Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)
Other Title (Parallel Title in Other Language of ETD)
The effect of the tip angles of the diamond microwell on cell-spheroid formation
Year (A.D.)
2020
Document Type
Thesis
First Advisor
อลงกรณ์ พิมพ์พิณ
Faculty/College
Faculty of Engineering (คณะวิศวกรรมศาสตร์)
Department (if any)
Department of Mechanical Engineering (ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล)
Degree Name
วิศวกรรมศาสตรมหาบัณฑิต
Degree Level
ปริญญาโท
Degree Discipline
วิศวกรรมเครื่องกล
DOI
10.58837/CHULA.THE.2020.1411
Abstract
การศึกษานี้แบ่งออกเป็นสองวัตถุประสงค์หลัก วัตถุประสงค์แรกเป็นการศึกษาผลกระทบของมุมของหลุมจุลภาครูปร่างทรงพีระมิดฐานสี่เหลี่ยมข้าวหลามตัดทั้ง 3 รูปร่างคือ มุมแหลม (66 องศา) มุมด้านเท่า (90 องศา) และมุมป้าน (106 องศา) ต่อการสร้างกลุ่มเซลล์คล้ายเนื้อเยื่อสำหรับการเลี้ยงที่ใช้การไหลแบบต่อเนื่อง โดยแต่ละหลุมจุลภาควางเรียงชิดกันเพื่อลดพื้นที่ว่างไม่ให้เซลล์ไปเกาะหรือเกิดการสูญเสียเซลล์ไป ในบริเวณก้นหลุมจุลภาคมีทรงกระบอกรัศมี 450 ไมโครเมตร ติดตั้งอยู่ ซึ่งเป็นตำแหน่งที่จะเกิดการสร้างกลุ่มเซลล์คล้ายเนื้อเยื่อขึ้น และทำให้ความลึกรวมทั้งหมดของหลุมจุลภาคเท่ากับ 550 ไมโครเมตร ในการทดลองได้ใช้อัตราการไหลเท่ากับ 10 ไมโครลิตรต่อชั่วโมง ทั้งจากผลการคำนวณ และผลการทดลองพบว่า ในกรณีหลุมจุลภาคที่มีมุม 66 องศา ของไหลที่ไหลผ่านหลุมมีการเบี่ยงเบนทิศทางเข้าสู่กึ่งกลางหลุมมากกว่าหลุมแบบอื่น และน่าจะทำให้เกิดการสร้างกลุ่มเซลล์คล้ายเนื้อเยื่อของเซลล์ลำบาก เพราะถูกรบกวนจากของไหลค่อนข้างสูง ในกรณีหลุมจุลภาคที่มีมุม 90 องศา ของไหลมีการเบี่ยงเบนทิศทางเข้าสู่กึ่งกลางลดลง ทำให้มีการสร้างกลุ่มเซลล์คล้ายเนื้อเยื่อได้ดีขึ้น อย่างไรก็ตาม เมื่อหลุมจุลภาคมีมุม 106 องศา ของไหลมีการเบี่ยงเบนทิศทางเข้าหากึ่งกลางหลุมน้อยลงมาก ทำให้เซลล์บางส่วนไม่ถูกพัดพามารวมกันที่บริเวณก้นหลุมทรงกระบอก โดยเซลล์บางส่วนติดอยู่บนบริเวณผนังด้านข้าง ทำให้การสร้างกลุ่มเซลล์คล้ายเนื้อเยื่อลดต่ำลง ดังนั้นผลการศึกษาจึงบ่งชี้ว่าหลุมจุลภาคทรงพีระมิดฐานสี่เหลี่ยมข้าวหลามตัดมุม 90 องศา มีความเหมาะสมที่สุดในการสร้างกลุ่มเซลล์คล้ายเนื้อเยื่อ นอกจากนั้น ผลการทดลองยังแสดงให้เห็นด้วยว่าอัตราการรอดชีวิตของเซลล์มีแนวโน้มดีกว่าหลุมจุลภาคแบบอื่นอีกด้วย วัตถุประสงค์ที่สองคือการสร้างระบบของไหลจุลภาคที่ใช้ต้นทุนต่ำ และรวดเร็ว โดยการสร้างแม่พิมพ์ด้วยการพิมพ์สามมิติด้วยเรซิ่น สำหรับการพิมพ์สามมิติจะทำให้สร้างแม่พิมพ์ที่มีรูปร่างที่ซับซ้อนมากได้ แต่ขนาดที่เล็กสุดยังจำกัดอยู่ และความแข็งแรงทางกล และความทนทานต่อความร้อนไม่ดีนัก อย่างไรก็ตาม วิธีการที่พัฒนาที่ขึ้นสามารถใช้งานได้ดีในการหล่อสารพอลิไดเมทิลซิโลเซนสำหรับระบบของไหลจุลภาค ซึ่งใช้งานอย่างมากในงานวิจัยทางด้านนี้
Other Abstract (Other language abstract of ETD)
This study has two main objectives. The first objective is to study the effects of the tip angle of diamond microwells on the spheroid formation with continuous flow. Three angles of attack to the flow direction such as acute (66 degree), equilateral (90 degree) and obtuse (106 degree) were investigated. Every microwell was closely placed in order to reduce the flat surface between neighboring microwells where the cell adsorption would be occurred. The microwells were in pyramidal diamond shape, and there was a cylindrical opening placed at the bottom of each microwell by which the total depth of the microwells was around 550 µm. In this study, the flow rate was at 10 µl/hr where the spheroid formation was achieved. With this microwell’s shape, the flow was deviated toward the center of the microwells, and swept cells to the cylindrical opening. If microenvironments are proper, the cell spheroid would be formed. In the case of microwells with acute angle, the relatively strong recirculation, however, occurred and the process of the cell spheroid formation would be disturbed. As a result, the cell spheroid was hardly formed. For equilateral microwells, the recirculation reduced, and more cell spheroids were observed. Nevertheless, in the microwells with obtuse angle, the tip angle initiated relatively weak flow recirculation toward the center of microwell. Some cells would not be swept down, and aggregated at the bottom. Then, the cell spheroid was less occurred. Among tested conditions, both computational and experimental investigations suggested that the equilateral microwells were the most suitable one for cell spheroid formation. Moreover, it also showed slightly higher viability rate of the cells than the others. The second objective is to create a low-cost and fast fabrication of the microfluidic chip. Three-dimensional printing technique was employed to make a casting mold for microfluidic chip’s material. With this technique, complex shapes are easily made. However, we found some limitations on printing resolution, mechanical strength and thermal robustness. Despite of those, the method could work well for casting Polydimethylsiloxane (PDMS) for the on-going projects of the microfluidic system.
Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-No Derivative Works 4.0 International License.
Recommended Citation
ชุนฟ้ง, ธนภัทร, "ผลกระทบของมุมของหลุมจุลภาครูปร่างสี่เหลี่ยมข้าวหลามตัดในการสร้างกลุ่มเซลล์คล้ายเนื้อเยื่อ" (2020). Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD). 10251.
https://digital.car.chula.ac.th/chulaetd/10251