Design of an on-chip hierarchical model of the microvasculature

The goal of this work is to allow the microvascular network (MVN) connection between two different gel compartments in a new design organ on chip (OOC) geometry, reproducing the microcirculation elements and their geometrical characteristics: arterioles, capillaries and venules. This goal allows the realization of experiments about the tumoral environment, observing metastasis consequences in the microcirculation in vitro replication. Because of this we have the possibility to realize studies, for example about the pharmacokinetics treatments against cancer diseases. In addition, the chip geometry has been realized with the possibility to impose a pressure gradient in the MVN, mimicking physiological pressure conditions and reproducing fluid advection phenomena inside the chip geometry channels. A computational representation has been realized to validate the model and perform studies on the diffusion of the main solutes contained in the cell media. Moreover, simulations about pressure gradient impositions and velocity trends in the chip have been carried out considering if the gel is present inside the chip geometry or not. Finally, a chip-pump validation test has been conducted to find data correlation to the computational simulation without the gel compartment, showing also that the chip geometry could be perfused. The work of this thesis can be a potential starting point for future OOC implementations that allow the formation of connections in the MVN between different gel compartments, improving possible metastasis studies in the human microcirculation.

L’obiettivo di questo lavoro, é permettere la connessione tra due due diversi compartimenti di gel del network microvascolare (MVN) in una nuova geometria di un OOC, riproducendo gli elementi della microcircolazione e le loro caratteristiche geometriche: arteriole, capillari e venule. Questo obiettivo può permettere l’implementazione di esperimenti nell’ambient tumorale, osservando la conseguenza delle metastasi nella microcircolazione riprodotta in vitro. Grazie a questo, sono possibili studi inerenti alla farmacocinetica contro la malattia tumorale. Inoltre, la geometria del chip è stata realizzata con la possibilità ti imporre un gradiente pressorio nel MVN, riproducendo le pressioni in condizioni fisiologiche e i fenomeni avvettivi all’interno dei canali del chip. Un modello computazionale è stato realizzato per validare il modello e per condurre studi di diffusione dei soluti principali dei mezzi di coltura cellulari. In più, è stata realizzata una simulazione con un’imposizione di un gradiente di pressione e studio dell’andamento della velocità nel chip, nei casi di simulazione del gel e, senza, all’interno del chip. Infine, una prova di con una pompa è stata effettuata per trovare la correlazione tra i dati ottenuti dalla simulazione computazionale senza la presenza del gel all’'interno, mostrando inolte la perfondibilità del chip. Il lavoro di questa tesi può essere un potenziale punto di partenza per l’implementazione di futuri OOC che permettono la formazione di connessioni nel MVN tra differenti compartimenti di gel, possibilmente aumentando il numero di studi sulle metastasi nella microcircolazione umana.