Modelli per la progettazione di un circuito microfluidico per la somministrazione di farmaco, in una piattaforma high throughput per drug screening

Introduction. Microfluidics is defined as the science and technology of systems that process or manipulate small (10-9 to 10-18 litres) amounts of fluids using channels with dimensions of tens to hundreds of micrometres. At this scale fluids generally behave in nonintuitive ways because they are mainly dominated by capillarity and viscous forces, usually negligible at the macroscale. In particular, the microfluidic technology can be exploited to generate molecular gradients, that are predictable, reproducible, easily quantified and that can be incorporated into cell-based drug testing schemes to investigate the concentration-dependent cellular responses to drugs. The aim of the work. The aim of this work is to design a microfluidic circuit for drug administration aimed to be integrated into an innovative platform for high-throughput drug screening. The idea is to combine a smart well array with a microfluidic gradient generator that can produce a particular output response in terms of drug concentration. Design and analysis of the microfluidic circuit. The design of the serial dilution network is based on the implementation of the equations that describe the mixing at the microscale and the hydraulic–electric circuit analogy. The idea is that, given a dilution ratio equal to 1/2 or 1/10 , corresponding to a linear or a logarithmic dilution respectively, a serial dilution chip can be constructed via the modification of a microfluidic resistance network. The ladder network infuses downstream wells where tumoral organoids are cultured. The design of the microfluidic circuit was performed on the basis of predefined requirements regarding the fluid flow in the microfluidic network, with the ultimate aim to ensure a correct drug administration to cultured cells. This is the reason why the analytical approach was centred on the use of graphical tools to fully understand the relations among the main physical and geometrical parameters related to the fluid flow in the microfluidic network. Moreover, the use of CFD modelling allowed for the three-dimensional characterization of flow field inside the wells, that is fundamental to make predictions on the drug transfer to cultured organoids.

Introduzione La microfluidica è definita come la scienza e la tecnologia dei sistemi che processano o manipolano piccole quantità di fluidi (da 10-9 a 10-18 litri) usando canali di dimensioni da decine a centinaia di micrometri. A questa scala i fluidi si comportano generalmente in modo non intuitivo perché sono principalmente dominati dalla capillarità e dalle forze viscose, tipicamente trascurabili alla macroscala. In particolare, la tecnologia microfluidica può essere sfruttata al fine di generare gradienti molecolari prevedibili, riproducibili e facilmente quantificabili, che possono essere integrati con schemi di drug testing al fine di indagare le risposte cellulari concentrazione-dipendenti ai farmaci somministrati. Lo scopo del lavoro Questo lavoro è centrato sul design di un circuito microfluidico per la somministrazione di farmaci all’interno di una piattaforma innovativa per high-throughput drug screening. L’idea è quella di combinare un array ottimale di well con un generatore di gradiente in grado di produrre in uscita un certo output in termini di concentrazione di farmaco. Design e analisi del circuito microfluidico Il design del network di diluizione seriale è stato condotto mediante l’implementazione delle equazioni che descrivono il mixing alla microscala e l’analogia circuito idraulico-elettrico. L’idea è che, dato un rapporto di diluizione uguale a 1/2 o 1/10 , corrispondente ad una diluizione lineare e logaritmica rispettivamente, è possibile realizzare un chip di diluizione seriale modificando un network microfluidico puramente resistivo. Il ladder network garantisce la perfusione di un array di well poste a valle e preposte alla coltura di organoidi tumorali. La progettazione del circuito microfluidico è stata condotta in conformità con predefiniti requisiti progettuali relativi al flusso del fluido all’interno del network microfluidico, col fine ultimo di garantire la corretta somministrazione di farmaco alle cellule in coltura. Per questa ragione, l’approccio analitico si è centrato sull’impiego di strumenti grafici al fine di comprendere le relazioni tra i principali parametri fisici e geometrici legati al flusso del fluido all’interno della rete microfluidica. L’impiego di modelli CFD ha inoltre consentito la caratterizzazione tridimensionale del campo di moto all’interno delle well, fondamentale per fare predizioni circa il trasferimento del drug agli organoidi in coltura.