توسعه پلتفرم‌های “ارگان-روی-تراشه” (Organ-on-a-chip) و مدل‌های پیشرفته سلولی، نیازمند محیط‌های قابل کنترلی است که بتوانند پارامترهای زیستی واقعی را بازآفرینی کنند. یکی از چالش‌های کلیدی، توزیع یکنواخت مواد مغذی و دفع مواد زائد متابولیک در چنین محیط‌هایی است. سیستم‌های میکروسیالاتی، با هندسه‌های کانال بسیار دقیق و کنترل دبی و فشار در سطح نانولیتر، این امکان را می‌دهند تا محیطی فیزیولوژیکی با کیفیت بالا برای کشت سلولی و مدل‌سازی بیماری فراهم گردد.
طراحی کانال‌های میکروسیالی برای شبیه‌سازی جریان میان‌بافتی و خون
1.معیارهای طراحی:
ابعاد کانال: معمولاً بین 10 تا 200 میکرومتر برای تقلید مویرگ‌ها و عروق کوچک
هندسه کانال: اشکال T، Y یا شبکه‌ای برای افزایش توزیع سیال
جنس ماده: PDMS (پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان) به دلیل زیست‌سازگاری و قابلیت قالب‌گیری آسان
کاربرد عملی:
با استفاده از کانال‌های منشعب با زاویه‌های کنترل‌شده، می‌توان جریان‌هایی ایجاد کرد که نه‌تنها بافت‌ها را تغذیه می‌کنند، بلکه فشار اعمالی روی سلول‌ها را نیز به شکل طبیعی بازآفرینی می‌کنند. طراحی بهینه کانال‌ها می‌تواند شبیه جریان خون پالس‌دار در شریان‌ها یا جریان آرام میان‌بافتی در ماتریکس خارج‌سلولی باشد.
مدل‌سازی CFD (Computational Fluid Dynamics) برای بررسی سرعت جریان، نرخ برش (shear rate) و الگوهای توزیع مواد
نرخ انتقال جرم: وابسته به عدد Peclet و نسبت‌های دبی در ورودی‌ها
نتایج مطالعات:
مطالعات منتشر شده در Lab on a Chip و Journal of Micromechanics and Microengineering نشان می‌دهند که استفاده از الگوهای شاخه‌ای در طراحی کانال‌ها منجر به یکنواختی غلظت اکسیژن و گلوکز در محیط کشت می‌شود. کانال‌هایی که به شکل درختی طراحی شده‌اند (شبیه به آرتریول‌ها) توزیع بسیار بهتری از مواد فراهم می‌کنند.
دفع مؤثر مواد زائد: نقش جریان متناوب و جابه‌جایی فعال
مواد زائد مانند لاکتات و آمونیاک می‌توانند منجر به تغییر pH و سمیت سلولی شوند. از این رو، طراحی سیستم‌هایی که جریان دائمی (یا سیکلی) داشته باشند اهمیت ویژه‌ای دارد.
راهکارها:
استفاده از جریان برگشتی (recirculation) برای حفظ تعادل محیطی
میکروپمپ‌های پنوماتیک یا پیزوالکتریک برای تنظیم دبی خروجی
طراحی خروجی‌های multiple-outlet برای هدایت زباله‌های متابولیک به مخازن خاص
۴. کنترل فشار و دبی جریان برای تقلید شرایط فیزیولوژیکی
ابزارهای کنترلی:
میکروپمپ‌ها: شامل پمپ‌های پنوماتیک، الکترواسموتیک و پیزوالکتریک
سنسورها: سنسورهای فشار و دبی نانویی جهت فیدبک بلادرنگ (real-time feedback)
کنترل‌کننده‌های بسته (closed-loop) جهت پایش خودکار شرایط محیط
تقلید شرایط زیستی:
با استفاده از پمپ‌های پالس‌دار می‌توان پترن‌های جریان مشابه با ضربان قلب ایجاد کرد. همچنین با تنظیم فشار‌های بین 5 تا 20 mmHg شرایط طبیعی مایع میان‌بافتی نیز قابل بازآفرینی است.
با پیشرفت سریع در طراحی، مواد جدید و سنسورهای یکپارچه، سیستم‌های میکروسیالاتی آینده می‌توانند شبیه‌ترین شرایط ممکن به بدن انسان را در مقیاس تراشه فراهم کنند.
کاربردهای این سیستم‌ها از مدل‌سازی سرطان تا تست‌های دارویی شخصی‌سازی‌شده و پیوندهای مصنوعی توسعه می‌یابد.
References :
1.https://innoten.ir/میکروسیالات-چیست؟/
2.https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0958166913006794
3.https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3829894/