Desenvolvimento de uma nova plataforma Organ-on-a-Chip para a biomimetização do microambiente da medula óssea

dc.creatorGabriel Santos Rosalem
dc.date.accessioned2026-02-23T12:34:12Z
dc.date.issued2023-01-19
dc.description.abstractAround the world, Drug research and development faces a situation of low efficiency in their projects. The biggest contribution to this is the utilization of standard cell culture plataforms in vitro and animal models. In this scenario, the Organ-on-a-chip technology, based on microfluidics and tissue engineering, emerges as a promising platform for the in vitro biomimicking organs, including bone marrow. The main objective of this thesis is to design a microphysiological system based on marrow histology and microarchitecture with focus on the study of cell behavior under physiological and pathological conditions, mainly the study of acute lymphocytic leukemia. For this purpose, the first step of this project was the geometry microdevice conceptualization. The next step was to verify the microdevice as a platform capable providing physiological and fluid perfusion conditions analogous to what the marrow cells experience in vivo. The flow velocity profile and the oxygen distribution were calculated from the implementation of the computational model using the finite element software Comsol Multiphysics® v5.6, specifically through the system of equations of transport phenomena and cell dynamics. For the construction of the computational model, the hydrogel matrix representative hydraulic parameter of porosity was calculated using a scanning electron microscope and the free software ImageJ. After the simulation, the microdevice was manufactured using microfabrication techniques based on 3D printing in acrylic resin and molding by soft lithography, with polydimethylsiloxane as the base material. As this microfabrication method is relatively new in Organ-on-a-chip applications, two steps were performed, one to evaluate the generated patterns, through measurements using an electronic magnifying glass and a profilometer, and then the verification if the material is cytotoxic, using a test that measures cellular metabolic activity. At the end, a preliminary study of three-dimensional static cell culture was carried out on the new microphysiological platform. Jy cells that emulate the leukemia cells of acute lymphocytic leukemia were cultured in a standard type I collagen matrix, where cell viability and morphology were evaluated. The obtained results indicate that the protocols and the computational model implemented for the project of the microphysiological system generated a biomimetic platform that provides the cells with a mechanical, physical and biochemical microenvironment with biological relevance, configuring itself as a first approach for the representation of what they experience in vivo in the bone marrow. The platform denoted by Integrated Marrow Niches-on-a-chip may prove to be a useful tool for drug screening and the study of new therapeutic approaches acute acute lymphocytic leukemia.
dc.description.sponsorshipCAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/1843/1700
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal de Minas Gerais
dc.rightsAcesso aberto
dc.subjectEngenharia mecânica
dc.subjectBioengenharia
dc.subjectBiomecânica
dc.subjectMedula óssea
dc.subjectMicrofluídica
dc.subject.otherMedula óssea
dc.subject.otherMicrofluídica
dc.subject.otherBiomimetização
dc.subject.otherOrgan-on-a-chip
dc.titleDesenvolvimento de uma nova plataforma Organ-on-a-Chip para a biomimetização do microambiente da medula óssea
dc.typeTese de doutorado
local.contributor.advisor-co1Libardo Andrés Gonzales Torres
local.contributor.advisor-co1Maria Gabriela Reis Carvalho
local.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/3487867735627454
local.contributor.advisor1Estevam Barbosa de Las Casas
local.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/6740018257272418
local.contributor.referee1Leandro Soares de Oliveira
local.contributor.referee1Flávio Orlando Plentz Filho
local.contributor.referee1Lionel Fernel Gamarra Contreras
local.contributor.referee1Manuel Doblaré Castellano
local.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/5829294664924280
local.description.resumoAo redor do mundo, a pesquisa e desenvolvimento de fármacos enfrenta uma conjuntura de baixa eficiência em seus projetos. A maior contribuição para isso é a utilização das plataformas padrões de cultura celular in vitro e os modelos animais. Nesse cenário, a tecnologia Organ-on-a-chip, baseada na microfluídica e na engenharia de tecidos, surge como uma plataforma promissora para a biomimetização in vitro de órgãos, incluindo a medula óssea. O objetivo principal dessa tese é projetar um sistema microfisiológico baseado na histologia e microarquitetura medulares com foco no estudo do comportamento das células em condições fisiológicas e patológicas, principalmente o estudo da leucemia linfoide aguda. Para esse fim, a primeira etapa do projeto foi a conceptualização da geometria do microdispositivo. A próxima etapa foi a de verificação do microdispositivo como uma plataforma capaz de fornecer condições fisiológicas e de perfusão de fluidos análogas às que as células da medula experimentam in vivo. O perfil de velocidade do escoamento e a distribuição de oxigênio foram calculados a partir da implementação do modelo computacional usando o programa de elementos finitos Comsol Multiphysics® v5.6, especificamente pelo sistema de equações de fenômenos de transporte e da dinâmica celular. Para a construção do modelo computacional, o parâmetro hidráulico de porosidade da matriz de hidrogel representativa foi calculado utilizando um microscópio eletrônico de varredura e o software livre ImageJ. Após a simulação, o microdispositivo foi produzido utilizando as técnicas de microfabricação baseadas na impressão 3D em resina acrílica e na moldagem por litografia suave, com o polidimetilsiloxano sendo o material base. Por esse método de microfabricação ser relativamente novo em aplicações Organ-on-achip duas etapas foram realizadas, uma para avaliar os padrões gerados, por meio de medições utilizando uma lupa eletrônica e um perfilômetro, e a possibilidade do material ser citotóxico, por meio de um ensaio que mede a atividade metabólica celular. Ao final realizou-se um estudo preliminar de cultura tridimensional estática de células na nova plataforma microfisiológica. Células Jy que emulam as células leucêmicas da leucemia linfoide aguda foram cultivadas em uma matriz padrão de colágeno tipo I, onde avaliou-se a viabilidade e a morfologia celular. Os resultados obtidos indicam que os protocolos e o modelo computacional implementados para o projeto do sistema microfisiológico geraram uma plataforma biomimética que fornece às células um microambiente mecânico, físico e bioquímica com relevância biológica, se configurando como uma primeira abordagem para a representação do que elas experimentam in vivo na medula óssea. Assim, a plataforma denotada por Integrated Marrow Niches-on-a-chip pode vir a ser uma ferramenta útil para a triagem de drogas e o estudo de novas abordagens terapêuticas.
local.publisher.countryBrasil
local.publisher.departmentENGENHARIA - ESCOLA DE ENGENHARIA
local.publisher.initialsUFMG
local.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecanica
local.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA

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