3D printed openfluidic device for hanging drop formation

This thesis presents the concept and applications of open microfluidic hanging-drop platforms for the culture and analysis of 3D microtissues an emerging in vitro cell culture model. The motivation of this work was to bridge the gap between advances in 3D cell cultures and the commonly used cell culture platforms, which are designed prevalently for static and 2D cell cultures, and to demonstrate the potential of dedicated 3D cell culture platforms in providing suitable and reliable experimental conditions. Hanging drops are used for the scaffold-free formation and culture of spherical 3D microtissues. These microtissues are easy to handle and feature many organotypic tissue functions, which renders them a suitable in vitro model system for both, basic research, and pharmaceutical industry. Despite the biological relevance and advantages of these microtissue model systems, the lack of optimized platforms for culturing and analysis still limits the widespread use and application of 3D microtissues in biomedical testing and pharmaceutical compound screening. Microfabrication techniques offer a great toolbox to build next-generation cell culturing and analysis systems. The combination of microfluidics to realize physiologically-relevant culture conditions and microfabricated device enables the realization of integrated systems cancer research applications. This thesis presents the fabrication, working principle and operation of open microfluidic hangingdrop networks for the culturing and analysis of 3D microtissues. In future our microfluidic system appeared as a promising in-vitro platform for drug screening and cell interaction investigations.

Questa tesi presenta il concetto e le applicazioni di piattaforme microfluidiche aperte per la coltura e l'analisi di microtessuti 3D, un modello di coltura cellulare in vitro emergente. La motivazione di questo lavoro era colmare il divario tra i progressi nelle colture cellulari 3D e le piattaforme di coltura cellulare comunemente utilizzate, progettate prevalentemente per colture cellulari statiche e 2D, e dimostrare il potenziale delle piattaforme di coltura cellulare 3D dedicate nel fornire adeguate e condizioni sperimentali affidabili. Le gocce sospese vengono utilizzate per la formazione e la coltura senza scaffold di microtessuti 3D sferici. Questi microtessuti sono facili da maneggiare e presentano molte funzioni organotipiche dei tessuti, il che li rende un sistema modello in vitro adatto sia per la ricerca di base che per l'industria farmaceutica. Nonostante la rilevanza biologica e i vantaggi di questi sistemi modello di microtessuto, la mancanza di piattaforme ottimizzate per la coltura e l'analisi limita ancora l'uso diffuso e l'applicazione di microtessuti 3D nei test biomedici e nello screening di composti farmaceutici. Le tecniche di microfabbricazione offrono una grande cassetta degli attrezzi per costruire sistemi di analisi e coltura cellulare di nuova generazione. La combinazione di microfluidica per realizzare condizioni di coltura fisiologicamente rilevanti e dispositivo microfabbricato consente la realizzazione di applicazioni di ricerca sul cancro a sistemi integrati. Questa tesi presenta la fabbricazione, il principio di funzionamento e il funzionamento di reti microfluidiche aperte per la coltura e l'analisi di microtessuti 3D. In futuro il nostro sistema microfluidico è apparso come una promettente piattaforma in vitro per lo screening dei farmaci e le indagini sull'interazione cellulare.