Microssistema de aquecimento integrado num organ-on-a-chip

Abstract

A tecnologia organ-on-a-chip (OOC) tem atraído um amplo interesse por parte de empresas, laboratórios clínicos e de investigação, com o objetivo de desenvolver dispositivos que possuam a habilidade de replicar modelos de órgãos/tecidos humanos e culturas de organoides/células. Este sucesso beneficiou do avanço da tecnologia dos microssistemas, também conhecidos como sistemas microelectromecânicos (MEMS). Apesar de existirem diversos modelos de OOC (coração, pulmão, fígado, entre outros), estes carecem ainda de sensores e atuadores capazes de monitorizar e controlar, a longo prazo, os parâmetros microambientais (pH, temperatura, oxigénio, entre outros) e a dinâmica da resposta dos compostos farmacêuticos, assim como outros processos biotecnológicos. O objetivo desta dissertação consistiu no desenvolvimento de um sistema de aquecimento miniaturizado, que possa ser integrado num OOC de forma a mimetizar fielmente as temperaturas ótimas para o crescimento de células, tal como simular as verificadas no corpo humano (~37°C), bem como ser utilizado em terapias de hipo (~35°C) e hipertermia (~42°C). O princípio base do sistema de aquecimento escolhido para esta aplicação foi o aquecimento resistivo através do efeito de Joule. Esta escolha deveu-se à sua simplicidade, eficácia na transmissão de calor e facilidade de integração em dispositivos microfluídicos. Com o objetivo de otimizar o sistema de aquecimento, foram simulados vários layouts e os que apresentaram melhor desempenho foram fabricados. No seu fabrico foram utilizadas técnicas de deposição de filmes finos e a geometria foi padronizada por técnicas fotolitográficas e de corrosão química. O sistema de alimentação e a eletrónica de controlo e atuação de todo o sistema foi também implementada, a qual inclui o controlo Proporcional Integral e Derivativo (PID), sensores de temperatura, interface gráfica com LCD e um teclado capacitivo integrado para controlo e apresentação da temperatura do sistema. O sistema desenvolvido foi capaz de controlar rapidamente a temperatura do fluido, fornecendo calor de uma forma uniforme por toda a área de cultura do OOC e de forma ajustável (variações mínimas de 1°C).

Organ-on-a-chip (OOC) technology has attracted widespread interest from companies and clinical and research laboratories to develop devices that possess the ability to replicate human organ/tissue models and organoid/cell culture. This success has benefited from advances in microsystems technology, also known as microelectromechanical systems (MEMS). Although there are several OOC models (heart, lung, liver, among others), these still lack sensors and actuators capable of monitoring and controlling, in the long term, microenvironmental parameters (pH, temperature, oxygen, among others) and the dynamics of the response of pharmaceutical compounds, as well as many other biotechnological processes. The goal of this dissertation was to develop a miniaturized heating system that can be integrated into an OOC in order to faithfully mimic the optimal cell growth temperatures as seen in the human body (~37°C) as well as to be used in hypo (~35°C) and hyperthermia (~42°C) therapies. The basic principle of the heating system chosen for this application was resistive heating via the Joule effect. This choice was due to its simplicity, effectiveness in heat transmission, and ease of integration into microfluidic devices. In order to optimize the heating system, several layouts were simulated and the ones that presented the best performance were fabricated. Thin film deposition techniques were used in their fabrication and the geometry was standardized by photolithography and chemical corrosion techniques. The power supply system and the control and actuation electronics of the entire system were also implemented, which includes Proportional Integral and Derivative (PID) control, temperature sensors, graphical interface with LCD and an integrated capacitive keypad to control and display the system temperature. The developed system was able to quickly control the fluid temperature, delivering heat in a uniform manner throughout the OOC culture area and in an adjustable manner (minimum variations of 1°C).