Optimizing vessel-on-a-chip fabrication methods for improved modeling of vascular diseases

Vessel-on-a-Chip (VoC) platforms provide physiologically relevant models to study vascular biology and disease mechanisms in vitro. This thesis focuses on optimizing the fabrication of a complex high-fidelity VoC model, improving lumen uniformity, perfusability, and reproducibility. A microfluidic device was designed to create a 3D cylindrical lumen within a collagen I hydrogel using an acupuncture needle, 160 µm in diameter, as a sacrificial template. Three hydrogel chamber geometries (hexagonal, rhomboidal, circular) were compared. The circular chamber minimized air bubble formation and gel detachment, leading to 71% perfusable lumens, compared to 43% of hexagonal and 33% rhomboidal. Polymerization conditions were optimized, improving lumen stability and formation success rate. A motorized extraction system was developed to replace manual needle removal. Statistical analysis showed that automated extraction significantly reduced lumen diameter variability (p < 0.05), while maintaining a similar mean diameter (about 170 µm). Compared to manual extraction, the automated system reduced hydrogel detachment and improved lumen integrity. For validation, human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) were seeded into the fabricated lumens. Cells adhered and displayed initial signs of endothelialization of the lumen, although further optimization is required to maintain endothelial coverage over time. These findings contribute to the standardization of VoC fabrication, enabling more reliable in vitro microvascular models for disease research and drug testing.

Le piattaforme Vessel-on-a-Chip (VoC) forniscono modelli fisiologicamente rilevanti per studiare la biologia vascolare e i meccanismi delle malattie in vitro. Questa tesi si concentra sull’ottimizzazione della fabbricazione di un modello VoC complesso e ad alta fedeltà, migliorando l’uniformità del lume, la perfondibilità e la riproducibilità. È stato progettato un dispositivo microfluidico per creare un lume cilindrico 3D all’interno di un idrogel di collagene di tipo I, utilizzando un ago da agopuntura di 160 µm di diametro come stampo. Sono state confrontate tre geometrie della camera contenente l’idrogel (esagonale, romboidale, circolare). La camera circolare ha minimizzato la formazione di bolle d’aria e il distacco del gel, portando al 71% di lumi perfondibili, rispetto al 43% di quelli esagonali e al 33% di quelli romboidali. Le condizioni di polimerizzazione sono state ottimizzate, migliorando la stabilità del lume e il tasso di successo nella sua formazione. È stato sviluppato un sistema di estrazione motorizzato per sostituire la rimozione manuale dell’ago. L’analisi statistica ha mostrato che l’estrazione automatizzata ha ridotto significativamente la variabilità del diametro del lume (p < 0.05), mantenendo un diametro medio simile (circa 170 µm). Rispetto all’estrazione manuale, il sistema automatizzato ha ridotto il distacco dell’idrogel e migliorato l’integrità del lume. Per validazione, cellule endoteliali della vena ombelicale umana (HUVEC) sono state seminate nei lumi fabbricati. Le cellule hanno aderito e mostrato i primi segni di endotelizzazione del lume, sebbene sia necessaria un’ulteriore ottimizzazione per mantenere la copertura endoteliale nel tempo. Questi risultati contribuiscono alla standardizzazione della fabbricazione dei VoC, consentendo modelli microvascolari in vitro più affidabili per la ricerca sulle malattie e i test farmacologici.