This paper is based on work supported by the National Health Research Institutes (NHRI) in Taiwan under the Innovative Research Grant (IRG) (EX105-10523EI), the Taiwan Ministry of Science and Technology (MOST 103-2221-E-001-001-MY2, 104-2221-E-001-015-MY3, 105-2221-E-001-002-MY2), the Academia Sinica Thematic Project (AS-105-TP-A06), and the Research Program in Nanoscience and Nanotechnology. The authors would like to thank Ms. Rachel A. Lucas for proofreading the manuscript.

<ol>
	<li>Phillips, J. E., Burns, K. L., Le Doux, J. M., Guldberg, R. E., Garc&#237;a, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Engineering+graded+tissue+interfaces.">Engineering graded tissue interfaces.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 105 (34), 12170-12175 (2008).</li><li>Wang, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+signaling+mechanisms+underlying+polarity+and+chemotaxis.">The signaling mechanisms underlying polarity and chemotaxis.</a> Cold Spring Harb. Perspect Biol. 1 (4), 1-16 (2009).</li><li>Oh, S. H., Ward, C. L., Atala, A., Yoo, J. J., Harrison, B. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Oxygen+generating+scaffolds+for+enhancing+engineering+tissue+survival.">Oxygen generating scaffolds for enhancing engineering tissue survival.</a> Biomaterials. 30 (5), 757-762 (2009).</li><li>Decaris, M. L., Lee, C. I., Yoder, M. C., Tarantal, A. F., Leach, J. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+the+oxygen+microenvironment+on+the+proangiogenic+potential+of+human+endothelial+colony+forming+cells.">Influence of the oxygen microenvironment on the proangiogenic potential of human endothelial colony forming cells.</a> Angiogenesis. 12, 303-311 (2009).</li><li>Chung, B. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Human+neural+stem+cell+growth+and+differentiation+in+a+gradient-generating+microfluidic+device.">Human neural stem cell growth and differentiation in a gradient-generating microfluidic device.</a> Lab Chip. 5 (4), 401-406 (2005).</li><li>Harris, A. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hypoxia+-+a+key+regulatory+factor+in+tumor+growth.">Hypoxia - a key regulatory factor in tumor growth.</a> Nat. Rev. Cancer. 2 (1), 38-47 (2002).</li><li>Allen, J. W., Bhatia, S. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Formation+of+steady-state+oxygen+gradients+in+vitro:+application+to+liver+zonation.">Formation of steady-state oxygen gradients in vitro: application to liver zonation.</a> Biotechnol. Bioeng. 82 (3), 253-262 (2003).</li><li>McCord, A. M., Jamal, M., Shankavaram, U. T., Lang, F. F., Camphausen, K., Tofilon, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physiologic+oxygen+concentration+enhances+the+stem-like+properties+of+CD133++human+glioblastoma+cells+in+vitro.">Physiologic oxygen concentration enhances the stem-like properties of CD133+ human glioblastoma cells in vitro.</a> Mol. Cancer Res. 7 (4), 489-497 (2009).</li><li>Lo, J. F., Sinkala, E., Eddington, D. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Oxygen+gradients+for+open+well+cellular+cultures+via+microfluidic+substrates.">Oxygen gradients for open well cellular cultures via microfluidic substrates.</a> Lab Chip. 10 (18), 2394-2401 (2010).</li><li>Chang, C. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+polydimethylsiloxane-polycarbonate+hybrid+microfluidic+device+capable+of+generating+perpendicular+chemical+and+oxygen+gradients+for+cell+culture+studies.">A polydimethylsiloxane-polycarbonate hybrid microfluidic device capable of generating perpendicular chemical and oxygen gradients for cell culture studies.</a> Lab Chip. 14 (19), 3762-3772 (2014).</li><li>Chen, Y. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Generation+of+oxygen+gradients+in+microfluidic+devices+for+cell+culture+using+spatially+confined+chemical+reactions.">Generation of oxygen gradients in microfluidic devices for cell culture using spatially confined chemical reactions.</a> Lab Chip. 11 (21), 3626-3633 (2011).</li><li>Peng, C. C., Liao, W. H., Chen, Y. H., Wu, C. Y., Tung, Y. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+microfluidic+cell+culture+array+with+various+oxygen+tensions.">A microfluidic cell culture array with various oxygen tensions.</a> Lab Chip. 13 (16), 3239-3245 (2013).</li><li>Xia, Y., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Soft+Lithography.">Soft Lithography.</a> Ann. Rev. Mate. Sci. 28, 153-184 (1998).</li><li>Friend, J., Yeo, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+microfluidic+devices+using+polydimethylsiloxane.">Fabrication of microfluidic devices using polydimethylsiloxane.</a> Biomicrofluidics. 4 (2), 026502 (2010).</li><li>Cordelières, F. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Manual Tracking. , (2005).</li><li>Asano, Y., Horn, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Instructions Chemotaxis and Migration Tool 2.0. , (2013).</li><li>Chen, Y. H., Peng, C. C., Cheng, Y. J., Wu, J. G., Tung, Y. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Generation+of+nitric+oxide+gradients+in+microfluidic+devices+for+cell+culture+using+spatially+controlled+chemical+reactions.">Generation of nitric oxide gradients in microfluidic devices for cell culture using spatially controlled chemical reactions.</a> Biomicrofluidics. 7 (6), 064104 (2013).</li></ol>

החוקרים מצהירים כי אין להם אינטרסים כלכליים מתחרים.

השלבים הקריטיים ביותר לפברק את PDMS מכשיר microfluidic עם סרט דק PC משובץ: (1) גירוש כל הבועות בעת הכנסת סרט PC לתוך PDMS מראש פולימר תוך בודה את שכבת PDMS-PC העליונה (2) ולוודא כל PDMS ריפוי תהליכים מבוצעים על משטח אופקי מפולס היטב. בניסויי נדידת תאים, השלבים הקריטיים ביותר הם: (1) ביטול הבועות בתוך המכשיר microfluidic, צינורות, משאבות מזרק במהלך הניסויים; (2) על מנת להבטיח כי המכשיר microfluidic מושם על משטח אופקי מפולס היטב במהלך ההדמיה תא חי עבור תצפית נדידת תאים; ו (3) שמירה על מכשיר לחות על ידי הוספת DDH 2 O כדי בצלחת פטרי במהלך הניסויים ולוודא כי המים לא התייבש. כדי לפברק את PDMS-PC ההיברידי microfluidic המכשיר בהצלחה ללא delamination, חשוב להסיר את כל הבועות במהלך fi PCכניסת lm. סרט PC יכול להיות מוכנס לאט מזווית (כ -15 עד 30 מעלות מן PDMS שטח מראש פולימר) כדי למנוע דור בועות במהלך ההחדרה של סרט PC לתוך PDMS מראש הפולימר. במידת צורך, הפולימר מראש PDMS כולו עם סרט PC המוטבע יכול להיות ממוקם בתוך תא הייבוש מחובר משאבת הוואקום במשך 10 דקות כדי להרחיק את בועות לכודים. אם הסרט PC צף למעלה לאחר תהליך ואקום, קצה פיפטה ניתן להשתמש כדי ללחוץ על הסרט PC למטה על שכבת PDMS נרפא. חזור על תהליכי הוואקום ולחץ במידת צורך. עבור ניסויי התא, חוסר בועות אוויר הוא קריטי עבור תרבית תאי microfluidic. יש לוודא שאין בועות אוויר מוכנסי התקנת microfluidic כולו (כולל משאבות מזרק, צינורות, ואת מכשיר microfluidic) בעת ביצוע חיבורים. אם בועות אוויר נוצרות בתוך ההתקנה microfluidic כתוצאה מהירידה של מסיסות גז תחת הטמפרטורה הגבוהה של experiments בתוך האינקובטור, כל הרכיבים הניסוי (כולל מזרקים צינורות) ריאגנטים (כולל את מדיום הגידול, pyrogallol, ו NaOH) ניתן להציב לתוך החממה מראש (לפחות 20 דקות לפני השימוש) שמטרתן לצמצם את השוני הטמפרטורה . מזרק משאבות לעתים קרובות לייצר חום מהפעלת המנועים בתוך המשאבות. זה בדרך כלל מקובל לפעול משאבות מזרק בתוך חממות; עם זאת, לעשות לבדוק את הטמפרטורה בחממה במהלך הניסויים. אם הטמפרטורה מרוממת במהלך הניסויים, נהלי קירור נוספים צריכות להתבצע. כמה שיטות קירור ריאליות יכולות להיות מועסקות, כגון הצבת קופסא הקרח לתוך החממה, צמצום מספר משאבות מזרק להציב בתוך האינקובטור, או באמצעות באינקובטור עם מערכת קירור כוח. מכשיר תרבית תאי microfluidic PDMS-המחשב שפותח במאמר זה הוא מסוגל לייצר הדרגתי כימי וחמצן בניצב מהימן FOמחקרי נדידת תאי r. המגבלה של המכשיר שפותח היא כי פרופילי שיפוע חמצן שנוצרו תלוי האיזון בין שטף חמצן, מונע על ידי הדחת תגובה כימית, ודיפוזיה חמצן מאטמוספרת הסביבה, דרך המכשיר, ועל המדיום. כתוצאה מכך, את פרופילי שיפוע חמצן לא ניתן לשלוט באופן שרירותי בתוך המכשיר. בהשוואה לפלטפורמות תרבית תאי microfluidic קיימים, המכשיר שפותח במאמר זה הוא הראשון מסוגל לבצע מחקרי תרבית תאים תחת שילובים של הדרגתיים כימיים וחמצן. המכשיר כולו יכול להיות מפוברק באמצעות תהליך הדפוס העתק ליתוגרפיה הרך הקונבנציונלי, ללא יישור מייגע ומכשור יקר. ההדרגתיים ניתן לדמות מספרי ומאופיין ניסיוני לספק תנאי microenvironment דמוי פיסיולוגיים יותר ללימודי תאים במבחנה. באמצעות שיטת תגובה הכימית מוגבלת מרחבית עם סרט PC בתור די גזמחסום ffusion, שיפוע החמצן יכול להיוצר ללא שימוש בלוני גז דחוסים ויחידות בקרת זרימת גז מתוחכמות. בנוסף, תוכנית ההתקנה דורשת רק כמויות קטנות של כימיקלים (פחות מ -10 מ&quot;ל ליום) כדי לשמור על הדרגתיים חמצן. מאז מתח שליטת חמצן מוגבלת מקומית סביב ערוץ microfluidic, ואינה להפריע את ריכוז חמצן הסביבה, ההתקנה כולו יכולה להיות ממוקמת בתוך תרבית תאי חממה קונבנציונלית ללא טמפרטורה נוספת, לחות, ומכשור בקרה 2 CO. כתוצאה מכך, המכשיר שפותח יש פוטנציאל גדול לשמש כמעט במעבדות ביולוגיות. בשל מגבלות טכניות, התנהגויות הסלולר תחת מתחי חמצן נחקרו לעתים רחוקות בספרות הקיימת. בעזרת המכשיר שפותח במאמר זה, תרבית תאים תחת הדרגתיים חמצן יכולה להתבצע באופן קליל שמקדם מחקרי תא מאוד תחת הדרגתיים חמצן. Furthermore, עיקרון פעולה דומה ניתן ליישם כדי ליצור הדרגתיים גזי אחרים רלוונטיים מבחינה פיזיולוגית, כמו פחמן דו חמצני ותחמוצת חנקן, על תרבית תאים במבחנה במחקרי 17. יכולות אלו מראות כי מכשיר microfluidic PDMS-PC מראה פוטנציאל גדול עבור יישומי תרבית תאים שונים, כוללים בדיקות סמים ובחלוקה של תאי מבחני הגירה, לקדם במחקרי תרבית תאים במבחנה.

ההתפלגות המרחבית של גורמים מסיסים מתח החמצן יכול לווסת מספר תפקודים תאיים חשובים in vivo 1, 2, 3, 4. כדי לחדד לחקור את השפיעו על תאים, פלטפורמת תרבית תאים במבחנה מסוגלת לייצר ביציבות הדרגתית כימי וחמצן היא מאוד רצויה. גורמים מסיסים שונים ממלאים תפקידים מרכזיים פעילויות ביולוגיות ולהשפיע התנהגות הסלולר. לאחרונה, בשל לקידום טכניקות microfluidic, מספר מכשירי microfluidic מסוגלים הדרגתיים כימי ליצירה ביציבות פותח כדי ללמוד תא גירה 5. יתר על כן, מספר מחקרים הראו גם את הצורך של מתח חמצן עבור בתרביות תאים במבחנה 6, 7, 8. למרות זאת,השליטה של ​​מתח חמצן עבור תרבית תאים בעיקר מסתמכת על כן כימי ישירים עבור חממות הדחה או תא חמצן עם בלוני גז בלחץ. בנוסף כימי ישיר משנה את תרבית תאים בינוניים ומשפיע על התגובות הסלולר. חממות מלאות חמצן דורשות עיצוב חממה מיוחד, בקרת זרימת גז מדויקת, כמויות גדולות של גז חנקן על מנת להשיג תנאים היפוקסיה. יתר על כן, הוא מעשי לשלוט הפריסה המרחבית של חמצן באמצעות התקנה זו, אשר מפגרת במחקר התנהגות הסלולר תחת מתחים והדרגות חמצן שונים. כדי להתגבר על המגבלות האלה, מספר מכשירי microfluidic פותח כדי ליצור הדרגתיים חמצן עבור יישומי תרבית תאים 9. עם זאת, רובם מופעלים באמצעות גזים בלחץ, והדבר עלול לגרום לבעיות אידוי בועה הדור. לכן, לעתים קרובות הם דורשים מכשור מתוחכם ולא יכול להיות אמין עבור studie תרבית תאים לטווח ארוךים. כדי להתגבר על האתגרים ולהמשיך ללמוד את יחסי הגומלין בין הדרגתיים כימיים וחמצן עבור נדידת תאים, פיתחנו מכשיר תרבית תאים microfluidic עשוי polydimethylsiloxane (PDMS) עם פוליקרבונט מוטבע (PC) סרט דק 10. המכשיר מורכב משתי שכבות ערוץ microfluidic מופרדים על ידי קרום PDMS. השכבה העליונה היא שכבת PDMS-PC עבור דור שיפוע חמצן; השכבה בתחתית עשויה PDMS עבור דור שיפוע כימי תרבית תאים. המכשיר יכול בו זמנית לייצר הדרגתי כימית וחמצן בניצב ללא שימוש בלוני גז ומערכות בקרת זרימה מתוחכמות. במכשיר, PDMS מספק שקיפות אופטית גדולה, חדירות גז, תאימות ביולוגית לתרבות הדמיה תא. סרט PC מוטבע משמש כמחסום דיפוזיה גז לבקרת מתח חמצן יעיל. באפיק microfluidic, השתמשנו בסדרה של ערוץ בצורת עקלתוןים כדי ליצור הדרגתיים כימיים. העיצוב נוצל בצורה רחבה כדי ליצור הדרגתיים כימי מכשירי microfluidic עבור יישומים שונים בשל האמינות שלה ועל הגדרת ניסוי קלה. יתר על כן, את פרופילי השיפוע הכימי יכולים להיות מתוכנן על ידי שינוי גיאומטריות הערוץ מראש עם סימולציה נומרית. עבור דור שיפוע חמצן, לקחנו את היתרון של שיטת התגובה הכימית המוגבלת מרחבית אשר פותחה בעבר במעבדה שלנו 10, 11, 12. החמצן ניתן שנלקח מן השטחים המיועדים בלי הקאת חנקן. לשימוש מעשי במעבדות ביולוגיות, הגדרת הניסוי כולו תואמת חממות תרבית תאים קונבנציונליות. על ידי שילוב שיטות אלה, אנחנו יכולים בו זמנית לייצר הדרגתיים כימיים וחמצן יציב ללא בלוני גז בצובר מכשור מתוחכם כדי ללמוד נדידת תאים.

<table><tbody><tr><td>1 ml Syringe</td><td>Becton-Dickinson, Franklin Lakes, NJ</td><td>302104</td><td></td></tr><tr><td>1.5 ml Microcentrifuge Tube</td><td>Smartgene</td><td>6011-000</td><td></td></tr><tr><td>10 ml Syringe</td><td>Becton-Dickinson, Franklin Lakes, NJ</td><td>302151</td><td></td></tr><tr><td>15 ml Centrifuge Tube</td><td>ThermoFisher Scientific,Waltham, MA</td><td>Falcon 352096</td><td></td></tr><tr><td>150 mm Petri dish</td><td>Dogger Science</td><td>DP-43151</td><td></td></tr><tr><td>1H,1H,2H,2H-Perfluorooctyltrichlorosilane</td><td>Alfa Aesar, Ward Hill, MA</td><td>78560-45-9</td><td></td></tr><tr><td>3 ml Syringe</td><td>Becton-Dickinson, Franklin Lakes, NJ</td><td>302118</td><td></td></tr><tr><td>4&#039;&#039; Silicon Dummy Wafer</td><td>Wollemi Technical, Taoyuan, Taiwan</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Acetone</td><td>ECHO Chemical, Miaoli, Taiwan</td><td>AH3102-000000-72EC</td><td></td></tr><tr><td>AG Double Expose Mask Aligner</td><td>M&amp;amp;R Nano Technology, Taoyuan, Taiwan</td><td>AG500-4D-D-V-S-H</td><td></td></tr><tr><td>Antibiotic-Antimyotic solution</td><td>ThermoFisher Scientific,Waltham, MA</td><td>GIBCO 15240-062</td><td></td></tr><tr><td>Biopsy punch</td><td>Miltex, Plainsboro, NJ</td><td>33-31</td><td></td></tr><tr><td>Blunt needle</td><td>JensenGlobal, Santa Barbara, CA</td><td>Gauge 14</td><td></td></tr><tr><td>Bright-Line Hemocytometer</td><td>Sigma-Aldrich, St. Louis, MO</td><td>Z359629</td><td>for cell counting</td></tr><tr><td>Buffered Oxide Etch</td><td>ECHO Chemical, Miaoli, Taiwan</td><td>PH3101-000000-72EC</td><td></td></tr><tr><td>Cell Culture Incubator</td><td>Caron, Marietta, OH</td><td>6016-1</td><td></td></tr><tr><td>COMSOL Multiphysics</td><td>COMSOL, Burlington, MA</td><td>Ver. 4.3b</td><td>for numerical simulation of chemical gradients in the device</td></tr><tr><td>D-PBS</td><td>ThermoFisher Scientific,Waltham, MA</td><td>GIBCO 14190-144</td><td></td></tr><tr><td>Desicattor</td><td>A-VAC Industries, Anaheim, CA</td><td>35.10001.01</td><td></td></tr><tr><td>DMEM/F12+GlutaMax-1</td><td>ThermoFisher Scientific,Waltham, MA</td><td>GIBCO 10565-018</td><td></td></tr><tr><td>Fetal Bovine Serum</td><td>ThermoFisher Scientific,Waltham, MA</td><td>GIBCO 10082</td><td></td></tr><tr><td>Fibronectin from Human Plasma</td><td>Sigma-Aldrich, St. Louis, MO</td><td>F2006</td><td></td></tr><tr><td>Inverted Fluorescence Microscope</td><td>Leica Microsystems, Wetzlar, Germany</td><td>DMIL LED</td><td></td></tr><tr><td>Isopropyl Alcohol (IPA)</td><td>ECHO Chemical, Miaoli, Taiwan</td><td>CMOS112-00000-72EC</td><td></td></tr><tr><td>JuLi Smart Fluorescence Cell Imager</td><td>NanoEnTek, Seoul, Korea</td><td>DBJ01B</td><td></td></tr><tr><td>Mechanical Convention Oven</td><td>ThermoFisher Scientific,Waltham, MA</td><td>Lindberg Blue M MO1450C</td><td></td></tr><tr><td>NaOH</td><td>Showa Chemical Industry, Tokyo, Japan</td><td>1943-0150</td><td></td></tr><tr><td>Plasma tretment system</td><td>Nordson MARCH, Concord CA</td><td>PX-250</td><td>for oxygen plasma surface treatment</td></tr><tr><td>Polycarbonate (PC) film</td><td>Quantum Beam Technologies, Tainan Taiwan</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Polydimehtylsiloxane (PDMS)</td><td>Dow Corning, Midland, MI</td><td>SYLGARD 184</td><td></td></tr><tr><td>Pyrogallol</td><td>Alfa Aesar, Ward Hill, MA</td><td>A13405</td><td></td></tr><tr><td>Removable Adhesive Putty</td><td>3M</td><td>860</td><td></td></tr><tr><td>Sorvall Legend Mach 1.6R Tabletop Centrifuge</td><td>ThermoFisher Scientific,Waltham, MA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Spin Coater</td><td>ELS Technology, Hsinchu, Taiwan</td><td>ELS 306MA</td><td></td></tr><tr><td>SU-8 2050</td><td>MicroChem, Westborough, MA</td><td>SU-8 2050</td><td></td></tr><tr><td>SU-8 Developer</td><td>MicroChem, Westborough, MA</td><td>Y020100</td><td></td></tr><tr><td>Surgical blade</td><td>Feather, Osaka, Japan</td><td>5005093</td><td>for PDMS cutting</td></tr><tr><td>Syringe Pump</td><td>Chemyx, Houston, TX</td><td>Fusion 400</td><td></td></tr><tr><td>T75 Cell Culture Flask</td><td>ThermoFisher Scientific,Waltham, MA</td><td>Nunc 156367</td><td></td></tr><tr><td>Trypan Blue Solution, 0.4%</td><td>ThermoFisher Scientific,Waltham, MA</td><td>15250061</td><td></td></tr><tr><td>Trypsin-EDTA</td><td>ThermoFisher Scientific,Waltham, MA</td><td>GIBCO 25200</td><td></td></tr><tr><td>Tygon PTFE Tubing</td><td>Saint-Gobain Performance Plastics, Akron, OH</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Tygon Tubing</td><td>Saint-Gobain Performance Plastics, Akron, OH</td><td>621</td><td></td></tr></tbody></table>

polydimethylsiloxane-polycarbonate microfluidic devices for cell migration studies under perpendicular chemical and oxygen gradients

מאמר זה מדווח על המכשיר microfluidic עשוי polydimethylsiloxane (PDMS) עם פוליקרבונט מוטבע (PC) סרט דק ללמוד נדידת תאים תחת שילובים של הדרגתיים כימיים וחמצן. שני מילויים הכימיים וחמצן יכולים להשפיע נדידת תאים מאוד in vivo; עם זאת, עקב מגבלות טכניות, מעט מאוד מחקר שבוצע לחקור התופעות שלהם במבחנה. המכשיר שפותח במחקר זה מנצל סדרה של תעלות בצורה מתפתלות כדי ליצור ההדרגתיים הכימי הרצויה ומנצל שיטת תגובה הכימית מוגבלת מרחבית עבור דור שיפוע חמצן. הכיוונים של הדרגתיים הכימיים וחמצן הם ניצבים זה לזה כדי לאפשר פרשנות תוצאת הגירה פשוטה. על מנת לייצר הדרגתיים החמצן ביעילות עם צריכה כימית מינימאלית, הסרט הדק PC המשובץ מנוצל כמחסום דיפוזיה גז. מכשיר microfluidic פתחניתן ומונע משאבה מזרק והניח לתוך תא חממה קונבנציונלית במהלך ניסויי נדידת תאים כדי לאפשר פישוט התקנה ותנאי תרבית תאים מותאמים. בניסויי תא, השתמשנו במכשיר ללמוד הגירות של תאי אפיתל בסיס המכתשית אדם adenocarcinomic, A549, תחת שילובים הכמוקין (גורם תאים שמקורם סטרומה, SDF-1α) והדרגות חמצן. תוצאות הניסוי הראו כי המכשיר יכול ליצור הדרגתיים chemokine וחמצן בניצב ביציבות והוא תואם עם תאים. תוצאות המחקר מצביעות על כך הגירה הדרגתית חמצן עשוי לשחק תפקיד חיוני המנחה נדידת תאים, והתנהגות הסלולר תחת שילובים של הדרגתיים לא ניתן לחזות מאלה תחת הדרגתיים יחידים. המכשיר מספק כלי רב עצמה ומעשית לחוקרים ללמוד אינטראקציות בין הדרגתיים הכימיים חמצן תרבית תאים, אשר יכול לקדם מחקרי נדידת תאים טובים יותר in vivo-כמו microenvironments.

PDMS-PC מפוברק מכשיר תרבית תאים microfluidic היברידית. תאנה. 1 מציג תמונה להמחשה בלבד של מכשיר microfluidic. השכבה התחתונה מכילה ארבע רמות של תעלות בצורה מתפתלות כדי לייצר פתרונות מ ריאגנטים הציג שני פתחי כניסה מופרדים עם שישה יחסי ערבוב שונים. באופן תיאורטי, את ששת יחסי ערבוב שונים 1: 0, 4: 1, 3: 2, 2: 3, 1: 4, ו -0: 1 (משמאל: מימין) בין שני הפתרונות הציג פתחי הכניסה. ההדרגתיים הכימי נבנה על ידי ששת פתרונות ערבוב היחס השונים יכול להיות שנוצר בתא תרבית תאים, ממוקם במורד זרם. השכבות העליונות ותחתונות מופרדות על ידי קרום PDMS. בשכבה העליונה, ריאגנטים עבור התגובה הכימית הדחת החמצן מוכנסים ערוץ microfluidic משתי צריכת אוויר נפרדת. ריאגנטים מעורבבים זה בזה על התגובה מיד לפני זורם על גבי תא תרבית תאים כדיscavenge החמצן מהערוץ התחתון, ללא קשר כימי ישיר. סרט PC המוטבע, עם מקדם דיפוזיה גז קטן יותר בהשוואת PDMS, משמש כמחסום דיפוזיה שגורם הדחת חמצן יעילה יותר. חמצן בהדרגה מפזר בחזרה לתא תרבית תאים באמצעות PDMS באזור במורד הזרם כדי ליצור שיפוע חמצן לאורך כיוון הזרימה. מאז התגובה הכימית הדחת חמצן מוגבלת מרחבית, מתחי חמצן מקומיים בלבד מושפעים. כתוצאה מכך, המכשיר יכול להיות מנוצל תא חממה קונבנציונלית ללא שינוי מתח החמצן הגלובלי שלה. בניסויי ההגירה, תאים הם זורעים בתוך חדר תרבית תאים לצורך ההשגחה. מדיום הצמיחה ריאגנטים כימי פוגשים את המכשיר באמצעות משאבות מזרק עם ספיקות לשלוט באופן מדויק. אפיון של הדרגתיים כימיים וחמצן שנוצר בתוך המכשיר. בשל tהוא למינרית לזרום אופי מיקרופלואידיקה, התנהגויות זרימת ניתן לחזות באמצעות דינמיקה fluidic חישובית סימולציה (CFD). במאמר זה, בנינו מודל 3D ובצעו הסימולציה באמצעות תוכנת מודלי multiphysics זמינה מסחרי. תאנה. 2 (א) מציג השוואה בין פרופילי ריכוז והעמסת מאופיין ניסיוני לרוחב חדר תרבית תאים בהתבסס על מדידות עוצמת קרינה ואת תוצאות הסימולציה נומרית. ההסכם בין תוצאות סימולציה והניסיוניות עולה כי מודל CFD יכול גם להעריך את הדרגתיים הכימיים שנוצרו בתוך המכשיר. תאנה. 2 (ב) מגרש שיפוע SDF-1α המדומה שנוצר בתא תרבית תאים. תאנה. 3 מציגים את תוצאות אפיון שיפוע חמצן על ידי זורם לצבוע קרינה רגישה-חמצן בתוך תא תרבית תאים לפני ניסויי התא. התוצאה מעידה כי gradi חמצןאף אוזן גרון, החל בערך 1 ל -16%, ניתן לקבוע באמצעות הפרוטוקול הנ&quot;ל. תוצאות נדידת תאים. כמו הפגנה, ביצענו מחקרים נדידת תאים A549 מתחת לגיל 4 שילובים הכמוקין (-1α SDF) והדרגות חמצן: (1) לא chemokine ולא הדרגתיים חמצן כביקורת, (2) עם שיפוע chemokine וללא שיפוע חמצן, (3) עם שיפוע חמצן וללא שיפוע chemokine, ו- (4) עם שני chemokine והדרגות חמצן. תאנה. 4 מראה את התמונה של הגדרת הניסוי כולו. הניסויים כל בוצעו בתוך תרבית תאי חממה קונבנציונלית עם ההתקנה כולה (כולל מכשירי microfluidic, משאבות מזרק, ומיקרוסקופי הדמית תא חיים) להציב בתוכו. תוצאות נדידת תאים מוצגות בתרשים. 5. תאנה. 5 (א) מציג את התמונות שנאספו במהלך הניסויים באמצעות הדמיה תא חי ana<html> Lyzer, ו איור. 5 (ב) ו- (ג) מגרשים מסלולי נדידת תאים ותנועות ממוצעים לפי ארבעה שילובים ונותחו על ידי תוכנת ImageJ עם התוספים. התוצאות מראות כי מרחק נדידת תאים הממוצע בבקרה שואף לאפס, אשר טוענת תנועה אקראית של התאים בניסוי. לעומת זאת, עם שיפוע chemokine בלבד, התנועה הממוצעת של התאים הוא פונה לצד השמאלי, שבו הריכוז-1α SDF גבוה. התוצאות מצביעות על התנהגות chemotaxis SDF-1α של תאי A549, אשר דווח בעבר. בניסוי עם מילויי חמצן בלבד, התנועה הממוצעת של התאים היא כלפי מעלה, שבו מתח החמצן נמוך. עוד מעניין, בניסוי עם מילויי chemokine וחמצן בניצב, התנועה הממוצעת של התאים היא כלפי מעלה ללא כל תנועה ברורה בכיוון האופקי (כיוון שיפוע chemokine). together.within-page = &quot;1&quot;&gt; <img alt="איור 2" src="/files/ftp_upload/55292/55292fig1.jpg" /> איור 1: התקן תרבית תאים microfluidic מפוברק PDMS-PC. (א) צילום הניסיון של המכשיר המפוברק מסוגל לייצר הדרגתי כימית וחמצן בניצב מהימן ללימודי נדידת תאים. ערוץ השיפוע הכימי מלא צבעי מאכל כחולים וצהובים כדי להדגים את דור השיפוע בתוך חדר תרבית תאים. ערוץ שיפוע החמצן מלא צבע מאכל אדום. הבר קנה המידה הוא 1 ס&quot;מ. (ב) סכמטי של המכשיר microfluidic. השכבה העליונה היא מפוברקת באמצעות PDMS עם שכבת PC מוטבעת כמחסום דיפוזיה גז לבקרת שיפוע חמצן יעיל בתוך חדר תרבית תאים. (ג) תבניות ההורים עבור הייצור של שכבות העליונות ותחתונות. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55292/55292fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי</a>לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. <img alt="איור 2" src="/files/ftp_upload/55292/55292fig2.jpg" /> איור 2: שיפוע כימי בתוך המכשיר סלולארי התרבות microfluidic. (א) מדומה מספרי ניסיוני מאופיין מפל ריכוזים והעמסה בתוך חדר תרבית תאים לרוחב חדר תרבית תאים (בכיוון Y). הדמיון בין הדרגתיים נמדדו המדומים בניסוי עולה כי הסימולציה יכולה גם לחזות את השיפוע הכימי. הבלעת האיור מציגה את המודל תלת-ממדי (3D) שנבנה הסימולציה. (ב) תוצאת סימולציה נומרית של שיפוע chemokine-1α SDF לרוחב חדר תרבית תאים ללימודי נדידת תאים. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55292/55292fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג</a>גרסה גדולה יותר של דמות זו. <img alt="איור 3" src="/files/ftp_upload/55292/55292fig3.jpg" /> איור 3: שיפוע חמצן בתוך מכשיר תרבית תאי microfluidic. ניסיוני נמדד הדרגתי חמצן בתוך תא תרבית תאים לאורך כיוון הזרימה. ההדרגתיים נאמדו באמצעות צבע פלואורסצנטי ניתוח תמונה רגיש-חמצן. הדרגתיים, משמאל לימין של החדר, מאופיינים, ואת התוצאות מראות פרופילים שיפוע עקבי לרוחב של החדר. <img alt="איור 4" src="/files/ftp_upload/55292/55292fig4.jpg" /> איור 4: תמונות של הגדרת הניסוי. ההתקנה כולה, כולל מכשירי microfluidic, משאבות מזרק, ו מיקרוסקופ הדמית תא חי, ממוקמת בתוך תרבית תאי חממה קונבנציונלית עבור אופטימיזציהתנאי תרבית תאים במהלך הניסויים. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55292/55292fig4large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 5" src="/files/ftp_upload/55292/55292fig5.jpg" /> איור 5: נדידת תאים תוצאות המחקר תחת הדרגתיים SDF-1α וחמצן בניצב. (א) תמונות שנתפסו לפני ואחרי מחקר נדידת תאי 12 שעות. שבילי נדידת תאים ניתן לנתח מתמונות הזמן שפקע שנתפסו באמצעות מיקרוסקופ הדמית תא החי. (ב) שבילי נדידת תאים ותנועת ההגירה הממוצעת נתחה מן התמונות שנתפסו תחת 4 שילובי שיפוע שונים: אין שיפוע, שיפוע chemokine בלבד, שיפוע חמצן בלבד, ושניהם הדרגתיים chemokine וחמצן. התמונות נתפסו כל 15 דק &#39;. סרגל הסולם הוא 250 מיקרומטר. (ג) מגרשים של מרחקי נדידת תאים הממוצעים (שיפוע חמצן) בניצב ואופקי (שיפוע chemokine) הוראות לפי ארבעה שילובי שיפוע שונים. הנתונים באים לידי ביטוי כממוצע ± סטיית תקן, המתקבל שלושה סטים ניסיוני עצמאי, ו -10 תאים נותחו בכל ניסוי. הסטטיסטיות משמעותי השונות (מבחן t המזווג, p &lt;0.01) התוצאות מיועדות על ידי אותיות שונות (A ו- B). <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55292/55292fig5large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Polydimethylsiloxane-polycarbonate Microfluidic Devices for Cell Migration Studies Under Perpendicular Chemical and Oxygen Gradients at JoVE.com

Polydimethylsiloxane-polycarbonate Microfluidic Devices for Cell Migration Studies Under Perpendicular Chemical and Oxygen Gradients

The control of chemical and oxygen gradients is essential for cell cultures. This paper reports a polydimethylsiloxane-polycarbonate (PDMS-PC) microfluidic device capable of reliably generating combinations of chemical and oxygen gradients for cell migration studies, which can be practically utilized in biological labs without sophisticated instrumentation.

Polydimethylsiloxane-פוליקרבונט התקני microfluidic הכימי בניצב תחת מחקרי נדידת תאים והדרגות חמצן

This paper reports a microfluidic device made of polydimethylsiloxane (PDMS) with an embedded polycarbonate (PC) thin film to study cell migration under ...

polydimethylsiloxane-polycarbonate-microfluidic-devices-for-cell

Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Bioengineering

14.1K Views.  Academia Sinica. The control of chemical and oxygen gradients is essential for cell cultures. This paper reports a polydimethylsiloxane-polycarbonate (PDMS-PC) microfluidic device capable of reliably generating combinations of chemical and oxygen gradients for cell migration studies, which can be practically utilized in biological labs without sophisticated instrumentation.

Video: Polydimethylsiloxane-polycarbonate Microfluidic Devices for Cell Migration Studies Under Perpendicular Chemical and Oxygen Gradients

A Microfluidic Device with Groove Patterns for Studying Cellular Behavior

We describe a microfluidic device with microgrooved patterns for studying cellular behavior. This microfluidic platform consists of a top fluidic channel and a bottom microgrooved substrate. To fabricate the microgrooved channels, a top poly(dimethylsiloxane) (PDMS) mold containing the impression of the microfluidic channels was aligned and bonded to a microgrooved substrate. Using this device, mouse fibroblast cells were immobilized and patterned within microgrooved substrates (25, 50, 75, and 100 &mu;m wide). To study apoptosis in a microfluidic device, media containing hydrogen peroxide, Annexin V, and propidium iodide was perfused into the fluidic channel for 2 hours. We found that cells exposed to the oxidative stress became apoptotic. These apoptotic cells were confirmed by Annexin V that bound to phosphatidylserine at the outer leaflet of the plasma membrane during the apoptosis process. Using this microfluidic device with microgrooved patterns, the apoptosis process was observed in real-time and analyzed by using an inverted microscope containing an incubation chamber (37&deg;C, 5% CO2). Therefore, this microfluidic device incorporated with microgrooved substrates could be useful for studying the cellular behavior and performing high-throughput drug screening.

We describe a protocol for the fabrication of microfluidic devices that can enable cell capture and culture. In this approach patterned microstructures such as grooves within microfluidic channels are used to create low shear stress regions within which cell can dock.

מכשיר microfluidic עם דפוסי Groove לחקר התנהגות נייד

We describe a microfluidic device with microgrooved patterns for studying cellular behavior.  This microfluidic platform consists of a top fluidic channel ...

Biology

A Gradient-generating Microfluidic Device for Cell Biology

 The fabrication and operation of a gradient-generating microfluidic device for studying cellular behavior is described.  A microfluidic platform is an enabling experimental tool, because it can precisely manipulate fluid flows, enable high-throughput experiments, and generate stable soluble concentration gradients.  Compared to conventional gradient generators, poly(dimethylsiloxane) (PDMS)-based  microfluidic devices can generate stable concentration gradients of growth factors with well-defined profiles.  Here, we developed simple gradient-generating microfluidic devices with three separate inlets.  Three microchannels combined into one microchannel to generate concentration gradients.  The stability and shape of growth factor gradients were confirmed by fluorescein isothyiocyanate (FITC)-dextran with a molecular weight similar to epidermal growth factor (EGF).  Using this microfluidic device, we demonstrated that fibroblasts exposed to concentration gradients of EGF migrated toward higher concentrations.  The directional orientation of cell migration and motility of migrating cells were quantitatively assessed by cell tracking analysis.  Thus, this gradient-generating microfluidic device might be useful for studying and analyzing the behavior of migrating cells.

We describe a protocol for the microfabrication of the gradient-generating microfluidic device that can generate spatial and temporal gradients in well-defined microenvironment. In this approach, the gradient-generating microfluidic device can be used to study directed cell migration, embryogenesis, wound healing, and cancer metastasis.

התקן Gradient מניבות Microfluidic עבור ביולוגיה של התא

 The fabrication and operation of a gradient-generating microfluidic device for studying cellular behavior is described.  A microfluidic platform is an ...

Evaluation of Cancer Stem Cell Migration Using Compartmentalizing Microfluidic Devices and Live Cell Imaging

In the last 40 years, the United States invested over 200 billion dollars on cancer research, resulting in only a 5% decrease in death rate. A major obstacle for improving patient outcomes is the poor understanding of mechanisms underlying cellular migration associated with aggressive cancer cell invasion, metastasis and therapeutic resistance1. Glioblastoma Multiforme (GBM), the most prevalent primary malignant adult brain tumor2, exemplifies this difficulty. Despite standard surgery, radiation and chemotherapies, patient median survival is only fifteen months, due to aggressive GBM infiltration into adjacent brain and rapid cancer recurrence2. The interactions of aberrant cell migratory mechanisms and the tumor microenvironment likely differentiate cancer from normal cells3. Therefore, improving therapeutic approaches for GBM require a better understanding of cancer cell migration mechanisms. Recent work suggests that a small subpopulation of cells within GBM, the brain tumor stem cell (BTSC), may be responsible for therapeutic resistance and recurrence. Mechanisms underlying BTSC migratory capacity are only starting to be characterized1,4.
Due to a limitation in visual inspection and geometrical manipulation, conventional migration assays5 are restricted to quantifying overall cell populations. In contrast, microfluidic devices permit single cell analysis because of compatibility with modern microscopy and control over micro-environment6-9.
We present a method for detailed characterization of BTSC migration using compartmentalizing microfluidic devices. These PDMS-made devices cast the tissue culture environment into three connected compartments: seeding chamber, receiving chamber and bridging microchannels. We tailored the device such that both chambers hold sufficient media to support viable BTSC for 4-5 days without media exchange. Highly mobile BTSCs initially introduced into the seeding chamber are isolated after migration though bridging microchannels to the parallel receiving chamber. This migration simulates cancer cellular spread through the interstitial spaces of the brain. The phase live images of cell morphology during migration are recorded over several days. Highly migratory BTSC can therefore be isolated, recultured, and analyzed further. 
Compartmentalizing microfluidics can be a versatile platform to study the migratory behavior of BTSCs and other cancer stem cells. By combining gradient generators, fluid handling, micro-electrodes and other microfluidic modules, these devices can also be used for drug screening and disease diagnosis6. Isolation of an aggressive subpopulation of migratory cells will enable studies of underlying molecular mechanisms.

A compartmentalizing microfluidic device for investigating cancer stem cell migration is described. This novel platform creates a viable cellular microenvironment and enables microscopic visualization of live cell locomotion. Highly motile cancer cells are isolated to study molecular mechanisms of aggressive infiltration, potentially leading to more effective future therapies.

הערכה של נדידת תאי גזע סרטני באמצעות מכשירי microfluidic מידור והדמית תא חייה

In the last 40 years, the United States invested over 200 billion dollars on cancer research, resulting in only a 5% decrease in death rate. A major ...

Medicine

Creating Adhesive and Soluble Gradients for Imaging Cell Migration with Fluorescence Microscopy

Cells can sense and migrate towards higher concentrations of adhesive cues such as the glycoproteins of the extracellular matrix and soluble cues such as growth factors. Here, we outline a method to create opposing gradients of adhesive and soluble cues in a microfluidic chamber, which is compatible with live cell imaging. A copolymer of poly-L-lysine and polyethylene glycol (PLL-PEG) is employed to passivate glass coverslips and prevent non-specific adsorption of biomolecules and cells. Next, microcontact printing or dip pen lithography are used to create tracks of streptavidin on the passivated surfaces to serve as anchoring points for the biotinylated peptide arginine-glycine-aspartic acid (RGD) as the adhesive cue. A microfluidic device is placed onto the modified surface and used to create the gradient of adhesive cues (100% RGD to 0% RGD) on the streptavidin tracks. Finally, the same microfluidic device is used to create a gradient of a chemoattractant such as fetal bovine serum (FBS), as the soluble cue in the opposite direction of the gradient of adhesive cues.

A method for the assembly of adhesive and soluble gradients in a microscopy chamber for live cell migration studies is described. The engineered environment combines antifouling surfaces and adhesive tracks with solution gradients and therefore allows one to determine the relative importance of guidance cues.

יצירת Gradients הדבק והמסיס לנדידת תאי דימות באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי

Cells can sense and migrate towards higher concentrations of adhesive cues such as the glycoproteins of the extracellular matrix and soluble cues such as ...

Study of Cell Migration in Microfabricated Channels

The method described here allows the study of cell migration under confinement in one dimension. It is based on the use of microfabricated channels, which impose a polarized phenotype to cells by physical constraints. Once inside channels, cells have only two possibilities: move forward or backward. This simplified migration in which directionality is restricted facilitates the automatic tracking of cells and the extraction of quantitative parameters to describe cell movement. These parameters include cell velocity, changes in direction, and pauses during motion. Microchannels are also compatible with the use of fluorescent markers and are therefore suitable to study localization of intracellular organelles and structures during cell migration at high resolution. Finally, the surface of the channels can be functionalized with different substrates, allowing the control of the adhesive properties of the channels or the study of haptotaxis. In summary, the system here described is intended to analyze the migration of large cell numbers in conditions in which both the geometry and the biochemical nature of the environment are controlled, facilitating the normalization and reproducibility of independent experiments.

A quantitative method to study spontaneous migration of cells in a one-dimensional confined microenvironment is described. This method takes advantage of microfabricated channels and can be used to study migration of large number of cells under different conditions in single experiments.

חקר נדידת תאים בערוצי Microfabricated

The method described here allows the study of cell migration under confinement in one dimension. It is based on the use of microfabricated channels, which ...

A Microfluidic Technique to Probe Cell Deformability

Here we detail the design, fabrication, and use of a microfluidic device to evaluate the deformability of a large number of individual cells in an efficient manner. Typically, data for ~102 cells can be acquired within a 1 hr experiment. An automated image analysis program enables efficient post-experiment analysis of image data, enabling processing to be complete within a few hours. Our device geometry is unique in that cells must deform through a series of micron-scale constrictions, thereby enabling the initial deformation and time-dependent relaxation of individual cells to be assayed. The applicability of this method to human promyelocytic leukemia (HL-60) cells is demonstrated. Driving cells to deform through micron-scale constrictions using pressure-driven flow, we observe that human promyelocytic (HL-60) cells momentarily occlude the first constriction for a median time of 9.3 msec before passaging more quickly through the subsequent constrictions with a median transit time of 4.0 msec per constriction. By contrast, all-trans retinoic acid-treated (neutrophil-type) HL-60 cells occlude the first constriction for only 4.3 msec before passaging through the subsequent constrictions with a median transit time of 3.3 msec. This method can provide insight into the viscoelastic nature of cells, and ultimately reveal the molecular origins of this behavior.

We demonstrate a microfluidics-based assay to measure the timescale for cells to transit through a sequence of micron-scale constrictions.

טכניקת Microfluidic לחקור deformability הסלולרי

Here we detail the design, fabrication, and use of a microfluidic device to evaluate the deformability of a large number of individual cells in an ...

Designing Microfluidic Devices for Studying Cellular Responses Under Single or Coexisting Chemical/Electrical/Shear Stress Stimuli

Microfluidic devices are capable of creating a precise and controllable cellular micro-environment of pH, temperature, salt concentration, and other physical or chemical stimuli. They have been commonly used for in vitro cell studies by providing in vivo like surroundings. Especially, how cells response to chemical gradients, electrical fields, and shear stresses has drawn many interests since these phenomena are important in understanding cellular properties and functions. These microfluidic chips can be made of glass substrates, silicon wafers, polydimethylsiloxane (PDMS) polymers, polymethylmethacrylate (PMMA) substrates, or polyethyleneterephthalate (PET) substrates. Out of these materials, PMMA substrates are cheap and can be easily processed using laser ablation and writing. Although a few microfluidic devices have been designed and fabricated for generating multiple, coexisting chemical and electrical stimuli, none of them was considered efficient enough in reducing experimental repeats, particular for screening purposes. In this report, we describe our design and fabrication of two PMMA-based microfluidic chips for investigating cellular responses, in the production of reactive oxygen species and the migration, under single or coexisting chemical/electrical/shear stress stimuli. The first chip generates five relative concentrations of 0, 1/8, 1/2, 7/8, and 1 in the culture regions, together with a shear stress gradient produced inside each of these areas. The second chip generates the same relative concentrations, but with five different electric field strengths created within each culture area. These devices not only provide cells with a precise, controllable micro-environment but also greatly increase the experimental throughput.

Micro-fabricated devices integrated with fluidic components provide an in vitro platform for cell studies mimicking the in vivo micro-environment. We developed polymethylmethacrylate-based microfluidic chips for studying cellular responses under single or coexisting chemical/electrical/shear stress stimuli.

עיצוב מכשירי microfluidic ללימוד ותגובות ניידות תחת בית או להתאבדות כימית / חשמל / שאר מתח גירויים

Microfluidic devices are capable of creating a precise and controllable cellular micro-environment of pH, temperature, salt concentration, and other ...

A Microfluidic Device for Quantifying Bacterial Chemotaxis in Stable Concentration Gradients

Chemotaxis allows bacteria to approach sources of attractant chemicals or to avoid sources of repellent chemicals. Bacteria constantly monitor the concentration of specific chemoeffectors by comparing the current concentration to the concentration detected a few seconds earlier. This comparison determines the net direction of movement. Although multiple, competing gradients often coexist in nature, conventional approaches for investigating bacterial chemotaxis are suboptimal for quantifying migration in response to concentration gradients of attractants and repellents. Here, we describe the development of a microfluidic chemotaxis model for presenting precise and stable concentration gradients of chemoeffectors to bacteria and quantitatively investigating their response to the applied gradient. The device is versatile in that concentration gradients of any desired absolute concentration and gradient strength can be easily generated by diffusive mixing. The device is demonstrated using the response of Escherichia coli RP437 to gradients of amino acids and nickel ions.

This protocol describes the development of a microfluidic device for investigating bacterial chemotaxis in stable concentration gradients of chemoeffectors.

מכשיר microfluidic לכימות Chemotaxis חיידקים Gradients ריכוז אורווה

Chemotaxis allows bacteria to approach sources of attractant chemicals or to avoid sources of repellent chemicals. Bacteria constantly monitor the ...

Traction Microscopy Integrated with Microfluidics for Chemotactic Collective Migration

Cells change migration patterns in response to chemical stimuli, including the gradients of the stimuli. Cellular migration in the direction of a chemical gradient, known as chemotaxis, plays an important role in development, the immune response, wound healing, and cancer metastasis. While chemotaxis modulates the migration of single cells as well as collections of cells in vivo, in vitro research focuses on single-cell chemotaxis, partly due to the lack of the proper experimental tools. To fill that gap, described here is a unique experimental system that combines microfluidics and micropatterning to demonstrate the effects of chemical gradients on collective cell migration. Furthermore, traction microscopy and monolayer stress microscopy are incorporated into the system to characterize changes in cellular force on the substrate as well as between neighboring cells. As proof-of-concept, the migration of micropatterned circular islands of Madin-Darby canine kidney (MDCK) cells is tested under a gradient of hepatocyte growth factor (HGF), a known scattering factor. It is found that cells located near the higher concentration of HGF migrate faster than those on the opposite side within a cell island. Within the same island, cellular traction is similar on both sides, but intercellular stress is much lower on the side of higher HGF concentration. This novel experimental system can provide new opportunities to studying the mechanics of chemotactic migration by cellular collectives.

Collective cell migration in development, wound healing, and cancer metastasis is often guided by the gradients of growth factors or signaling molecules. Described here is an experimental system combining traction microscopy with a microfluidic system and a demonstration of how to quantify the mechanics of collective migration under biochemical gradient.

מיקרוסקופ גרירה משולב עם מיקרופלואידיקה עבור הגירה קולקטיבית כימוטקטיק

Cells change migration patterns in response to chemical stimuli, including the gradients of the stimuli. Cellular migration in the direction of a chemical ...

A Microphysiological System to Study Leukocyte-Endothelial Cell Interaction during Inflammation

Leukocyte-endothelial cell interactions play an important role in inflammatory diseases such as sepsis. During inflammation, excessive migration of activated leukocytes across the vascular endothelium into key organs can lead to organ failure. A physiologically relevant biomimetic microfluidic assay (bMFA) has been developed and validated using several experimental and computational techniques, which can reproduce the entire leukocyte rolling/adhesion/migration cascade to study leukocyte-endothelial cell interactions. Microvascular networks obtained from in vivo images in rodents were digitized using a Geographic Information System (GIS) approach and microfabricated with polydimethylsiloxane (PDMS) on a microscope slide. To study the effect of shear rate and vascular topology on leukocyte-endothelial cell interactions, a Computational Fluid Dynamics (CFD) model was developed to generate a corresponding map of shear rates and velocities throughout the network. The bMFA enables the quantification of leukocyte-endothelial cells interactions, including rolling velocity, number of adhered leukocytes in response to different shear rates, number of migrated leukocytes, endothelial cell permeability, adhesion molecule expression and other important variables. Furthermore, by using human-related samples, such as human endothelial cells and leukocytes, bMFA provides a tool for rapid screening of potential therapeutics to increase their clinical translatability.

In this protocol, a biomimetic microfluid assay, which can reproduce a physiologically relevant microvascular environment and reproduce the entire leukocyte adhesion/migration cascade, is employed to study leukocyte-endothelial cell interactions in inflammatory disease.

מערכת מיקרופיזיולוגית לחקר אינטראקציה תאי לויקוציטים-אנדותל במהלך דלקת

Leukocyte-endothelial cell interactions play an important role in inflammatory diseases such as sepsis. During inflammation, excessive migration of ...