Progettazione di un sistema microfluidico per test farmacologici

The goal of this work is the development of an innovative microfluidic system able to expose a cellular population to different concentration levels of drug; the considered application is related to the therapeutic optimization for the treatment of osteoporosis because it will allow to connect different concentrations of strontium ranelate, drug used for the treatment of this pathology, to the effects on the cellular metabolism. The design makes use of analytical and computational models while the efficacy of the realized prototypes is experimentally tested with fluorescence microscopy and Micro Particle Image Velocimetry with the aim to evaluate the mixing index and the concentration levels of the considered chemical species. The project is developed in cooperation with the laboratory of cell culture and molecular biology of the Istituto Ortopedico Galeazzi located in Milan and with the Center for Materials and Microsystems of the Fondazione Bruno Kessler (FBK) located in Trento thanks to the financing of the Fondazione Caritro. In the opening chapter are analyzed structure and composition of the bony tissue and are illustrated some microfluidic devices used for the generation of concentration gradients with the related fabrication technologies. In the following chapters are accurately described the design of the device and the experimental tests carried out at the Laboratory of Biological Structure Mechanics of the Politecnico di Milano.

Il presente lavoro nasce con l’obiettivo di sviluppare un innovativo sistema microfluidico in grado di esporre una popolazione cellulare a differenti livelli di concentrazione di farmaco; l’applicazione considerata riguarda l’ottimizzazione terapeutica per il trattamento dell’osteoporosi in quanto consentirà di correlare differenti concentrazioni di stronzio ranelato, farmaco utilizzato per il trattamento di tale patologia, con gli effetti riscontrati sul metabolismo cellulare. La progettazione si avvale di modelli analitici e computazionali mentre l’efficacia dei prototipi realizzati viene testata sperimentalmente avvalendosi di tecniche di microscopia a fluorescenza e della tecnologia Micro Particle Image Velocimetry con lo scopo di valutare il grado di miscelazione ed i livelli di concentrazione delle specie chimiche considerate. Il progetto è realizzato in collaborazione con il laboratorio di colture cellulari e biologia molecolare dell’Istituto Ortopedico Galeazzi di Milano e con il Center for Materials and Microsystems della Fondazione Bruno Kessler (FBK) di Trento grazie ai finanziamenti della Fondazione Caritro. Nel capitolo iniziale vengono analizzate struttura e composizione del tessuto osseo e sono illustrati alcuni dispositivi microfluidici utilizzati per la generazione di gradienti di concentrazione con le relative tecnologie di fabbricazione. Nei capitoli successivi vengono descritti accuratamente la progettazione del dispositivo ed i test sperimentali effettuati presso il Laboratorio di Meccanica delle Strutture Biologiche del Politecnico di Milano.