Multi-layer microdevices for advanced cell culture applications

The latest advancements in microfabrication techniques have led to the development of advanced cell culture platforms aimed at not only reducing the amounts of cells and reagents used but also at an in vitro mimicking of in vivo cellular-scale physico-chemical stimuli and conditions. The present PhD thesis was aimed at designing, developing and employing multi-layer, micron-scale devices for advanced cell culture applications. By employing standard techniques for polydimethylsiloxane (PDMS) microstructuring, microdevices were developed and employed aimed at i) applying finely controlled cyclic strain to human cardiac cells and investigating mechanisms of cardiac fibrosis disease; ii) characterizing an oxygen-control strategy to enable multi-stimulus experiments on cardiac fibroblasts subject to both mechanical strain and oxygen dynamics; iii) modeling the blood-brain barrier, with electric resistance monitoring of an endothelial layer and capability of transport studies. The present PhD thesis achieved both technical and biological novelties. With regards to technological advancements, the microdevices here described present improvements in terms of ease of use, throughput and combination of multiple stimuli. By employing these newly developed microdevices, biological insights were provided describing novel cellular responses under the application of one or multiple physiologically relevant stimuli.

Con gli ultimi avanzamenti nelle procedure di microfabbricazione si è reso possibile lo sviluppo e lo studio di piattaforme per colture cellulari alla microscala. Questa nuova generazione di dispositivi, detti microdispositivi, possiede non solo il vantaggio di ridurre sensibilmente le quantità di costosi reagenti e materiale biologico da utilizzare negli esperimenti, ma anche la capacità di implementare stimoli fisici e chimici nell'ambiente di coltura. La presente tesi di Dottorato è mirata alla progettazione, sviluppo e utilizzo di microdispositivi multi-strato per applicazioni avanzate di coltura cellulare. I microdispositivi sono realizzati assemblando diversi strati fabbricati tramite l'utilizzo di tecniche di microfabbricazione del polidimetilsilossano (PDMS) e sono stati utilizzati per i seguenti scopi: i) applicazione controllata di deformazione ciclica a fibroblasti cardiaci umani e analisi dettagliata dei meccanismi cellulari relativi alla fibrosi cardiaca. ii) caratterizzazione e utilizzo di una strategia per il controllo della concentrazione di ossigeno in un microdispositivo mirato ad applicare due stimoli (diversa concentrazione di ossigeno e deformazione ciclica) ad una coltura cellulare di cellule cardiache nell'ottica di ricostruire un ambiente patologico successivo ad un danno cardiaco. iii) modellizzazione in vitro della barriera emato-encefalica con un sistema integrato di misura elettrica per stimare la formazione di una barriera di cellule endoteliali e un substrato poroso per consentire studi di trasporto di farmaci. Gli approcci presentati hanno portato a sviluppi tecnologici e alla descrizione di nuovi fenomeni biologici. Rispetto agli sviluppi tecnici, i microdispositivi presentati mostrano dei miglioramenti generali relativi alla semplicità di utilizzo da parte di operatori non esperti, alle strategia di applicare stimoli multipli in un solo dispositivo e a strategie per aumentare il throughput dei dispositivi. Con l'utilizzo di questi dispositivi è stato possibile descrivere delle risposte cellulari importanti nella progressione di condizioni patologiche, come la fibrosi cardiaca, e le loro relazioni con gli stimoli fisici e chimici del microambiente che circonda le cellule.