Fluid dynamic simulations of capillary filling of micro-featured wells for cell culture

Recently, research on oncologic therapies has shifted its focus from one-size-fits-all approaches to patient-specific cures. In tumor treatment, a similar strategy aims at developing tools and methodologies permitting to quantitatively evaluate in vitro the efficacy of a drug on a specific cancer in a single patient. The introduction of predetermined therapies is essential to limit risks related to the relevant collateral effects involved by generalized cures, frequently consequence of chemotherapy. The present thesis work is part of the Single-Cell Cancer Evolution In The Clinic project, under a joint collaboration between CRUK and AIRC Foundation, intending to develop a high-throughput microfluidic device for tumor-derived organoids culture, for drug screening purposes. In particular, an open-channel microwell system, forming one of the components of the device, is filled by capillarity with liquid Matrigel hosting dispersed organoids. This work focuses on the realization of a computational fluid dynamics model to simulate the described filling. First, micrometric features, to be integrated on the wells to maximize capillary effect and promote homogeneous filling, have been designed on CAD software. Then, with the mentioned geometrical configurations, computational model parameters have been calibrated on the specific phenomenon. To validate the model, experimental filling tests have been performed. Compared to experimental data, the developed model has returned satisfactory results for filling dynamics. The model can be employed as a tool for the optimization of capillary filling process, possibly extending its application to wider and more complex structures, or even to a partial platform architecture.

Negli ultimi anni, la ricerca sulle terapie in ambito oncologico ha spostato l’attenzione da approcci one-size-fits-all a cure patient-specific. Nel trattamento di tumori, tale strategia ha come obiettivo lo sviluppo di strumenti e metodologie che consentano di misurare in vitro l’efficacia di farmaci sulla specifica forma cancerosa nel singolo paziente. L’introduzione di terapie studiate preventivamente in laboratorio nasce dall’esigenza di ridurre il rischio legato ai notevoli effetti collaterali di cure generalizzate, frequentemente conseguenza della chemioterapia. Il presente lavoro di tesi si inserisce nel progetto Single-Cell Cancer Evolution In The Clinic, promosso dalla collaborazione tra CRUK e Fondazione AIRC, che mira a sviluppare un dispositivo microfluidico di tipo high-throughput per la coltura di organoidi tumorali, al fine di effettuare test di screening farmacologico. In particolare, un sistema di micro-pozzetti a pelo libero, costituente una delle componenti del dispositivo, viene riempito per capillarità con Matrigel allo stato liquido, nel quale sono dispersi gli organoidi. L’elaborato si concentra sulla realizzazione di un modello di fluidodinamica computazionale capace di simulare tale riempimento. Inizialmente sono state disegnate su CAD features micrometriche da integrare nei pozzetti per massimizzare l’effetto di capillarità e promuovere un riempimento omogeneo del pozzetto. Inoltre, con le suddette configurazioni geometriche, il modello computazionale è stato calibrato sul fenomeno in tutti i suoi parametri. Allo scopo di validare il modello, sono stati effettuati test sperimentali di riempimento. Il modello sviluppato ha fornito risultati soddisfacenti per quanto concerne la dinamica di riempimento a confronto con i dati sperimentali. Il modello può essere impiegato come strumento per l’ottimizzazione del riempimento per capillarità, venendo esteso in futuro a strutture più ampie e complesse, se non a un’architettura parziale di piattaforma.