Humedad y estabilidad ambiental en fermentadores
Los BRoC fabricados en PDMS pueden tener algún problema con la evaporación de los medios al operar el dispositivo como un cultivo estático. Para evitar la evaporación, el dispositivo debe colocarse en un ambiente de alta humedad. Una opción es colocar el dispositivo (y todas las bombas, equipos de control y detección necesarios en una incubadora junto con algunos platos de agua). Una incubadora también puede controlar la composición del gas y la temperatura necesaria. Otra forma, mucho más fácil, es encerrar el dispositivo en una pequeña caja hermética de aluminio con ventanas en la parte superior e inferior para la interrogación óptica. Nuevamente, colocar los platos con agua asegurará una alta humedad. Como el volumen interior de la caja es grande en comparación con la cámara del biorreactor, pueden fluir gases para controlar la composición del gas por encima del cultivo celular. Además, la caja de aluminio proporciona una gran masa térmica para mantener la temperatura estable en el punto de ajuste deseado. La temperatura puede controlarse mediante el uso de un baño de agua, para que el agua fluya a través de la base de la caja.
Oxigenación
Los medios deben contener suficiente oxígeno para mantener un cultivo celular en microfluídica. Hay algunas formas de lograr esto. Una forma de no ejecutar esto es burbujeando oxígeno a través de los medios antes de inyectarlo o de enviarlo al microbioreactor. Esto provocará burbujas dentro de los BRoC, que bloquearán el canal y provocarán la muerte celular. Los BRoC fabricados en PDMS tienen algunas ventajas con respecto a la transferencia de gas. PDMS tiene una alta permeabilidad a gases, incluidos oxígeno y dióxido de carbono. Por lo tanto, el oxígeno puede transferir fácilmente una membrana de aireación con un espesor de 100 μm entre el biorreactor y la cámara de gas. En este caso, la membrana se colocó directamente encima de la cámara de cultivo celular. Otra forma de aireación es a través del ajuste de silicio permeable a los gases.
Organismos modelo aplicados a BRoC
Se utilizan varias células microbianas en biorreactores, pero no todas han llegado a BRoC todavía. Los modelos típicos incluyen procesos de fermentación con E. coli (bacterias gramnegativas) y Saccharomyces cerevisiae (levadura), que se utilizan para la producción de proteínas y estudios genómicos, y Cyclotella cryptica (algas) como fuente potencial de biocombustible. Otros modelos se basan en células de mamíferos, siendo el más importante el modelo de hígado. Sin embargo, otros órganos se están incluyendo rápidamente en un área llamada «órgano-en-un-chip». Recientemente, ha habido otro desarrollo utilizando cultivos de hESC en condiciones estables y dinámicas. Un caso especial es la plaqueta BRoC. El objetivo principal aquí es reproducir el microambiente de la médula ósea para permitir que los megacariocitos derivados de células madre pluripotentes inducidas por humanos produzcan plaquetas. Estas plaquetas deberían generar cantidades clínicamente suficientes de plaquetas humanas funcionales para compensar los riesgos asociados con la adquisición y el almacenamiento de plaquetas donadas.
Pero en los últimos años, lo que constituye un biorreactor ha sido borroso. En general, los biorreactores se pueden considerar como dispositivos que implican un flujo diseñado o programado, donde el flujo se utiliza para mejorar el transporte molecular, proporcionar estimulación mecánica, controlar la adición de fármacos y reguladores biológicos, o influir en cultivos celulares que de otro modo no serían posibles en cultivos estáticos.
Aplicaciones del chip de biorreactor microfluídico
El proceso de fermentación se puede ejecutar en diferentes modos, como los modos por lotes, los lotes alimentados y los cultivos continuos. Otras aplicaciones incluyen células de mamíferos en dispositivos microfluídicos. La motivación en la mayoría de las aplicaciones es investigar la respuesta del cultivo celular para el desarrollo del proceso o capturar los efectos fisiológicos y fisiopatológicos in vitro para satisfacer las necesidades terapéuticas.
Un quimiostato BroC
Un quimiostato, o biorreactor continuo, es un biorreactor que se suministra con medio fresco continuo, mientras que el líquido de cultivo se elimina constantemente, manteniendo constante el volumen de líquido en el biorreactor, al tiempo que incluye la mezcla de medios y las mediciones en línea de OD, pH y OD. Además, la biomasa celular y las concentraciones del producto se mantienen constantes. Al cambiar la velocidad de flujo del medio en el reactor, se puede controlar la velocidad de crecimiento del microorganismo. En un macrobiorreactor, tanto la entrada como la salida deben controlarse por igual. Sin embargo, en un sistema microfluídico, un quimiostato sería un sistema de perfusión en el que las concentraciones de biomasa y producto permanecen constantes. Debido al comportamiento laminar del flujo, todo lo que fluye entra automáticamente del microbioreactor, ya que no es posible un flujo turbulento. Esto también implica que el volumen del microbioreactor es constante. La única variable, aparte de la composición del medio, será la velocidad de flujo del medio, que a su vez determinaría la cantidad de nutrientes dirigida al reactor.