Durchflussregelung bei Organ-on-a-Chip

In meiner Funktion als Wissenschaftsbeauftragter bei Bronkhorst bin ich ständig auf der Suche nach neuen Anwendungsbereichen für Durchflussregelsysteme. Als Teilzeitprofessor für Mikrofluidiksysteme an der Universität Twente und der Technischen Universität Delft bin ich an der Entwicklung von miniaturisierten Durchflussmessern und Durchflussreglern für Mikrodurchflüsse beteiligt. In diesem Blog möchte ich meine Erkenntnisse über die Rolle der Durchflussregelung bei Organ-on-a-Chip-Anwendungen teilen, wo beide Aspekte zusammenkommen.

Die Organ-on-a-Chip-Technologie hat das Potenzial, eine wichtige Rolle in der Erforschung neuer biomedizinischer Behandlungsmethoden zu spielen. [1] Die Regelung von Gasdurchfluss, Flüssigkeitsdurchfluss [2] und Druck umfasst 3 wichtige Funktionen, die bei der Arbeit mit solchen Anwendungen zu berücksichtigen sind, wie ich in diesem Blog erläutern werde.

Was ist Organ-on-a-Chip?

Ein Organ-on-a-Chip lässt sich als kleines Gerät beschreiben, auf dem lebendes Gewebe eines bestimmten Organs unter realen Lebensbedingungen kultiviert wurde. Die Entwicklung eines Organ-on-a-Chip-Systems ist im Bereich der biomedizinischen Forschung relativ bekannt und ermöglicht die Erforschung neuer Behandlungsmethoden.

Es gibt zahlreiche Beispiele für Organ-on-a-Chip-Anwendungen. In diesem Blog konzentriere ich mich auf Lung-on-a-Chip, da diese Systeme aktuell in der COVID-19-Forschung verwendet werden: Dabei werden Miniaturmodelle von Lungen erschaffen, um zu verstehen, wie COVID-19 in den menschlichen Körper gelangt und diesen beschädigt. [3]

Lung-on-a-Chip-System

2010 stellten D. Huh et al. das erste Lung-on-a-Chip-System vor. [4] Die Lungenzellen auf dem Chip werden auf flexiblen Membranen kultiviert, die eine realistische Nachbildung der Alveolen darstellen. 2013 präsentierte dieselbe Forschungsgruppe eine aktualisierte Fassung (siehe Abbildung 1). [5]

Abbildung 1: Mikrofluidischer Chip, reproduziert nach [5]

Indem unterschiedliche Druckwerte in den Seitenkammern angewendet werden, können die künstlichen Alveolen erweitert werden, um den Atmungsprozess nachzubilden. Indem Flüssigkeit durch den unteren Kanal und Gas durch den oberen Kanal geleitet wird, kann die Blut- bzw. Sauerstoffzirkulation simuliert werden.

Ein Mikrofluidikchip, der für die Kultivierung von Lung-on-a-Chip-Zellkulturen geeignet ist, mit einem oberen Kanal für Luftdurchfluss, einem unteren Kanal für Flüssigkeitsdurchfluss und Seitenkammern zur Anwendung unterschiedlicher Druckwerte;
Darunter: Mechanische Dehnung der Lungenzellen, wenn in den Seitenkammern Unterdruck angesetzt wird

Durchflussregelung und Druckregelung

Die Regelung von Gasdurchfluss, Flüssigkeitsdurchfluss und Druck sind 3 wichtige Funktionen, die bei der Arbeit mit Lung-on-a-Chip-Anwendungen berücksichtigt werden müssen.

Druckregelung, wobei unterschiedliche (Unter-)Druckwerte – Vakuum – in den Seitenkammern angewendet werden können, um die Dehnung der Lungenzellen beim Atmen nachzubilden; der Druckbereich beträgt -100 bis -600 mbarg (im Vergleich zum atmosphärischen Druck)
Gasdurchflussregelung, wobei der Luftdurchfluss zur Sauerstoffversorgung der Lungenzellen angewendet wird; der Durchflussbereich beträgt 1-20 ml_n/min Luft
Flüssigkeitsdurchflussregelung, wobei die Lungenzellen mit blutähnlichen Flüssigkeiten und Nährstoffen versorgt werden können und die Blutzirkulation nachgebildet werden kann; der Durchflussbereich beträgt 1-50 µl/min

Bronkhorst hat eine umfangreiche Produktlinie mit Instrumenten zur Durchflussregelung und Druck regelung, die perfekt zu diesen Durchfluss- und Druckwerten passen.

iMicrofluidics; Plattform für Mikrofluidiksensoren & -aktoren

In meiner Funktion als Wissenschaftsbeauftragter bei Bronkhorst bin ich außerdem am Projekt iMicrofluidics [6] beteiligt, das gemeinsam mit der NERI-Initiative der Technischen Universität Delft organisiert wird. Unser Ziel ist es, die Entwicklung und Optimierung von Organ-on-a-Chip-Systemen zu unterstützen und zu beschleunigen, indem wir Forschern eine integrierte, kompakte und modulare Plattform für Mikrofluidiksensoren & -aktoren bereitstellen, mit der sie ihre unterschiedlichen Organs-on-Chip problemlos verbinden können und in Echtzeit die Output-Qualität des Prozesses überwachen und kontrollieren können.

Mehr über iMicrofluidics

Abbildung 2: [7] Schematische Verbindung von Durchflussreglern und Druckreglern für eine Lung-on-a-Chip Anwendung

Abbildung 3: Vorabversion der Durchflussregelung mit mini CORI-FLOWs

Vor kurzem wurde eine Vorabversion der Plattform erstellt [7], die unter anderem zwei Bronkhorst ML120 Coriolis-Massendurchflussregler – zur Regelung von Flüssigkeits- und Gasdurchfluss – sowie einen IQ+PRESS-Druckregler – zur Vakuumregelung – umfasst. Natürlich wäre es auch möglich den Gasstrom mit thermischen Massendurchflussreglern der Serie EL-FLOW Select oder EL-FLOW Prestige und den Flüssigkeitsstrom mit Flüssigkeitsdurchflussreglern für extrem niedrige Durchflüsse von der µ-FLOW Serie zu regeln.

Die ersten Messergebnisse zeigen, dass die Plattform gut funktioniert. Zukünftige Forschungstätigkeiten enthalten auch die Verbesserung und Optimierung der Plattform sowie die Nutzung der Plattform in der Organ-on-a-Chip-Forschung. Unter anderem haben Wissenschaftler des Erasmus Medical Centre in Rotterdam ihr Interesse an einer Nutzung der Plattform im Rahmen ihrer Forschung zu Lungs-on-a-Chip bekundet.[8]

Abbildung 3: fertige Vorabversion der Plattform mit den 2 Bronkhorst ML120 und den IQ+PRESS-Instrumenten auf der rechten Seite, sowie ein Modell des Lung-on-a-Chip in der Mitte des gelben Kastens, um anzudeuten, wo der echte Chip sich befinden wird

Durchflussregelung für Organ-on-a-Chip Anwendungen

Was ist Organ-on-a-Chip?

Lung-on-a-Chip-System

Durchflussregelung und Druckregelung

iMicrofluidics; Plattform für Mikrofluidiksensoren & -aktoren

Hätten Sie gerne mehr Informationen über diese Anwendung?

Quellen

Miniaturisierung extrem – der neue Coriolis-Massendurchflusssensor im Mikromaßstab

Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit in der Durchflusstechnik - Was ist das eigentlich?