Bronkhorst

Régulation de débit pour l'application Organ-on-a-chip

30 mars 2021 Joost Lötters

En tant que conseiller scientifique chez Bronkhorst, je suis toujours à la recherche de domaines d'application émergents pour les systèmes de régulation de débit. Professeur à temps partiel dans le domaine de la microfluidique à l'Université de Twente et à l'Université de Technologie de Delft, je suis impliqué dans le développement de débitmètres et de régulateurs miniaturisés pour les micro-débits. Dans cet article, je souhaite partager avec vous ma vision du rôle de la régulation du débit dans les applications « organ-on-a-chip ».

La technologie organ-on-a-chip peut jouer un rôle important dans la recherche de nouvelles méthodes de traitement biomédicales [1]. La régulation du débit de gaz, du débit liquide [2] et de la pression sont 3 facteurs importants à prendre en compte lorsque vous travaillez sur ce type d’application. Je l'expliquerai plus en détail dans cet article.

Joost Lotters about flow control for organ-on-a-chip application

Qu'est-ce que la technologie organ-on-a-chip ?

Un organ-on-a-chip peut être décrit comme un petit composant microfluidique sur lequel des cellules humaines vivantes d'un organe spécifique sont greffées. Le développement de systèmes organ-on-a-chip est plutôt connu dans le domaine de la recherche biomédicale, elle permet d'explorer de nouvelles méthodes de traitement. 

Il existe de nombreux exemples d'applications organ-on-a-chip. Dans cet article, je parlerai plus particulièrement de l'application lung-on-a-chip (poumon sur puce) qui a récemment été utilisée dans la recherche sur la COVID-19 : des modèles minuscules de poumons ont été créés pour comprendre comment la COVID-19 envahit le corps humain et fait ses dégâts [3].

Système lung-on-a-chip

Le premier système lung-on-a-chip a été présenté en 2010 par D. Huh et al. [4] et en 2013, le même groupe a présenté un article mis à jour [5]. Nous reproduisons certaines expériences présentées dans leur article de 2013, voir la figure 1 [5]. Les cellules pulmonaires sur la puce sont cultivées sur des membranes flexibles qui sont une imitation réaliste des alvéoles pulmonaires.

Principe lung-on-a-chip
Image 1 : Puce microfluidique, reproduite d'après [5].

En appliquant des différences de pression sur les chambres latérales, les alvéoles artificielles peuvent se dilater, imitant de la sorte le processus de respiration. Un écoulement de liquide par le canal inférieur et de gaz, par le canal supérieur, permettent de simuler respectivement la circulation du sang et de l'oxygène. 

Image 1 : Une puce microfluidique adaptée pour le développement de cultures de cellules lung-on-a-chip, avec un canal supérieur utilisé pour le flux d'air, un canal inférieur utilisé pour le liquide et des chambres latérales pour appliquer des pressions différentes.
En bas de l'image, une dilatation mécanique des cellules pulmonaires lorsqu'un vide est appliqué dans les chambres latérales.

 

Régulation du débit et de la pression

La régulation du débit de gaz, du débit liquide et de la pression sont 3 fonctionnalités importantes à prendre en compte lorsque vous travaillez avec les applications lung-on-a-chip : 

  • Régulation de la pression, où le vide (dépression) peut être appliqué sur les chambres latérales pour imiter la dilatation des cellules pulmonaires lors de la respiration ; la plage de pression est de -100 ... -600 mbarg (par rapport à la pression atmosphérique)
  • Régulation du débit de gaz, où le flux d'air est utilisé pour alimenter en oxygène les cellules pulmonaires ; la plage de débit est de 1 - 20 mln/min. d'air
  • Régulation du débit liquide, où les liquides, comme le sang et les éléments nutritifs, peuvent être fournies aux cellules pulmonaires, et où la circulation sanguine peut être reproduite ; la plage de débit est alors de 1 à 50 µl/min.

    Bronkhorst propose une gamme étendue de régulateur de débit et de pression qui conviennent parfaitement pour ces conditions d’utilisation.

iMicrofluidics - Capteur microfluidique & montage d'actionneurs

En tant que conseiller scientifique chez Bronkhorst, je suis également impliqué dans le projet iMicrofluidics [6] avec l'initiative NERI de l'Université de Technologie de Delft. Notre objectif est de soutenir et d'accélérer le développement et l'optimisation des systèmes organ-on-a-chip. En fournissant aux chercheurs un capteur microfluidique modulaire, compact et intégré ainsi qu’un ensemble d'actionneurs sur lesquels ils peuvent facilement connecter leurs différents types d'organes sur puce, cela permettra de monitorer et de contrôler en temps réel la qualité de la production de leur procédé.

A propos de iMicrofluidics
Installation d'un régulateur de débit sur application lung-on-a-chip
Image 2 : [7] Conception d'un montage de régulation de pression et de débit microfluidique pour l'application lung-on-a-chip de la figure 1
Installation de régulation de débit iMicrofluidics
Image 3 : Version initiale de l’installation de régulation avec les mini CORI-FLOW ML120

Un prototype de l’installation a été fabriqué récemment [7] et comprend notamment deux régulateurs de débit massique Coriolis ML120 de Bronkhorst – pour réguler le débit liquide et le débit de gaz – et un régulateur de pression IQ+PRESS – pour réguler le vide. Il serait également possible de réguler le débit de gaz avec un régulateur de débit massique thermique de la série EL-FLOW Select ou EL-FLOW Prestige et le débit de liquide avec un régulateur de débit liquide pour les très faibles débits de la série µ-FLOW.

Les premiers résultats des mesures montrent les bonnes performances de l’installation. Les recherches futures impliqueront une amélioration et une optimisation de l’installation et le déploiement de ce procédé dans la recherche organ-on-a-chip. Des scientifiques du Centre médical Erasmus de Rotterdam ont notamment exprimé leur intérêt pour l'utilisation de ce montage pour leurs recherches sur l'application lungs-on-a-chip [8].

Image 3 :  Version initiale de l’installation avec les 2 instruments mini CORI-FLOW ML120 pour réguler le débit du fluide dans le canal supérieur et le canal inférieur et un IQ+PRESS de Bronkhorst pour réguler la pression pour dilater la membrane.

Vous souhaitez en savoir plus au sujet de cette application ?

Actualités Organ-on-a-chip Demande d'information


BRONKHORST (SCHWEIZ) AG

Gewerbestrasse 7
4147 Aesch BL (CH)
Tel. +41 61 715 90 70
[email protected]

     
Copyright © 2021 Bronkhorst. All rights reserved.     Sitemap     Disclaimer     Privacy note