development of a microvascular network on chip for tissue reconstruction
Développement d'un réseau microvasculaire sur puce microfluidique pour la reconstruction tissulaire
Résumé
Tissue engineering aims to develop functional tissues or organs in vitro in order to provide drug testing platforms or transplantable tissues and improve the treatments provided to patients. However, the physiological tissue structures developed to date do not integrate and perfusable vascular network. In vivo, the vascular network supplies the body’s cells with oxygen and nutrients and removes cellular waste and carbon dioxide. It also has a major role in maintaining organ homeostasis. Blood capillaries are hollow vessels whose walls are only composed of a layer of endothelial cells and diffuse nutrients. The blood capillary network is dense and perfuse all tissues. Due to the limit oxygen diffusion inside tissues, each cell is located at most 200µm away from a capillary. The difficulties of building a network of perfusable capillaries and integrating them into tissue constructs limit the development of thick physiological tissues.An innovative technique for developing a microvascular network within a thick construction is presented in this thesis. This technique consists of assembling spherical tissue micro-units within a microfluidic chamber, and developing a network of capillaries through the interstitial pores formed by the spheres packing. Tissue micro-units are composed of biopolymers representative of the extracellular matrix and contain cells from the tissue of interest. A layer of endothelial cells is developed on the surface of these microspheres. The stacking of these microspheres creates a porous medium in which nutrient medium is perfused. Flow control within such a structure allows the application of physical stimuli influencing the self-assembly of endothelial cells into capillaries within the interstitial space of the sphere packing.During this thesis, a device for manufacturing microspheres from natural biopolymers was developed. The structure formed by the stacks of spheres was studied and the flow within such environments were characterized so as to apply controlled physical stimuli to cells. A bioreactor-like perfusion system has been built. A thick tissue structure could be formed within this system and the development of the vascular network was promoted. The formation of the network was demonstrated by the presence of infused blood capillaries within the structure. The technique developed promises to be applied to the development of many tissues and applications for organ-on-chip or tissue engineering devices.
L’ingénierie tissulaire vise à développer in vitro des tissus fonctionnels ou des organes afin de fournir des plateformes de tests de médicaments ou des tissus transplantables et améliorer les traitements fournis aux patients. Cependant, les constructions tissulaires physiologiques développées à ce jour n’intègrent pas un réseau vasculaire perfusable. In vivo, le réseau vasculaire approvisionne les cellules de l’organisme en oxygène et nutriments et évacue les déchets cellulaires et le dioxyde de carbone. Il possède également un rôle prépondérant dans le maintien de l’homéostasie des organes. L’approvisionnement des cellules s’effectue au niveau des capillaires sanguins : vaisseaux creux dont la paroi est uniquement composée d’une couche de cellules endothéliales. Le réseau de capillaires sanguins est un réseau dense perfusant l’ensemble des tissus de l’organisme. De par la limite de diffusion de l’oxygène dans les tissus, chaque cellule est située au maximum à 200 µm d’un capillaire. Les difficultés de construction d’un réseau de capillaires sanguins perfusable et d’intégration au sein de constructions tissulaires limitent le développement de tissus physiologiques épais.Une technique innovante de développement d’un réseau microvasculaire à l’intérieur d’une construction épaisse est présentée dans cette thèse. Cette technique consiste en l’assemblage de micro-unités tissulaires sphériques au sein d’une chambre microfluidique, et en le développement d’un réseau de capillaires au niveau des pores interstitiels formés par l’empilement de sphères. Les micro-unités tissulaires sont composées de biopolymères représentatifs de la matrice extracellulaire et contiennent des cellules du tissu d’intérêt. Une couche de cellules endothéliales est développée à la surface de ces microsphères. L’empilement de ces microsphères crée un milieu poreux dans lequel du milieu nutritif est perfusé. Le contrôle de l’écoulement au sein d’une telle structure permet l’application de stimuli physiques influençant l’auto-assemblage des cellules endothéliales en capillaires au sein de l’espace interstitiel de l’empilement.Durant cette thèse, un dispositif de fabrication de microsphères à partir de biopolymères naturels a été développé. La structure formée par les empilements de sphères a été étudiée et les écoulements au sein de tels milieux ont été caractérisés de sorte à appliquer des stimuli physiques contrôlés aux cellules. Un système microfluidique de perfusion, de type bioréacteur, intégrant une chambre de développement a été fabriquée. Une construction tissulaire épaisse a pu être formée au sein de ce système et le développement du réseau vasculaire a été favorisé. La formation du réseau a été montrée par la présence de capillaires sanguins perfusés au sein de la structure. La technique développée promet une application au développement de nombreux tissus et des applications pour des dispositifs d’organes-sur-puces ou d’ingénierie tissulaire.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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