Сотрудники лаборатории молекулярной физиологии оптимизировали состав микрофлюидных чипов для долгосрочного культивирования органов-на-чипе

В журнале Applied Biochemistry and Microbiology опубликована статья исследователей Лаборатории молекулярной физиологии НИУ ВШЭ и ГНЦ ИБХ РАН, посвященная оптимизации газопроницаемости полидиметилсилоксана (ПДМС) — материала, широко используемого для производства микрофлюидных чипов в системах органов-на-чипе.

Проблема газопроницаемости в микрофлюидных системах

Полидиметилсилоксан (ПДМС) давно признан оптимальным материалом для создания микрофлюидных устройств благодаря его прозрачности, биосовместимости, эластичности и биоинертности. Однако высокая газопроницаемость ПДМС создает серьезную проблему: при работе с интегрированными микронасосами сжатый воздух, необходимый для управления клапанами, проникает в каналы устройства, образуя газовые пузырьки. Эти пузырьки нарушают циркуляцию питательной среды и приводят к гибели клеток, что значительно снижает надежность и воспроизводимость экспериментов.

«Газопроницаемость ПДМС связана с гибкостью его молекулярной структуры: кремнекислородные цепи создают микрополости, через которые газ диффундирует в жидкую среду», — объясняет Иван Хаустов, ведущий автор работы. — «Для долгосрочного культивирования клеток в моделях органов-на-чипе нужно снизить эту газопроницаемость, но без потери эластичности материала и его биосовместимости».

Систематическое исследование параметров полимеризации

Исследовательская команда провела комплексное исследование влияния на газопроницаемость ПДМС двух ключевых факторов: соотношения основного компонента к отвердителю (2,5:1, 5:1 и 10:1) и температуры полимеризации (25, 75 и 125°C). В общей сложности для всех комбинаций параметров было произведено 34 микрофлюидных чипа, которые тестировались как в статических условиях, так и при работающем микронасосе.

Результаты показали неожиданный паттерн: стандартный режим полимеризации при 75°C с соотношением 10:1, рекомендованный производителем, на самом деле приводил к наиболее быстрому образованию газовых пузырьков. Напротив, отклонение температуры в любую сторону от 75°C — как вверх, так и вниз — существенно снижало газопроницаемость материала.

Оптимальные параметры для органов-на-чипе

На основании анализа всех результатов авторы выявили, что оптимальным сочетанием является соотношение 5:1 при температуре полимеризации 125°C. Эта комбинация обеспечивает:

• сниженную газопроницаемость, сопоставимую с соотношением 2,5:1
• быструю полимеризацию — всего 15 минут вместо 24 часов при комнатной температуре
• экономичный расход материалов — меньше отвердителя, чем при стандартном режиме
• сохранение эластичности материала, критически важной для работы встроенных микронасосов

Проверка безопасности для клеток

Авторы провели тесты цитотоксичности на двух клеточных линиях, моделирующих плаценту-на-чипе. Клеточная линия BeWo b30 представляет собой клетки хориокарциномы, воспроизводящие функции трофобласта, а клеточная линия EA.hy926 представляет эндотелий сосудов. Оба типа клеток культивировались с экстрактами ПДМС при различных соотношениях компонентов и температурах полимеризации.

Результаты не выявили значимых различий в жизнеспособности клеток при использовании оптимизированного состава ПДМС в сравнении с контролем. Более того, при культивировании обеих клеточных линий непосредственно в микрофлюидных чипах на оптимальных режимах полимеризации обе популяции оставались 100% конфлюентными через 7 дней без признаков стресса или апоптоза. Окрашивание жизнеспособных клеток витальным красителем CellTracker Orange показало, что клеточные монослои сохранили нормальную морфологию.

Практическое значение для органов-на-чипе

Полученные результаты имеют непосредственное приложение к разработке долгосрочных моделей органов-на-чипе. Увеличенное время образования газовых пузырьков позволяет проводить более длительные эксперименты по моделированию физиологических и патологических процессов — от изучения механизмов преэклампсии до тестирования новых лекарственных препаратов.

«Оптимизированный состав ПДМС позволяет нам культивировать клеточные модели в течение двух и более недель без прерывания экспериментов из-за технических проблем», — отметил Евгений Князев, руководитель лаборатории. — «Это критически важно для моделирования сложных процессов, требующих длительного времени для развития».

Интеграция с другими системами

Работа демонстрирует, что инженерная оптимизация в материаловедении в приложении к микрофлюидике напрямую трансформирует возможности биологических исследований. Результаты уже применяются в разработке интегрированных микрофлюидных систем, включая многокамерные установки с микронасосами и сенсорами для одновременного контроля нескольких параметров микроокружения.

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (грант 24-14-00382).