Technical validation and improvement of a microphysiological device: towards enhanced performances and higher throughput

The drug development process is long and complex, as numerous tests are required to verify their safety and efficacy. However, only a small percentage of the tested substances make it to clinical trials and ultimately gain approval for commercialization, consequently increasing costs. The preclinical phase, crucial for drug safety evaluation, is currently limited by the use of reductionist in vitro and animal models. In this context, the True Tissue on Platform (TToP) project proposes a microphysiological device to replicate the physiological microenvironment and achieve more predictive results. Developed at the µbsLab of the Politecnico di Milano, it consists of a bicompartimental module for cell cultures under static conditions, that can be integrated into a dynamic module for hydrodynamic conditioning of the biological sample. This thesis work aims to technically validate the entire device, overall improving its performance. The challenges addressed include the need to verify the long-term performance of the static module and to enhance production and experimental scalability. Regarding the dynamic module, the main issues involve limited hydraulic seal of the static system housing resulting in bubbles formation, instability of flow at low rates in the hydraulic circuit and leaks at the housing of integrated pumps. The strategy adopted consists in analyzing each problem individually and proposing a solution validated through specific tests; all modifications are then integrated into a new microphysiological device, with improved performance. Technical validation of the static module confirmed its functionality over extended periods; furthermore, a new miniaturized design was developed to reduce production times and costs, increasing the number of devices used in the same experiment. By modifying one of the materials used, the issue regarding the seal of the static housing was resolved in the dynamic module; addressing the design of the hydraulic circuit and pump housing also solved the problem of irregular flow and losses. The final device is designed to re-organise space for introducing modified components, with dimensions compatible with standard laboratory equipment. Its rapid production makes it highly suitable for meeting the needs of research groups in laboratory settings. Lastly, it is extremely user-friendly and, thanks to its modular feature, easily adaptable to different experimental conditions.

Il processo di sviluppo di farmaci è lungo e complesso, dato che numerosi test sono necessari per verificarne la sicurezza e l’efficacia. Tuttavia, solo una piccola percentuale delle sostanze testate arriva agli studi clinici e ottiene infine l’approvazione per la commercializzazione, aumentando di conseguenza i costi. La fase preclinica, cruciale per la valutazione della sicurezza dei farmaci, è attualmente limitata dall’uso di modelli in vitro e animali eccessivamente riduttivi. In questo contesto, il progetto True Tissue on Platform (TToP) propone un dispositivo microfisiologico per replicare il microambiente fisiologico e ottenere risultati più predittivi. Sviluppato presso il µbsLab del Politecnico di Milano, si compone di un modulo bicompartimentale per le colture cellulari in condizioni statiche, integrabile a sua volta in un modulo dinamico per il condizionamento idrodinamico del campione biologico. Il presente lavoro di tesi ha l’obiettivo di validare dal punto di vista tecnico l’intero dispositivo, migliorandone complessivamente le prestazioni. Le criticità affrontate riguardano la necessità di verificare le prestazioni del modulo statico a lungo termine e di migliorarne la produzione e la numerosità sperimentale. Per quanto riguarda il modulo dinamico, le problematiche principali sono la scarsa tenuta idraulica dell’alloggio del sistema statico con conseguente formazione di bolle, l’instabilità del flusso a basse portate nel circuito idraulico e le perdite a livello dell’alloggio delle pompe integrate. La strategia adottata consiste nell’analizzare ogni problema singolarmente e proporre una soluzione che viene poi validata con test appositi: tutte le modifiche sono state poi integrate in un nuovo dispositivo microfisiologico, con prestazioni migliorate. La validazione tecnica del modulo statico ne ha confermato la funzionalità per un tempo prolungato; è stato, inoltre, sviluppato un nuovo design miniaturizzato che consente di abbattere i tempi ed i costi di produzione, aumentando il numero di dispositivi utilizzati nello stesso esperimento. Nel modulo dinamico, modificando uno dei materiali utilizzati, è stato risolto il problema relativo alla tenuta dell’alloggio statico; intervenendo sul design del circuito idraulico e dell’alloggio delle pompe, sono stati risolti anche il problema del flusso irregolare e delle perdite. Il dispositivo finale è realizzato con l’obiettivo di riorganizzare gli spazi per introdurre le componenti modificate, avendo dimensioni compatibili con la strumentazione standard di laboratorio. La rapida produzione lo rende assolutamente adatto a soddisfare le esigenze di gruppi di ricerca in ambito laboratoriale. Infine, è estremamente semplice da utilizzare e, grazie alla caratteristica di modularità, è facilmente adattabile a diverse condizioni sperimentali.