Flow control voor organ-on-a-chip toepassing

In mijn functie van Science Officer bij Bronkhorst ben ik altijd op zoek naar opkomende vakgebieden voor toepassing van systemen voor flowregeling. Als deeltijd-hoogleraar Microfluidic Handling Systems aan zowel de Universiteit Twente als de Technische Universiteit Delft ben ik betrokken bij de ontwikkeling van geminiaturiseerde flowmeters en -regelaars voor microflowbereiken. In dit blog wil ik mijn inzichten delen over de rol van flowregeling in organ-on-a-chip-toepassingen, waar beide aspecten bij elkaar komen.

Organ-on-a-chip-technologie kan een belangrijke rol spelen in onderzoek naar nieuwe biomedische behandelmethoden [1]. Bij dergelijke toepassingen is een nauwkeurige regeling van gasflow, vloeistofflow [2] en druk essentieel, zoals ik in dit blog verder zal toelichten.

Joost Lotters about flow control for organ-on-a-chip application

Wat is organ-on-a-chip?

Een organ-on-a-chip kan worden omschreven als een klein microfluïdisch device waarop levend weefsel van een specifiek orgaan is gekweekt waarbij de omstandigheden van het levende organisme worden nagebootst. De ontwikkeling van organ-on-a-chip-systemen is vrij bekend in het vakgebied van biomedisch onderzoek, en maakt onderzoek naar nieuwe behandelmethoden mogelijk.

Er zijn veel voorbeelden van organ-on-a-chip-toepassingen. In dit blog richt ik me op lung-on-a-chip omdat dit de afgelopen tijd is toegepast in onderzoek naar COVID-19: er werden minuscule modellen van de longen gecreëerd om inzicht te krijgen in de manier waarop COVID-19 het menselijk lichaam binnendringt en beschadigt [3].

Lung-on-a-chip systeem

Het eerste lung-on-a-chip-systeem is in 2010 gepresenteerd door D. Huh et al. [4]. De longcellen op de chip worden gekweekt op flexibele, rekbare membranen die een realistische nabootsing van de longblaasjes vormen. In 2013 is door dezelfde groep een vervolg paper gepresenteerd. Zie afbeelding 1 [reproductie van een figuur uit [5]].

Afbeelding 1: Microfluidic chip, reproductie uit [5]

Door drukverschillen op de zijkamers toe te passen kunnen de kunstmatige longblaasjes worden uitgerekt, waarmee het ademhalingsproces wordt nagebootst. Door vloeistof door het onderkanaal en gas door het bovenkanaal te laten stromen kan de circulatie van respectievelijk bloed en zuurstof worden gesimuleerd.

Een microfluïdische chip die geschikt is voor het kweken van lung-on-a-chip-celculturen, met een bovenkanaal voor luchtflow, een onderkanaal voor vloeistofflow en zijkamers voor het toepassen van drukverschillen;

Daaronder : mechanische uitrekking van de longcellen als in de zijkamers een vacuüm wordt toegepast.

Flow- en drukregeling

Bij lung-on-a-chip-toepassingen is een nauwkeurige regeling van gasflow, vloeistofflow en druk essentieel:

Drukregeling, waarbij verschillen in (sub-atmosferische) druk – vacuüm – worden uitgeoefend op de zijkamers om het uitrekken van de longcellen bij het ademen na te bootsen; drukbereik is -100 .. -600 mbarg (met betrekking tot atmosferische druk)
Gasflowregeling, waarbij de luchtflow wordt aangebracht voor de zuurstoftoevoer naar de longcellen; flowbereik is 1 - 20 ml_n/min. lucht
Vloeistofflowregeling, waarbij de op bloed lijkende vloeistoffen en de voedingsstoffen aan de longcellen kunnen worden geleverd, en waarbij de bloedsomloop kan worden nagebootst; flowbereik is 1 - 50 µl/min.

Bronkhorst heeft een uitgebreide productlijn met instrumenten voor flow- en druk-regeling die precies passen bij deze bereiken.

iMicrofluidics; platform voor microfluidesensoren en -actuatoren

In mijn functie van Science Officer bij Bronkhorst ben ik ook betrokken bij het iMicrofluidics-project [6] in samenwerking met het NERI-initiatief van de Technische Universiteit Delft. Ons doel is het ondersteunen en versnellen van de ontwikkeling en optimalisatie van organ-on-a-chip-systemen. Dit doen we door onderzoekers te voorzien van een geïntegreerd, compact en modulair platform van microfluïdische sensoren en -actuatoren waar zij eenvoudig hun verschillende typen organ-on-a-chip op kunnen aansluiten, waarna zij de kwaliteit van de output van hun proces in real time kunnen monitoren en regelen.

Meer over iMicrofluidics

Afbeelding 2: [7] Schematische aansluiting van flow en druk controllers in de lung-on-a-chip toepassing

Picture 3: Voorlopige versie van het flow control platform met mini CORI-FLOWs

Onlangs is een voorlopige versie van het platform gebouwd [7], die bestaat uit onder meer twee Bronkhorst ML120 Coriolis massflowregelaars – om de vloeistof- en gasflow te regelen – en een IQ+PRESS-drukregelaar – om het vacuüm te regelen. Het is natuurlijk ook mogelijk om te kiezen voor een EL-FLOW Select of EL-FLOW Prestige mass flow controller voor de gasflowregeling en voor een µ-FLOW mass flow controller voor de (ultra lage) vloeistofflow.

Uit de eerste meetresultaten blijkt dat het platform goed functioneert. Bij toekomstig onderzoek zal het platform worden verbeterd en geoptimaliseerd en zal het platform worden toegepast in onderzoek naar diverse organ-on-a-chip systemen. Onder andere wetenschappers van Erasmus Medisch Centrum in Rotterdam hebben belangstelling getoond voor het gebruiken van het platform voor hun onderzoek naar lung-on-a-chip [8].

Afbeelding 3:) voorlopige eerste versie van het platform met de 2 Bronkhorst ML120’s voor gas- en vloeistof flow regeling in het boven- en onderkanaal; en het IQ+PRESS-instrument voor de drukregeling om het membraan te kunnen uitrekken

Flowregeling voor organ-on-a-chip toepassing

Wat is organ-on-a-chip?

Lung-on-a-chip systeem

Flow- en drukregeling

iMicrofluidics; platform voor microfluidesensoren en -actuatoren

Wilt u meer informatie over deze toepassing?

REFERENTIES

Klein, kleiner, kleinst: de micro-Coriolis massflowsensor

Nauwkeurigheid en herhaalbaarheid bij flowmeters