Het gebruik van microfluïdica in de biologie en de geneeskunde biedt veelbelovende nieuwe mogelijkheden voor in-vitro-celkweek dankzij een betere beheersing van de micro-omgeving van de cellen.
Twee belangrijke en onderling samenhangende onderwerpen die op dit gebied naar voren komen, zijn ‘organ-on-chip’ en 3D-celkweek. De krachtige instrumenten die zijn ontwikkeld dankzij de microfabricage van een breed scala aan polymere en niet-polymere materialen op het gebied van microfluïdica en micropatterning, maken een grote diversiteit in micro-omgevingsengineering mogelijk. Dit maakt de ontwikkeling van in-vitromodellen met ongekende eigenschappen mogelijk in elk laboratorium, met kosten- en tijdbesparende methoden. Niet alleen kan de micro-omgeving efficiënt worden geregeld, maar het geringe volume van deze modellen maakt ook een efficiënte parallellisatie van in-vitroonderzoeken mogelijk, waardoor de kosten dalen en een hogere doorvoer bij het screenen van geneesmiddelen wordt bereikt [1] [2].
Er is een breed scala aan materialen beschikbaar voor onderzoekers die op deze gebieden werkzaam zijn of dat willen worden, met zeer uiteenlopende kenmerken op het gebied van biocompatibiliteit, optische en mechanische eigenschappen, gebruiksgemak en kosten. Het doel van dit overzicht is om materialen te presenteren die in de microfluïdica worden gebruikt en die ook geschikt zijn voor celkweek. We zullen hun sterke en zwakke punten ten opzichte van elkaar kort toelichten.
Een belangrijk probleem bij de overgang van conventionele in-vitro-celkweek naar microfluïdische celkweek is de schaal. Door schaalveranderingen, zoals de verhouding tussen volume en oppervlakte in dergelijke kweekapparaten, kunnen de eigenschappen van de gekweekte cellen aanzienlijk veranderen. Zo wijkt de verhouding tussen het celkweekoppervlak en het mediumvolume sterk af van die bij conventionele kweken. [3]
Thermoharders
PDMS (polydimethylsiloxaan) is het materiaal bij uitstek voor microfluïdica, voornamelijk dankzij het eenvoudige microfabricageproces, de optische transparantie, de elastomere eigenschappen en de mogelijkheid om het materiaal permanent te verlijmen met glas of met zichzelf. Deze eigenschappen maken PDMS op grote schaal gebruikt voor de microfabricage van microfluïdische apparaten op laboratoriumschaal.
In celculturen maken de biocompatibiliteit en de gasdoorlaatbaarheid van PDMS het materiaal geschikt voor celculturen in microkanalen. Dankzij de optische eigenschappen in combinatie met een lage autofluorescentie is het ideaal voor fluorescentiedetectie. Bovendien kan het zonder cleanroom worden gevormd en verlijmd, wat het aantrekkelijk maakt voor onderzoeksteams die aan de slag willen gaan met microfluïdica.
PDMS heeft echter wel enkele nadelen, met name wat betreft de absorptie van kleine moleculen. Dit kan met name van cruciaal belang zijn bij celculturen voor het testen van geneesmiddelen, aangezien PDMS de concentraties van de betreffende stoffen aanzienlijk kan beïnvloeden, wat van cruciaal belang kan zijn bij het monitoren van nano- en micromolaire concentraties.[4]
PDMS is bovendien doorlaatbaar voor waterdamp, waardoor het apparaat kan uitdrogen of een onstabiele osmotische concentratie in het kanaal kan vertonen.
Door deze eigenschappen kan het gebruik van PDMS bij langdurige experimenten behoorlijk complex zijn. Desondanks is het materiaal al geruime tijd een vast onderdeel van de microfluïdica en is er al een omvangrijke literatuur over dit onderwerp beschikbaar
Thermoplastische polymeren voor celkweek
Thermoplastische polymeren zoals polycarbonaat en polystyreen vormen een andere categorie materialen die in de microfluïdica worden gebruikt en die ook in de celkweek toepassing hebben gevonden. Het microfabricageproces verloopt snel: de omzetting van het basismateriaal naar een functionele chip kan binnen enkele minuten worden voltooid en is geschikt voor elke schaal, van prototypen tot industriële productie.
Ze hebben doorgaans stijve oppervlakken, waardoor het verlijmingsproces moeilijker verloopt dan bij PDMS. Niettemin biedt de grote verscheidenheid aan thermoplasten veelbelovende mogelijkheden voor toekomstige toepassingsontwikkeling, aangezien het mogelijk is om een materiaal te vinden met eigenschappen die bij de toepassing passen en ze allemaal hetzelfde productieproces vereisen, dat slechts in geringe mate hoeft te worden aangepast.
Enkele van de thermoplasten die worden gebruikt in de microfluïdica en voor celkweek zijn:
Van polystyreen (PS) en cyclo-olefinepolymeer (COP)[5] is aangetoond dat ze geschikt zijn voor celkweek, terwijl ze de opname van kleine hydrofobe moleculen en het vrijkomen van niet-verknoopte oligomeren – die bij PDMS wel voorkomen – beperken.
Cyclo-olefinecopolymeer (COC)[6] [7] [8] vormen een categorie van COP die is vervaardigd uit meerdere soorten monomeren. Sommige varianten hebben een hoge biologische inertie en zijn geschikt voor celkweek na een luchtplasma-behandeling voor HeLa-cellen. [9]
Polymethylmethacrylaat (PMMA) is een thermoplast die niet alleen warm kan worden geperst, maar ook met een laser kan worden geëtst, waardoor het aantal onderdelen dat nodig is voor het microfabricageproces wordt verminderd. [10] [11] [12]
Polycarbonaat (PC) is al een veelgebruikt materiaal voor celcultuur en wordt ook toegepast in de microfluïdica. Door de gesloten structuur van de kanalen en de ondoordringbaarheid van het materiaal is het echter niet ideaal voor de specifieke eisen van de microfluïdica. PC wordt daarom vaak in combinatie met PDMS gebruikt in hybride chips om zuurstofgradiënten te creëren, dankzij de lage zuurstofdoorlaatbaarheid. [13]
Van thermoplasten zoals COC, PMMA en PC is aangetoond dat ze aanzienlijk meer autofluorescentie vertonen dan PDMS, waardoor ze ongeschikt zijn voor bepaalde detectiemethoden. [14]
Zacht thermoplastisch elastomeer
Het gebruik van zachte elastomere materialen is van groot belang voor de microfluïdica in het algemeen. Door hun lage stijfheid zijn dergelijke materialen voldoende vervormbaar voor de directe fabricage van ingebedde mechanische elementen, zoals micropompen en kleppen. Hierdoor zijn complexe functies veel eenvoudiger te realiseren in elastomere materialen zoals PDMS. Een andere categorie elastomere materialen bestaat uit zachte thermoplastische elastomeren (sTPE). Dit zijn blokcopolymeren die bestaan uit een elastomere matrix met harde thermoplastische domeinen, samengesteld uit meerdere blokken die klein genoeg zijn om op de schaal van microapparaten (µm) continu te zijn. Dit levert chemische eigenschappen en een eenvoudig vormproces op die dicht bij die van harde thermoplasten liggen, terwijl de elastomere eigenschappen eenvoudige verlijming en micromechanische kenmerken mogelijk maken.
Flexdym[15] is een sTPE dat is ontwikkeld om de nadelen van PDMS in de microfluïdica te verhelpen op het gebied van snelle prototyping, adsorptie, absorptie en hechting aan substraten, terwijl de voordelen zoals zachtheid, optische eigenschappen, biocompatibiliteit en gasdoorlaatbaarheid behouden blijven. Het kan worden gebruikt voor celcultuur dankzij de gasdoorlaatbaarheid (hoewel deze lager is dan bij PDMS) en het prototypen kan uiterst snel verlopen: het duurt slechts enkele minuten om van het gietproces tot de uiteindelijke afgedichte chip te komen. Het kan ook worden gespoten, wat betekent dat opschaling naar industriële schaal eenvoudig is.
Perfluoropolyethers (PFPE) [16] worden gebruikt voor celkweek en vertonen prestaties die vergelijkbaar zijn met die van PDMS-chips, voornamelijk dankzij hun gasdoorlaatbaarheid. PFPE is zacht en transparant, waardoor het sterk lijkt op PDMS. Het kan rechtstreeks worden gestructureerd door middel van fotolithografie, wat een aanzienlijk voordeel is omdat hierdoor geen mal nodig is en het aantal stappen voor de productie van microchips wordt verminderd. Enkele nadelen zijn echter de hoge kosten en de zeer hoge chemische inertie van het materiaal, waardoor oppervlaktemodificatie moeilijk is.
Glas [17] heeft een aantal zeer interessante eigenschappen voor microfluïdische celkweek; met name de chemische stabiliteit en de optische eigenschappen ervan kunnen worden benut om de herhaalbaarheid van metingen te verbeteren. Door de complexe en kostbare productie is het echter zowel voor onderzoek als voor de industrie een nichemateriaal gebleven. Glas blijft een hoogwaardig materiaal voor prototyping, maar de veelzijdigheid van de beschikbare oppervlaktebehandelingen en de duurzaamheid ervan kunnen de hogere kosten compenseren, met name bij herbruikbare chips.
Microfluïdica op papier is een recente ontwikkeling voor de productie van goedkope point-of-care-toepassingen. Het aanbrengen van kweekmicroreactoren op papier door het oppervlak zodanig aan te passen dat de celhechting wordt verbeterd, is bijzonder veelbelovend voor toekomstige, goedkope diagnostische methoden voor celdetectie. [18]
[1] Su, X., Young, E. W., Underkofler, H. A., Kamp, T. J., January, C. T., & Beebe, D. J. (2011). Microfluïdische celkweek en de toepassing ervan bij high-throughput-geneesmiddelenscreening: cardiotoxiciteitstest voor hERG-kanalen. Journal of biomolecular screening, 16(1), 101-111.
[2] An, D., Kim, K., & Kim, J. (2014). Op een microfluïdisch systeem gebaseerd high-throughput-systeem voor het screenen van geneesmiddelen voor combinatietherapie met curcumine en TRAIL in PC3-cellen van menselijke prostaatkanker. Biomolecules & Therapeutics, 22(4), 355-362.
[3] Walker, G. M., Zeringue, H. C., & Beebe, D. J. (2004). Overwegingen bij het ontwerp van micro-omgevingen voor onderzoek op cellulaire schaal. Lab on a Chip, 4(2), 91-97.
[4] Toepke, M. W., & Beebe, D. J. (2006). Absorptie van kleine moleculen door PDMS en de gevolgen daarvan voor microfluïdische toepassingen. Lab on a Chip, 6(12), 1484-1486.
[5] Su, X., Young, E. W., Underkofler, H. A., Kamp, T. J., January, C. T., & Beebe, D. J. (2011). Microfluïdische celkweek en de toepassing ervan bij high-throughput-geneesmiddelenscreening: cardiotoxiciteitstest voor hERG-kanalen. Journal of biomolecular screening, 16(1), 101-111.
[6] Mottet, G., Perez-Toralla, K., Tulukcuoglu, E., Bidard, F. C., Pierga, J. Y., Draskovic, I., … & Louis Viovy, J. (2014). Een driedimensionale thermoplastische microfluïdische chip voor robuuste celopvang en beeldvorming met hoge resolutie. Biomicrofluidics, 8(2), 024109.
[7] Jena, R. K., & Yue, C. Y. (2012). Microfluïdische apparaten op basis van cyclische olefinecopolymeren voor biochiptoepassingen: ultraviolette oppervlakte-enting met behulp van 2-methacryloyloxyethylfosforylcholine. Biomicrofluidics, 6(1), 012822.
[8] Nunes, P. S., Ohlsson, P. D., Ordeig, O., & Kutter, J. P. (2010). Cyclische olefinepolymeren: opkomende materialen voor lab-on-a-chip-toepassingen. Microfluidics and nanofluidics, 9(2-3), 145-161.
[9] Johansson, B. L., Larsson, A., Ocklind, A., & Öhrlund, Å. (2002). Karakterisering van met luchtplasma behandelde polymeeroppervlakken door middel van ESCA- en contacthoekmetingen ter optimalisatie van de oppervlaktestabiliteit en celgroei. Journal of Applied Polymer Science, 86(10), 2618-2625.
[10] Hong, T. F., Ju, W. J., Wu, M. C., Tai, C. H., Tsai, C. H., & Fu, L. M. (2010). Snelle prototyping van PMMA-microfluïdische chips met behulp van een CO₂-laser. Microfluidics and nanofluidics, 9(6), 1125-1133.
[11] Wei, C. W., Cheng, J. Y., & Young, T. H. (2006). Onderzoek naar cel-celinteractie in vitro met behulp van een microfluïdisch cocultuursysteem. Biomedical microdevices, 8(1), 65-71.
[12] Ma, L., Zhou, C., Lin, B., & Li, W. (2010). Een poreus 3D-microapparaat voor celkweek ter bestudering van celmigratie. Biomedical microdevices, 12(4), 753-760.
[13] Chang, C. W., Cheng, Y. J., Tu, M., Chen, Y. H., Peng, C. C., Liao, W. H., & Tung, Y. C. (2014). Een hybride microfluïdisch apparaat van polydimethylsiloxaan en polycarbonaat waarmee loodrechte chemische en zuurstofgradiënten kunnen worden gegenereerd voor celkweekonderzoek. Lab on a Chip, 14(19), 3762-3772.
[14] Piruska, A., Nikcevic, I., Lee, S. H., Ahn, C., Heineman, W. R., Limbach, P. A., & Seliskar, C. J. (2005). De autofluorescentie van kunststofmaterialen en chips gemeten onder laserbestraling. Lab on a Chip, 5(12), 1348-1354.
[15] Roy, E., Stewart, G., Mounier, M., Malic, L., Peytavi, R., Clime, L., … & Veres, T. (2015). Van cellulaire lysis tot microarray-detectie: een geïntegreerd 'Lab on a Disc' met thermoplastisch elastomeer (TPE) voor point-of-care-toepassingen. Lab on a Chip, 15(2), 406-416.
[16] Jellali, R., Paullier, P., Fleury, M. J., & Leclerc, E. (2016). Lever- en niercelculturen in een nieuwe biochip van perfluoropolyether. Sensors and Actuators B: Chemical, 229, 396-407.
[17] Jang, K., Sato, K., Igawa, K., Chung, U. I., & Kitamori, T. (2008). Ontwikkeling van een op osteoblasten gebaseerd 3D-microfluïdisch systeem met continue perfusie voor het screenen van geneesmiddelen. Analytical and bioanalytical chemistry, 390(3), 825-832.
[18] Corradini, E., Curti, P. S., Meniqueti, A. B., Martins, A. F., Rubira, A. F., & Muniz, E. C. (2014). Recente ontwikkelingen in toepassingen van zeïne en op zeïne gebaseerde materialen in de voedselverpakkingsindustrie, de farmaceutische sector en de biomedische sector. International Journal of Molecular Sciences, 15(12), 22438-22470.
