e l’ampiezza delle oscillazioni variano da una pompa all’altra a seconda del numero di rulli, della loro frequenza di rotazione e del diametro dell’ tube e utilizzato. La maggior parte delle pompe peristaltiche è controllata da un software che consente di automatizzare protocolli quali l’iniezione periodica o semplici variazioni di flusso.
Nella maggior parte dei casi, tutti i tubi sono avvolti attorno a un rotore e garantiscono quindi la stessa portata in ciascun chip, il che può rappresentare un limite per alcuni studi. Tuttavia, stanno arrivando sul mercato nuovi modelli che consentono di infondere contemporaneamente e in modo indipendente diversi campioni. Oggi, specifiche formulazioni di tube per le pompe peristaltiche ne aumentano notevolmente la durata, garantendo prestazioni ottimali e riproducibili.
Il ricircolo del fluido è possibile anche grazie a una pompa peristaltica miniaturizzata integrata nel chip, basata su microcanali a comando pneumatico, come riportato da Balagadd´e et al. [Balagadd´e et al., Science 2005].
Altre configurazioni
Oltre al pompaggio peristaltico, è possibile creare un circuito di iniezione utilizzando altre tecnologie di pompaggio. Questo metodo consiste in una rete di ingressi/uscite che possono essere collegati tra loro in una configurazione che consente un sistema a ricircolo con una portata che attraversa sempre il dispositivo microfluidico nella stessa direzione.
Per eseguire questo ciclo di iniezione, ti serviranno:
- Regolatore di pressione (Sistema di controllo del flusso microfluidico a 4 canali)
- Sensore di flusso (Sensore di flusso termico microfluidico MFS)
- Valvola di iniezione (Ricircolo MUX)
- Dispositivo microfluidico (Microfluidico organe sur puce)
- Serbatoi di campione (Serbatoio microfluidico)
Utilizzando un regolatore di pressione, il flusso risulterà ancora più regolare e privo di impulsi rispetto all’uso della pompa peristaltica. Questa configurazione consentirà la completa automazione dei vostri esperimenti, sia che durino 2 ore o 1 settimana con volumi limitati di terreno di coltura, sia che si tratti di applicazioni più avanzate come la modellizzazione di flussi biologici complessi.
