С технологической точки зрения, возможность изготовления микрофлюидных систем за несколько часов, без необходимости оборудования чистых комнат, остается очень привлекательной для исследовательских групп, начинающих заниматься микрофлюидикой. Кроме того, PDMS демонстрирует многочисленные преимущества, обусловленные присущими ему свойствами:
|
|
Преимущества PDMS для биологических исследований
PDMS обладает множеством преимуществ для биологических исследований. Некоторые из них кратко описаны ниже:
- Деформируемость PDMS позволяет легко соединять герметичные жидкостные соединения, интегрировать жидкостные клапаны через микроканалы PDMS и используется для обнаружения очень малых сил, таких как биомеханические взаимодействия клеток;
- Этот эластомер также достаточно проницаем для газа, что позволяет подавать газ для культуры клеток на чипе;
- PDMS, после сшивания, может быть покрыт слоем контролируемой толщины на подложке с помощью простого спинкоута. Это позволяет изготавливать многослойные устройства и интегрировать микроклапаны.
Недостатки PDMS
Электроды, осажденные на стекло для интеграции в микрофлюидный чип из PDMS |
|
- Кроме того, можно предположить, что неполный сетчатый PDMS мигрирует внутри канала. В связи с этим данный полимер был использован в качестве экстракционной матрицы для удаления следов органических соединений из растворов;
- Другой проблемой, возникающей при проведении экспериментов по клеточной биологии в устройствах из PDMS, является проницаемость PDMS для водяного пара, что приводит к испарению воды, содержащейся в канале, с течением времени. Этот эффект может привести к полному высыханию устройства или изменению осмолярности среды. Как правило, эту проблему можно решить с помощью сетей каналов гидратации, систем обновления среды или гигрометрически контролируемых сред. В идеале, устройства из PDMS должны быть кондиционированы за несколько часов до использования, чтобы стабилизировать гигрометрию устройства.
- PDMS чувствителен к воздействию некоторых химических веществ (см. ниже).
- PDMS — это материал, который стареет, поэтому через несколько лет механические свойства этого материала могут измениться.
Несмотря на эти ограничения, микрофлюидные устройства из PDMS широко используются для изучения клеток и, вероятно, будут использоваться все больше и больше для исследований в области клеточной биологии. Кроме того, необходимо понять влияние микромасштабной среды, чтобы интегрировать результаты, полученные в микрофлюидных устройствах, с биологическими экспериментами, полученными с помощью традиционных методов. Биологические результаты, полученные в микрофлюидных устройствах, уже представляют большой интерес для клеточной биологии, но тщательное понимание изменений условий, вызванных миниатюризацией и свойствами PDMS, приведет к лучшему пониманию этих результатов.
Существуют значительные различия в пролиферации, потреблении глюкозы, паттернах экспрессии генов и дефектах митоза между традиционными луночными планшетами и микрокультурой клеток в PDMS. Paguirigan & al использовали In-Cell western (ICW), который позволяет количественно оценить изменения экспрессии белков, чтобы показать различия в активации сигнальных путей и уровнях экспрессии белков между экспериментами в микросистемах PDMS и традиционными экспериментами in-vitro. Эти исследования также показывают значительное ингибирование пролиферации фибробластов мыши при 3-кратном увеличении потребления глюкозы. Наблюдения в PDMS микроканале показывают меньшее количество клеток, осуществляющих деление, и демонстрируют несколько различных проблем с прогрессией клеточного цикла с большим количеством остановок развития в фазе S/G2.
Возможные причины различий в поведении клеток
Одним из объяснений такого различия в поведении может быть то, что микромасштабная культура обычно увеличивает объемную плотность клеток (клеток на единицу среды) по сравнению с многостенными пластинами, что приводит к более быстрому накоплению отходов и расходу среды. Однако использование среды с более высокой концентрацией оказывает незначительное влияние на пролиферацию, что позволяет предположить, что объемная плотность не является преобладающим фактором.
Основными причинами этих различий между макро- и микромасштабными системами культуры могут быть:
- Несшитый низкомолекулярный полимер может выщелачиваться из полимера в среду, а мономер может взаимодействовать с гидрофобными частями клеточной мембраны.
- Абсорбция компонентов среды в PDMS, особенно гидрофобных молекул. Гидрофобные факторы роста или липиды из среды клеточной культуры могут мигрировать в основной объем PDMS. Эта потеря липидов, которые являются источником энергии для клеток, в PDMS может объяснить увеличение потребления глюкозы.
Одним из решений для преодоления этих проблем является проведение культуры клеток с надлежащим обновлением клеточной среды, что позволяет эвакуировать отходы и обновлять питательные вещества. Действительно, Leclerc & al показали, что в случае отсутствия смены среды концентрация глюкозы и альбумина в устройстве падает через три дня, что приводит к гибели клеток; но обновление среды приводит к постоянным концентрациям альбумина и глюкозы, и длительной жизнеспособности клеток.
Большинство представленных ранее микрофлюидных систем клеточных культур включали конвективное или диффузионное обновление среды, в зависимости от области применения. Тем не менее, этот метод может оказаться недостаточным для таких исследований, как изучение клеточных сигналов и определение дозового отклика лекарств, где решающее значение имеет точное количество молекул, поглощенных или произведенных клеткой. В этих случаях необновление среды и поглощение PDMS могут сильно исказить результаты.
Что касается газового состава среды, то поскольку PDMS проницаем для газа, этот материал обеспечивает достаточное обновление O2 путем диффузии через стенку PDMS для культуры клеток. Leclerc & al показали, что диффузия газа через стенки PDMS толщиной 200 мкм достаточна для долгосрочной культуры гепатокарциномы. Однако многие публикации, приведенные ранее в этом обзоре, описывали пролиферацию и рост клеток в течение нескольких недель. Все они использовали систему обновления среды, чтобы обеспечить надлежащий рост клеток для долгосрочных экспериментов.
Выводы
Этот обзор показал, что PDMS в биологических исследованиях и, точнее, биосовместимость PDMS имеет важное значение во многих областях современных биологических исследований, поскольку микрофлюидика и лаборатория-на-чипе являются выбором ученых для изучения влияния различных параметров, таких как скорость потока, и возникающего напряжения сдвига на рост клеток или распространение бактерий в микроканале.
Биосовместимость PDMS доказывалась на протяжении многих лет. Тем не менее, он остается очень зависимым от окружающей среды (время, влажность, температура), что может негативно сказаться на воспроизводимости эксперимента. Проведение соответствующих биологических исследований в микросистемах PDMS возможно при учете ограничений этой технологии. Потребуются дополнительные исследования, чтобы определить, какие результаты, полученные в таких микросистемах, будут пригодны для использования и в каких условиях. Вместо того чтобы пытаться исправить внутренние характеристики PDMS, такие как химический состав его поверхности, некоторые лаборатории разрабатывают и тестируют новые полимеры, которые могут обеспечить те же технологические возможности, что и PDMS, но с лучшими химическими свойствами. Для получения более подробной критической информации о PDMS как материале для микрофлюидных устройств, можно прочитать.