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ES3037110T3 - Multiorgan-on-a-chip device with integrated microbiosensors, methods and uses thereof - Google Patents

Multiorgan-on-a-chip device with integrated microbiosensors, methods and uses thereof

Info

Publication number
ES3037110T3
ES3037110T3 ES22712043T ES22712043T ES3037110T3 ES 3037110 T3 ES3037110 T3 ES 3037110T3 ES 22712043 T ES22712043 T ES 22712043T ES 22712043 T ES22712043 T ES 22712043T ES 3037110 T3 ES3037110 T3 ES 3037110T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
sensors
layer
organoid
temperature
cavity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
ES22712043T
Other languages
Spanish (es)
Inventor
Minas Graça Maria Henriques
Rodrigues Raquel Oliveira
De Sousa Paulo Jorge Teixeira
Macedo De Lima Rui Alberto Madeira
De Sousa Patrícia Catarina Saraiva
Cabanas Carlos Alberto Calaza
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Int Iberian Nanotechnology Laboratory Inl
Universidade do Minho
Original Assignee
Int Iberian Nanotechnology Laboratory Inl
Universidade do Minho
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Int Iberian Nanotechnology Laboratory Inl, Universidade do Minho filed Critical Int Iberian Nanotechnology Laboratory Inl
Priority claimed from PCT/IB2022/051689 external-priority patent/WO2022180595A1/en
Application granted granted Critical
Publication of ES3037110T3 publication Critical patent/ES3037110T3/en
Active legal-status Critical Current
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  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Abstract

La presente divulgación describe un sistema microfluídico avanzado para la validación y el estudio de nanomateriales, fármacos o mezclas de estos, destinado a aplicaciones biomédicas y/o farmacéuticas. Se describe un dispositivo para la producción de uno o más cultivos celulares organoides, que comprende: una capa base de soporte; una capa transductora dispuesta sobre la capa base; y una capa intermedia, dispuesta sobre la capa transductora, que comprende varias aberturas para formar cavidades para el crecimiento celular organoides y una red de microcanales para el flujo de fluidos; donde la capa transductora comprende un dispositivo de calentamiento y al menos varios sensores en cada cavidad para el control y crecimiento celular; donde cada sensor se ubica para medir un parámetro de crecimiento celular organoides en el interior de cada cavidad; donde el dispositivo de calentamiento se ubica en el interior de cada cavidad; donde el dispositivo de calentamiento y los sensores están en contacto directo con el cultivo celular organoides; donde los sensores se seleccionan entre sensores de temperatura, sensores de pH, calentadores o combinaciones de los mismos. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)This disclosure describes an advanced microfluidic system for the validation and study of nanomaterials, drugs, or mixtures thereof, intended for biomedical and/or pharmaceutical applications. A device for the production of one or more organoid cell cultures is described, comprising: a support base layer; a transducer layer disposed on the base layer; and an intermediate layer, disposed on the transducer layer, comprising several openings to form cavities for organoid cell growth and a network of microchannels for fluid flow; wherein the transducer layer comprises a heating device and at least several sensors in each cavity for cell growth control; wherein each sensor is positioned to measure an organoid cell growth parameter within each cavity; wherein the heating device is located within each cavity; wherein the heating device and the sensors are in direct contact with the organoid cell culture; wherein the sensors are selected from temperature sensors, pH sensors, heaters, or combinations thereof.

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

Dispositivo multiórgano en un chip con microbiosensores integrados, métodos y usos del mismo Multi-organ device-on-a-chip with integrated micro-sensors, methods and uses thereof

Campo TécnicoTechnical Field

La presente invención se refiere a un dispositivo para la producción de cultivos celulares organoides, preferentemente un sistema multiórgano-en-un-chip (MoC), así como a su uso. The present invention relates to a device for the production of organoid cell cultures, preferably a multi-organ-on-a-chip (MoC) system, as well as its use.

La presente invención se refiere a un sistema avanzado de microfluídica para la validación y estudio de nanomateriales, fármacos o mezclas de los mismos, destinados a aplicaciones biomédicas y/o farmacéuticas. El sistema microfluídico permite la determinación del efecto toxicológico y/o terapéutico en modelos tridimensionales (3D) de órganos humanos, con la integración de micro(bio)sensores directamente en los modelos celulares, así como en el sistema microfluídico para monitorizar el fluido de alimentación, permitiendo su reemplazo automático cuando sea necesario. The present invention relates to an advanced microfluidic system for the validation and study of nanomaterials, drugs, or mixtures thereof, intended for biomedical and/or pharmaceutical applications. The microfluidic system allows for the determination of the toxicological and/or therapeutic effect in three-dimensional (3D) models of human organs, with the integration of micro(bio)sensors directly into the cell models, as well as into the microfluidic system to monitor the feed fluid, allowing for its automatic replacement when necessary.

AntecedentesBackground

Impulsada por los avances en la nanotecnología, la nanomedicina —que aplica nanomateriales como nanotransportadores de fármacos multifuncionales y sensibles a estímulos, activados en respuesta a distintos parámetros fisicoquímicos, como el pH y la temperatura— se está desarrollando con gran optimismo para el tratamiento y diagnóstico de enfermedades emergentes. En particular, los tejidos cancerosos presentan un pH más ácido que los tejidos sanos. Por lo tanto, un mismo nanomaterial puede diseñarse como un nanotransportador de fármacos dependiente del pH e incorporar simultáneamente otras propiedades terapéuticas, como la hipertermia, la terapia génica, entre otras. Sin embargo, hasta la fecha, las metodologías preclínicas estándar para evaluar estos nanomateriales no logran reproducir el complejo microambiente fisiológico presente en el cuerpo humano, y por tanto, no se ha podido validar claramente estos nanosistemas, lo que ha provocado fallos en la aplicabilidad de la nanomedicina. Driven by advances in nanotechnology, nanomedicine—which uses nanomaterials as multifunctional, stimulus-sensitive drug nanocarriers activated in response to various physicochemical parameters, such as pH and temperature—is developing with great optimism for the treatment and diagnosis of emerging diseases. In particular, cancerous tissues have a more acidic pH than healthy tissues. Therefore, a single nanomaterial can be designed as a pH-dependent drug nanocarrier and simultaneously incorporate other therapeutic properties, such as hyperthermia and gene therapy. However, to date, standard preclinical methodologies for evaluating these nanomaterials fail to replicate the complex physiological microenvironment present in the human body, and thus, these nanosystems have not been clearly validated, leading to shortcomings in the applicability of nanomedicine.

Las plataformas de órgano-en-un-chip (OoC) representan una tecnología disruptiva capaz de imitar funciones complejas de órganos humanos y una (pato)fisiología realista a nivel microscópico. Esta tecnología promete sustituir los modelos animales en el análisis de eficacia, toxicidad, farmacocinética y farmacodinámica de principios activos. Más recientemente, también se ha propuesto como plataforma para la evaluación preclínica de nanomateriales desarrollados para aplicaciones médicas, tanto en diagnóstico como en terapia (la denominada teranóstica). Organ-on-a-chip (OoC) platforms represent a disruptive technology capable of mimicking complex human organ functions and realistic (patho)physiology at the microscopic level. This technology promises to replace animal models in the analysis of the efficacy, toxicity, pharmacokinetics, and pharmacodynamics of active ingredients. More recently, it has also been proposed as a platform for the preclinical evaluation of nanomaterials developed for medical applications, both in diagnosis and therapy (the so-called theranostics).

A pesar de su potencial, el uso final de las plataformas OoC se ha visto limitado por la integración efectiva de sensores multi(bio)funcionales que capten de forma robusta la complejidad del metabolismoin vivo,así como por la combinación de multi-órgano-en-un-chip (MoC) que permitan la interacción sistémica y la homeostasis (autorregulación) de varios modelos de órganos en un único sistema. Idealmente, un MoC debería incluir sensores (bio)multiplexados integrados para monitorizar diversos parámetros físicos y bioquímicos presentes en los modelos de órganos, tales como O2, CO2, temperatura, pH, biomarcadores liberados, entre otros. Este sistema integrado de sensores multiplexados permite la monitorización en tiempo real de la viabilidad celular de los modelos de órganos, su crecimiento, mantenimiento, así como la evaluación del efecto toxicológico de fármacos y nanomateriales desarrollados para aplicaciones biomédicas. Despite their potential, the end-use of out-of-cell (OoC) platforms has been limited by the effective integration of multi(bio)functional sensors that robustly capture the complexity of in vivo metabolism, as well as by the combination of multi-organ-on-a-chip (MoC) systems that enable systemic interaction and homeostasis (self-regulation) of various organ models within a single system. Ideally, a MoC should include integrated (bio)multiplexed sensors to monitor various physical and biochemical parameters present in the organ models, such as O2, CO2, temperature, pH, and released biomarkers, among others. This integrated system of multiplexed sensors allows for real-time monitoring of cell viability, growth, and maintenance in the organ models, as well as the evaluation of the toxicological effects of drugs and nanomaterials developed for biomedical applications.

Desde el trabajo pionero en 2010 del grupo de investigación liderado por Donald Ingber, del Wyss Institute (Boston, MA, EE. UU.), donde se introdujo el concepto de OoC con el desarrollo de un pulmón-en-un-chip [Huh et al., “Reconstituting lung functions at the organ level on a chip”, Science, 2010, 328: 1662-1668 (10.1126/science.1188302)], se han descrito en la literatura diversos modelos de órganos, demostrando el potencial de estos dispositivos microfluídicos avanzados para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades humanas [Rodrigues et al., “Organ-on-a-chip: A preclinical Microfluidic Platform for the Progress of Nanomedicine”, Small, 2020, 2003517 (DOI:10.1002/small.202003517)]. Entre los más relevantes destaca el trabajo de Y.S. Zhang et al. [“Organ platform on chips integrated with several sensors for automated and continuous monitoring in situ of organoid behaviors”, p Na S, 2017, 114 (12) E2293-E2302 (DOI: 10.1073/pnas.1612906114)], como primer intento de integrar un módulo externo de sensores múltiples para monitorizar modelos de órganos, describiendo la implementación de un sistema modular de sensores físicos (pH y temperatura) y bioquímicos (biomarcadores moleculares) conectados externamente a un OoC para monitorizar los efectos antitumorales de fármacos. Otro trabajo importante fue publicado por S. Shin et al. [“Regenerative, unlabeled electrochemical microfluidic biosensors for continuous monitoring of cellular secretomes”, 2017, Adv. Sci. 4: 1600522 (DOI: 10.1002/advs.201600522)], donde se describe un sistema de biosensores electroquímicos para monitorizar biomarcadores liberados por los modelos de órganos. Sin embargo, estos documentos describen plataformas modulares conectadas, pero no integradas, con dispositivos microfluídicos avanzados. Por tanto, en estos sistemas, la respuesta de los modelos de órganos a los parámetros analizados se evalúa posteriormente de forma externa, lo cual, además de ser un proceso lento, es susceptible a contaminación y degradación de muestras, dificultando su viabilidad como modelo preclínico estándar, autónomo y robusto para la práctica de laboratorio. Since the pioneering work in 2010 by the research group led by Donald Ingber, from the Wyss Institute (Boston, MA, USA), where the concept of OoC was introduced with the development of a lung-on-a-chip [Huh et al., “Reconstituting lung functions at the organ level on a chip”, Science, 2010, 328: 1662-1668 (10.1126/science.1188302)], various organ models have been described in the literature, demonstrating the potential of these advanced microfluidic devices for the diagnosis and treatment of human diseases [Rodrigues et al., “Organ-on-a-chip: A preclinical Microfluidic Platform for the Progress of Nanomedicine”, Small, 2020, 2003517 (DOI:10.1002/small.202003517)]. Among the most relevant is the work of Y.S. Zhang et al. [“Organ platform on chips integrated with several sensors for automated and continuous monitoring in situ of organoid behaviors”, p Na S, 2017, 114 (12) E2293-E2302 (DOI: 10.1073/pnas.1612906114)], as the first attempt to integrate an external multi-sensor module to monitor organ models. They describe the implementation of a modular system of physical (pH and temperature) and biochemical (molecular biomarkers) sensors externally connected to an organoid platform to monitor the antitumor effects of drugs. Another important work was published by S. Shin et al. [“Regenerative, unlabeled electrochemical microfluidic biosensors for continuous monitoring of cellular secretomes”, 2017, Adv. Sci. 4: 1600522 (DOI: 10.1002/advs.201600522)], which describes an electrochemical biosensor system for monitoring biomarkers released by organ models. However, these documents describe modular platforms connected, but not integrated, with advanced microfluidic devices. Therefore, in these systems, the response of the organ models to the analyzed parameters is subsequently evaluated externally, which, in addition to being a slow process, is susceptible to contamination and degradation of samples, hindering their viability as a standard, autonomous, and robust preclinical model for laboratory practice.

En el documento de la patente WO2013/086486 se describe un sistema OoC conectado a un chip sensor de análisis microclínico comercial para el análisis de glucosa, oxígeno, lactato y pH. Sin embargo, se trata de un sistema de sensores comerciales conectado externamente a la plataforma biológica para el análisis del medio de cultivo que circula en el dispositivo. Por tanto, no proporciona información fisiológica sobre el pH y la temperatura en el interior de los modelos biológicos, lo cual es esencial para la evaluación preclínica de nanomateriales y/o estudios farmacológicos. Patent document WO2013/086486 describes an out-of-context (OoC) system connected to a commercial microclinical analysis sensor chip for glucose, oxygen, lactate, and pH analysis. However, this is a commercial sensor system connected externally to the biological platform for analyzing the culture medium circulating within the device. Therefore, it does not provide physiological information on pH and temperature inside the biological models, which is essential for preclinical evaluation of nanomaterials and/or pharmacological studies.

En el documento de la patente US10078075B2 se describe un sistema MoC compuesto por un sistema microfluídico con microválvulas independientes, que permite controlar y analizar el efecto de fármacos en diversos modelos de órganos. El dispositivo consta de un sistema microfluídico modular, modelos celulares, sensores de presión y un chip sensor microclínico comercial para el análisis de glucosa, oxígeno, lactato y pH. Sin embargo, todos los sensores están diseñados para el análisis del medio de cultivo celular y no para los modelos biológicos. Una vez más, esta invención no proporciona información fisiológica sobre el pH y la temperatura celular de los modelos biológicos, lo cual es esencial para estudios de fármacos y nanomedicina. US patent 10078075B2 describes a MoC system comprised of a microfluidic system with independent microvalves, enabling the control and analysis of drug effects in various organ models. The device consists of a modular microfluidic system, cell models, pressure sensors, and a commercially available microclinical sensor chip for glucose, oxygen, lactate, and pH analysis. However, all the sensors are designed for cell culture medium analysis and not for biological models. Furthermore, this invention does not provide physiological information on pH and cellular temperature in biological models, which is essential for drug and nanomedicine studies.

En el documento de la patente US2014/0302549A1 se describe un sistema órgano-en-un-chip que incluye al menos un modelo biológico, y que puede conectarse a otros modelos biológicos mediante una red capilar en un sistema microfluídico. Este sistema permite la integración de uno o más sensores, tales como sensores de temperatura, pH, oxígeno, biomarcadores, entre otros, conectados mediante canales microfluídicos para el análisis del medio de cultivo en circulación. Sin embargo, este sistema no proporciona información fisiológica directa e individual sobre el pH y la temperatura celular de los modelos biológicos (solo proporciona datos del medio celular), lo cual es esencial para estudios de fármacos y/o nanomedicina. US patent document US2014/0302549A1 describes an organ-on-a-chip system that includes at least one biological model and can be connected to other biological models via a capillary network in a microfluidic system. This system allows the integration of one or more sensors, such as temperature, pH, oxygen, and biomarker sensors, connected via microfluidic channels for the analysis of the circulating culture medium. However, this system does not provide direct, individual physiological information on the pH and cellular temperature of the biological models (it only provides data on the cellular medium), which is essential for drug and/or nanomedicine studies.

En los documentos de patentes CA2885375A1, WO2014/048637 y PT2712918E se describe un sistema MoC compuesto por una capa base, una capa del órgano dispuesta sobre la capa base, una capa de conexión denominada por los autores como “capa antral” dispuesta sobre la capa del órgano y una capa actuadora. La capa del órgano permite alojar al menos un modelo de órgano, estando configurada para comprender una microentrada y una microsalida para la comunicación de fluidos de los modelos biológicos y un sistema microfluídico. La capa base también puede comprender uno o más sensores para medir los principales parámetros de homeostasis de los organoides humanos, mediante la monitorización del medio de alimentación, que puede incluir sensores de pH, sensores de pO2, sensores de captura de analitos, sensores de temperatura, sensores de CO<2>, sensores de NO, sensores de citoquinas, sensores de iones, sensores de presión y sensores de resonancia de plasmónica. En particular, la invención pretende incluir 2 sensores de pO<2>para medir el oxígeno en el fluido de la capa de órganos; 4 sensores de resistencia eléctrica transepitelial/endotelial (TEER) para detectar fugas en el sistema de circulación autónoma, de los cuales dos (TEER) están ubicados en dicho sistema y otros dos (TEER) están configurados y ubicados en modelos de órganos representativos; y sensores eléctricos acoplados a nodos neuronales biológicos. Sin embargo, este sistema no proporciona información fisiológica directa e individual sobre el pH y la temperatura celular de los modelos biológicos (solo proporciona datos del medio celular), lo cual es esencial para estudios de fármacos y/o nanomedicina. Patent documents CA2885375A1, WO2014/048637, and PT2712918E describe a MoC system comprising a base layer, an organ layer positioned on the base layer, a connection layer referred to by the authors as the “antral layer” positioned on the organ layer, and an actuator layer. The organ layer accommodates at least one organ model and is configured to include a micro-inlet and a micro-outlet for fluid communication between the biological models and a microfluidic system. The base layer may also include one or more sensors for measuring key homeostasis parameters of the human organoids by monitoring the feeding medium. These sensors may include pH sensors, pO2 sensors, analyte capture sensors, temperature sensors, CO2 sensors, NO sensors, cytokine sensors, ion sensors, pressure sensors, and plasmonic resonance sensors. In particular, the invention aims to include two pO₂ sensors for measuring oxygen in the organ layer fluid; four transepithelial/endothelial electrical resistance (TEER) sensors for detecting leaks in the autonomous circulatory system, two of which are located within the system and two of which are configured and located in representative organ models; and electrical sensors coupled to biological neural nodes. However, this system does not provide direct, individual physiological information on the pH and cellular temperature of the biological models (it only provides data on the cellular environment), which is essential for drug and/or nanomedicine studies.

Dado que el pH celular y la temperatura local son esenciales para la monitorización de la homeostasis de los distintos modelos de órganos en un MoC, las soluciones existentes, que se basan en la integración de microsensores en el sistema microfluídico para el análisis del medio de cultivo, y no integrados in situ dentro de los distintos modelos multiorgánicos, no logran proporcionar información en tiempo real, directa y precisa sobre el microambiente fisiológico presente en cada modelo de órgano. Since cellular pH and local temperature are essential for monitoring the homeostasis of different organ models in a MoC, existing solutions, which are based on the integration of microsensors into the microfluidic system for culture medium analysis, and are not integrated in situ within the different multi-organ models, fail to provide real-time, direct, and accurate information about the physiological microenvironment present in each organ model.

Estos hechos se exponen con el fin de ilustrar el problema técnico abordado por la presente invención. These facts are set forth in order to illustrate the technical problem addressed by the present invention.

Descripción GeneralGeneral Description

La invención se define por un dispositivo y el uso del mismo, tal como se establece en las reivindicaciones 1 y 15, respectivamente. La presente invención se refiere a un sistema microfluídico avanzado que comprende micro(bio)sensores multiplexados, implementados in situ junto con modelos de órganos representativos, para monitorizar parámetros fisicoquímicos en ensayos con principios activos y en la evaluación preclínica de nanomateriales. Asimismo, incluye un sensor óptico de pH integrado en el sistema microfluídico para monitorizar el fluido de alimentación, permitiendo su reemplazo automático cuando sea necesario, lo que garantiza la homeostasis del cultivo celular a largo plazo. También comprende un sistema de calentamiento para simular tratamientos por hipertermia. The invention is defined by a device and its use, as set forth in claims 1 and 15, respectively. The present invention relates to an advanced microfluidic system comprising multiplexed micro(bio)sensors, implemented in situ in conjunction with representative organ models, for monitoring physicochemical parameters in assays with active ingredients and in the preclinical evaluation of nanomaterials. It also includes an optical pH sensor integrated into the microfluidic system for monitoring the feed fluid, allowing for its automatic replacement when necessary, thus ensuring long-term cell culture homeostasis. It further comprises a heating system for simulating hyperthermia treatments.

Un aspecto de la presente invención se refiere a la inserción de micro(bio)sensores multiplexados en contacto directo con los distintos modelos de órganos, permitiendo una monitorización directa e individual de parámetros fisicoquímicos importantes, como el pH y la temperatura, que pueden variar según el tipo de modelo de órgano. Así, esta invención proporciona información precisa sobre las condiciones fisiológicas individuales de cada órgano, esenciales para la monitorización de su viabilidad y del efecto toxicológico, particularmente cuando se someten a ensayos con fármacos y nanomateriales desarrollados para aplicaciones médicas. Adicionalmente, se incorpora un sistema de calentamiento para simular tratamientos por hipertermia, añadiendo un parámetro relevante para la validación preclínica de nanomateriales termo-responsivos diseñados para aplicaciones terapéuticas. One aspect of the present invention relates to the insertion of multiplexed micro(bio)sensors in direct contact with the various organ models, enabling direct and individual monitoring of important physicochemical parameters, such as pH and temperature, which can vary depending on the type of organ model. Thus, this invention provides precise information on the individual physiological conditions of each organ, essential for monitoring its viability and toxicological effects, particularly when subjected to trials with drugs and nanomaterials developed for medical applications. Additionally, a heating system is incorporated to simulate hyperthermia treatments, adding a relevant parameter for the preclinical validation of thermoresponsive nanomaterials designed for therapeutic applications.

La presente invención se diferencia de otros enfoques por la implementaciónin situde micro(bio)sensores en contacto con modelos representativos de órganos humanos, permitiendo la monitorización individual de cada modelo de órgano, de forma separada y en tiempo real. Además, y de forma complementaria, el dispositivo según la presente invención también comprende, al menos, un sistema óptico de sensores de pH para la monitorización del fluido de alimentación que circula en el sistema microfluídico. De este modo, la presente invención permite monitorizar las condiciones necesarias para el cultivo y crecimiento de los modelos de órganos en el dispositivo microfluídico avanzado, así como evaluar individualmente la viabilidad de cada modelo de órgano sometido a ensayos toxicológicos con fármacos y/o nanomateriales. The present invention differs from other approaches by implementing in situ micro(bio)sensors in contact with representative models of human organs, allowing for the individual monitoring of each organ model, separately and in real time. Furthermore, and complementarily, the device according to the present invention also comprises at least one optical pH sensor system for monitoring the feed fluid circulating in the microfluidic system. In this way, the present invention allows for monitoring the conditions necessary for the culture and growth of the organ models in the advanced microfluidic device, as well as individually evaluating the viability of each organ model subjected to toxicological testing with drugs and/or nanomaterials.

El sistema microfluídico de la presente invención comprende sensores de temperatura, sensores de pH y un sistema de calentamiento. Por tanto, la presente invención se refiere a un dispositivo para la producción de un cultivo o cultivos celulares organoides, preferentemente un dispositivo multiórgano-en-un-chip (MoC), que imita las funciones básicas de uno o más órganos y/o del organismo, con la integración de micro(bio)sensores que incluyen, entre otros, sensores de pH y temperatura, insertados en la cámara de perfusión del cultivo, en contacto directo con los modelos de órganos humanos. Además, se integra un sistema calefactor para el calentamiento local de los modelos biológicos representativos de órganos humanos, permitiendo simular la temperatura de tratamiento por hipertermia (41 - 45 °C). Este enfoque de calentamiento añade un parámetro importante para la validación preclínica de nanomateriales termo-responsivos diseñados para aplicaciones terapéuticas, como la hipertermia magnética y/o la liberación controlada de fármacos, sin necesidad de integrar sistemas electromagnéticos que puedan interferir con la actividad de monitorización del resto de los (bio)sensores. The microfluidic system of the present invention comprises temperature sensors, pH sensors, and a heating system. Therefore, the present invention relates to a device for the production of an organoid cell culture or cultures, preferably a multi-organ-on-a-chip (MoC) device, that mimics the basic functions of one or more organs and/or the organism, with the integration of micro(bio)sensors, including, among others, pH and temperature sensors, inserted into the perfusion chamber of the culture, in direct contact with the human organ models. Furthermore, a heating system is integrated for the local heating of the biological models representing human organs, allowing the simulation of hyperthermia treatment temperatures (41–45 °C). This heating approach adds an important parameter for the preclinical validation of thermo-responsive nanomaterials designed for therapeutic applications, such as magnetic hyperthermia and/or controlled drug release, without the need to integrate electromagnetic systems that could interfere with the monitoring activity of the other (bio)sensors.

Las diferencias de la presente invención respecto al estado de la técnica incluyen la inserción de micro(bio)sensores para la monitorización en tiempo real de modelos individuales de órganos y un sistema de calentamiento ubicado en la cámara de perfusión del cultivo celular para simular condiciones de hipertermia que permiten el estudio preclínico de nanomateriales multifuncionales termo-responsivos desarrollados para aplicaciones biomédicas. The differences of the present invention with respect to the prior art include the insertion of micro(bio)sensors for real-time monitoring of individual organ models and a heating system located in the cell culture perfusion chamber to simulate hyperthermia conditions that allow the preclinical study of thermo-responsive multifunctional nanomaterials developed for biomedical applications.

Un aspecto de la presente invención se refiere a un dispositivo para la producción de un cultivo o cultivos celulares organoides que comprende: One aspect of the present invention relates to a device for the production of an organoid cell culture or cultures comprising:

una capa base de soporte; a base support layer;

una capa transductora dispuesta sobre la capa base; y a transducer layer arranged on the base layer; and

una capa intermedia, dispuesta sobre la capa transductora, que comprende una pluralidad de aberturas para formar cavidades para el crecimiento de células organoides y una pluralidad de ranuras para formar una red de microcanales para el flujo de fluidos; an intermediate layer, arranged over the transducer layer, comprising a plurality of openings to form cavities for the growth of organoid cells and a plurality of slots to form a network of microchannels for fluid flow;

donde la capa transductora comprende un dispositivo de calentamiento y al menos una pluralidad de sensores en cada cavidad para el control y crecimiento celular; wherein the transducer layer comprises a heating device and at least a plurality of sensors in each cavity for cell control and growth;

donde cada sensor está ubicado para medir un parámetro de crecimiento celular organoide en el interior de cada cavidad, preferentemente cerca del área deseada de crecimiento del organoide, lo que permite estudiar la evolución de un organoide con una mezcla celular, por ejemplo, células tumorales y sanas. where each sensor is located to measure an organoid cell growth parameter inside each cavity, preferably near the desired organoid growth area, allowing the evolution of an organoid with a cell mixture to be studied, for example, tumor cells and healthy cells.

Según la invención, el dispositivo comprende además un dispositivo de calentamiento ubicado en el interior de cada cavidad. According to the invention, the device further comprises a heating device located inside each cavity.

Según la invención, el dispositivo de calentamiento y la pluralidad de sensores están en contacto directo con el cultivo o cultivos celulares organoides. According to the invention, the heating device and the plurality of sensors are in direct contact with the organoid cell culture or cultures.

Según la invención, la pluralidad de sensores se selecciona entre sensor de temperatura, sensor de pH o combinaciones de los mismos. According to the invention, the plurality of sensors is selected from temperature sensor, pH sensor, or combinations thereof.

En una realización del dispositivo, el sensor puede ser un sensor de temperatura, un sensor de pH o combinaciones de los mismos. Los sensores están distribuidos uniformemente o aleatoriamente en la cavidad para la detección del parámetro en diferentes puntos del organoide. In one embodiment of the device, the sensor can be a temperature sensor, a pH sensor, or a combination thereof. The sensors are distributed uniformly or randomly within the cavity to detect the parameter at different points within the organoid.

En una realización del dispositivo, los sensores de temperatura son detectores de temperatura de resistencia. In one embodiment of the device, the temperature sensors are resistance temperature detectors.

En una realización del dispositivo, el número de sensores de temperatura en cada cavidad varía de 1 a 48, preferiblemente de 4 a 16. In one embodiment of the device, the number of temperature sensors in each cavity varies from 1 to 48, preferably from 4 to 16.

En una realización del dispositivo, el sensor de temperatura tiene una resistencia en forma de meandro de una película metálica. In one embodiment of the device, the temperature sensor has a meander-shaped resistor made of a metallic film.

En una realización del dispositivo, la forma de meandro comprende de 5 a 72 espiras, preferiblemente de 5 a 24. In one embodiment of the device, the meander shape comprises from 5 to 72 turns, preferably from 5 to 24.

En una realización del dispositivo, la película metálica del sensor de temperatura se selecciona de una lista que consiste en platino (Pt), níquel (Ni), titanio (Ti), cromo (Cr), oro (Au), aluminio (Al) y sus mezclas. In one embodiment of the device, the metallic film of the temperature sensor is selected from a list consisting of platinum (Pt), nickel (Ni), titanium (Ti), chromium (Cr), gold (Au), aluminum (Al) and their mixtures.

En una realización del dispositivo, la configuración del dispositivo de calentamiento se selecciona entre meandro, espira, bobina, entre otros. Preferiblemente, la configuración es espira. In one embodiment of the device, the heating element configuration is selected from among others: meander, loop, coil. The preferred configuration is a loop.

En una realización del dispositivo, el sistema de calentamiento está hecho de un filamento de película metálica, preferiblemente la película metálica es de platino. In one embodiment of the device, the heating system is made of a metal film filament, preferably the metal film is platinum.

En una realización del dispositivo, el grosor del filamento de película metálica varía entre 50 nm y 200 nm. In one embodiment of the device, the thickness of the metal film filament varies between 50 nm and 200 nm.

El grosor se puede obtener mediante varios métodos de medición diferentes, en la presente invención se obtuvo utilizando un perfilómetro mecánico. The thickness can be obtained by several different measurement methods; in the present invention it was obtained using a mechanical profilometer.

En una realización del dispositivo, el sistema de calentamiento comprende una pluralidad de líneas de calentamiento, preferiblemente donde la línea de calentamiento comprende un ancho de 30 |jm a 500 |jm. In one embodiment of the device, the heating system comprises a plurality of heating lines, preferably where the heating line comprises a width of 30 |jm to 500 |jm.

En una realización del dispositivo, las líneas de calentamiento comprenden una longitud de 5000 jm a 50000 jim. In one embodiment of the device, the heating lines comprise a length of 5000 jm to 50000 jm.

En una realización del dispositivo, el espacio entre las líneas de calentamiento varía de 30 jm a 360 jm. In one embodiment of the device, the spacing between the heating lines varies from 30 jm to 360 jm.

En una realización del dispositivo, la capa transductora comprende una pluralidad de sensores de pH. In one embodiment of the device, the transducer layer comprises a plurality of pH sensors.

En una realización del dispositivo, la pluralidad de sensores de pH está agrupada, donde cada cavidad comprende varios grupos de una pluralidad de sensores de pH; preferiblemente donde la pluralidad de sensores de pH está agrupada para formar una matriz. En una realización del dispositivo, los grupos de una pluralidad de sensores de pH están distribuidos uniformemente en la cavidad. In one embodiment of the device, the plurality of pH sensors is grouped, where each cavity comprises several groups of a plurality of pH sensors; preferably where the plurality of pH sensors are grouped to form an array. In one embodiment of the device, the groups of a plurality of pH sensors are evenly distributed within the cavity.

En una realización del dispositivo, la forma de los sensores de pH es una forma de microaguja o una forma piramidal, preferiblemente una forma piramidal que tiene una superficie inferior plana y una punta afilada. In one embodiment of the device, the pH sensors are shaped like a microneedle or a pyramid, preferably a pyramid shape having a flat bottom surface and a sharp point.

En una realización del dispositivo, el número de sensores de pH en cada cavidad es de 4 a 200, preferiblemente de 6 a 78. In one embodiment of the device, the number of pH sensors in each cavity is from 4 to 200, preferably from 6 to 78.

En una realización del dispositivo, la punta afilada de la forma piramidal comprende 8 planos cristalinos de alto índice. En una realización del dispositivo, la superficie inferior plana de la forma piramidal comprende orientación cristalina de silicio {100}. In one embodiment of the device, the pointed tip of the pyramidal shape comprises eight high-index crystal planes. In another embodiment of the device, the flat bottom surface of the pyramidal shape comprises silicon crystal orientation {100}.

En una realización del dispositivo, la relación de aspecto de la altura de la pirámide al diámetro inferior de los planos cristalinos de alto índice es 3:2. In one embodiment of the device, the aspect ratio of the pyramid height to the lower diameter of the high-index crystal planes is 3:2.

En una realización del dispositivo, los sensores de pH se pueden obtener a partir de una oblea de silicio que comprende orientación cristalina {100} en un plano de la superficie de la oblea, mediante un proceso de grabado húmedo anisotrópico de silicio con hidróxido de potasio. In one embodiment of the device, the pH sensors can be obtained from a silicon wafer comprising crystalline orientation {100} in a plane of the wafer surface, by an anisotropic wet etching process of silicon with potassium hydroxide.

En una realización del dispositivo, el método de producción de los sensores de pH comprende los siguientes pasos: obtener una superficie de oblea de silicio depositando una capa de dióxido de silicio (SiO2) seguida de una capa de nitrito de silicio (SiNx), mediante deposición química de vapor mejorada con plasma; In one embodiment of the device, the method of producing the pH sensors comprises the following steps: obtaining a silicon wafer surface by depositing a layer of silicon dioxide (SiO2) followed by a layer of silicon nitrite (SiNx), using plasma-enhanced chemical vapor deposition;

exponer la superficie de la oblea de silicio a hexametildisilazano (HDMS); expose the surface of the silicon wafer to hexamethyldisilazane (HDMS);

patronar la superficie de la oblea de silicio mediante litografía óptica; patterning the surface of the silicon wafer using optical lithography;

transferir el patrón a una bicapa de óxido/nitrito mediante un proceso de grabado por iones reactivos; transfer the pattern to an oxide/nitrite bilayer using a reactive ion etching process;

obtener una formación piramidal mediante el socavado de una esquina convexa. obtain a pyramidal formation by undercutting a convex corner.

En una realización del dispositivo, éste comprende una pluralidad de matrices distribuidas en la capa transductora. En una realización del dispositivo, la matriz de sensores de pH comprende de 3 a 5 mm de longitud. In one embodiment of the device, it comprises a plurality of arrays distributed in the transducer layer. In one embodiment of the device, the pH sensor array comprises 3 to 5 mm in length.

En una realización del dispositivo, la matriz de sensores de pH comprende de 3 a 5 mm de ancho. In one embodiment of the device, the pH sensor array comprises 3 to 5 mm in width.

En una realización del dispositivo, la altura del sensor de pH varía de 5 a 1000 |jm. In one embodiment of the device, the height of the pH sensor varies from 5 to 1000 |jm.

En una realización del dispositivo, el diámetro de la punta del sensor de pH varía de 1 a 50 jm. In one embodiment of the device, the diameter of the pH sensor tip varies from 1 to 50 jm.

En una realización del dispositivo, el diámetro inferior del sensor de pH varía de 3 a 500 jm. In one embodiment of the device, the lower diameter of the pH sensor varies from 3 to 500 jm.

En una realización del dispositivo, los sensores de pH están hechos de silicio recubierto con metales eléctricamente conductivos seleccionados entre plata, cloruro de plata, oro, platino, óxido de iridio, óxido de aluminio, y recubiertos con material biocompatible seleccionado entre óxido de silicio, parileno C, poliimida, o combinaciones de los mismos. In one embodiment of the device, the pH sensors are made of silicon coated with electrically conductive metals selected from silver, silver chloride, gold, platinum, iridium oxide, aluminum oxide, and coated with biocompatible material selected from silicon oxide, parylene C, polyimide, or combinations thereof.

En una realización del dispositivo, éste comprende una capa de conexión que comprende conectores para insertar el fluido en el microcanal. In one embodiment of the device, it comprises a connection layer comprising connectors for inserting the fluid into the microchannel.

En una realización del dispositivo, éste comprende además una capa de sellado. Preferiblemente, la capa de sellado es una capa superior para sellar el dispositivo. Preferiblemente, la capa de sellado está hecha de polímero de polimetilmetacrilato (pMMA). In one embodiment of the device, it further comprises a sealing layer. Preferably, the sealing layer is a top layer for sealing the device. Preferably, the sealing layer is made of polymethyl methacrylate (pMMA) polymer.

En una realización del dispositivo, la capa de sellado comprende una pluralidad de tubos y conectores para la regulación de la presión y el flujo del sistema microfluídico de la capa intermedia. In one embodiment of the device, the sealing layer comprises a plurality of tubes and connectors for regulating the pressure and flow of the intermediate layer's microfluidic system.

En una realización del dispositivo, el número de cavidades varía de 2 a 32. In one embodiment of the device, the number of cavities varies from 2 to 32.

En una realización del dispositivo, la capa intermedia comprende una microentrada y una microsalida para conectar el sistema microfluídico con la pluralidad de cavidades para el crecimiento celular. In one embodiment of the device, the intermediate layer comprises a micro-inlet and a micro-outlet to connect the microfluidic system to the plurality of cavities for cell growth.

En una realización del dispositivo, la capa transductora puede comprender además al menos uno de los siguientes sensores: sensores de pO2, sensores de CO2, sensores de NO, sensores de captura de analitos, sensores metabólicos, o sus combinaciones. In one embodiment of the device, the transducer layer may further comprise at least one of the following sensors: pO2 sensors, CO2 sensors, NO sensors, analyte capture sensors, metabolic sensors, or combinations thereof.

En una realización del dispositivo, la capa transductora puede comprender además sensores potenciométricos, sensores amperométricos, sensores de impedancia, sensores ópticos, sensores de ondas acústicas superficiales o sus combinaciones. In one embodiment of the device, the transducer layer may further comprise potentiometric sensors, amperometric sensors, impedance sensors, optical sensors, surface acoustic wave sensors, or combinations thereof.

En una realización del dispositivo, la capa intermedia está hecha de vidrio, óxido de silicio o polímeros sintéticos, o sus combinaciones. In one embodiment of the device, the intermediate layer is made of glass, silicon oxide, or synthetic polymers, or combinations thereof.

En una realización del dispositivo, el polímero sintético es preferiblemente transparente. In one embodiment of the device, the synthetic polymer is preferably transparent.

En una realización del dispositivo, el polímero sintético se selecciona entre poliestireno (PS), policarbonato (PC) o polidimetilsiloxano (PDMS). In one embodiment of the device, the synthetic polymer is selected from polystyrene (PS), polycarbonate (PC) or polydimethylsiloxane (PDMS).

En una realización del dispositivo, el grosor de la capa de conexión está entre 200 y 1000 jm. In one embodiment of the device, the thickness of the bonding layer is between 200 and 1000 jm.

En una realización del dispositivo, la capa de conexión está hecha de un material de polímero sintético transparente, preferiblemente polidimetilsiloxano (PDMS). In one embodiment of the device, the bonding layer is made of a transparent synthetic polymer material, preferably polydimethylsiloxane (PDMS).

En una realización del dispositivo, la capa base está hecha de un material seleccionado entre vidrio o silicio o polímero de polimetilmetacrilato (PMMA) o su combinación. In one embodiment of the device, the base layer is made of a material selected from glass or silicon or polymethyl methacrylate (PMMA) polymer or a combination thereof.

En una realización del dispositivo, el grosor de la capa de conexión está entre 200 y 1000 jm. In one embodiment of the device, the thickness of the bonding layer is between 200 and 1000 jm.

En una realización del dispositivo, la capa de conexión está hecha de un material de polímero sintético transparente, preferiblemente polidimetilsiloxano. In one embodiment of the device, the connecting layer is made of a transparent synthetic polymer material, preferably polydimethylsiloxane.

En una realización del dispositivo, la capa base y la capa transductora están fusionadas o laminadas para formar una sola capa. In one embodiment of the device, the base layer and the transducer layer are fused or laminated to form a single layer.

En una realización del dispositivo, éste comprende además un sistema de reservorio. In one embodiment of the device, it also includes a reservoir system.

En una realización del dispositivo, los organoides son agregados celulares tridimensionales. In one embodiment of the device, the organoids are three-dimensional cell aggregates.

En una realización del dispositivo, éste es un multiórgano-en-un-chip. In one embodiment of the device, this is a multi-organ-on-a-chip.

En una realización del dispositivo, éste para producir un cultivo o cultivos celulares organoides de la presente invención, preferiblemente un dispositivo MoC, puede comprender: In one embodiment of the device, for producing an organoid cell culture or cultures of the present invention, preferably a MoC device, it may comprise:

- una capa base; - a base layer;

- una capa transductora que contiene micro(bio)sensores, calentadores, fotodiodos y la microelectrónica para leer las señales de los sensores y para accionar los sistemas de calentamiento; estando la capa transductora dispuesta sobre la capa base; o - a transducer layer containing micro(bio)sensors, heaters, photodiodes and microelectronics to read the sensor signals and to actuate the heating systems; the transducer layer being disposed on the base layer; or

opcionalmente, la capa base y la capa transductora están fusionadas formando una sola capa; Optionally, the base layer and the transducer layer are fused together to form a single layer;

- una capa intermedia dispuesta sobre la capa transductora, dicha capa intermedia comprende los modelos biológicos y el sistema microfluídico autónomo; - an intermediate layer arranged over the transducer layer, said intermediate layer comprising the biological models and the autonomous microfluidic system;

- una capa de conexión que contiene conectores para el movimiento del fluido y superpuesta a la capa intermedia; y - a connecting layer containing connectors for fluid movement and overlaid on the intermediate layer; and

- una capa de sellado; - a sealing layer;

de modo que, la capa base proporciona soporte sólido para las capas adicionales; so, the base layer provides solid support for the additional layers;

la capa transductora proporciona soporte para alojar el sistema de micro(bio)sensores multiplexados y de calentamiento y la microelectrónica para la lectura, control y actuación; The transducer layer provides support to house the multiplexed micro(bio)sensor and heating system and the microelectronics for reading, control and actuation;

la capa intermedia está configurada para acomodar una multiplicidad de órganos individuales, definidos por cavidades organoides que son representativas de un órgano, también comprende una microentrada y una microsalida en comunicación con el sistema microfluídico. Cada cavidad de órgano comprende al menos un órgano configurado para representar, pero no limitado a, los órganos del hígado, páncreas, bazo, riñón, corazón, pulmones, cerebro e intestino delgado, que pueden representar modelos de órganos sanos y/o enfermos; la capa de conexión está configurada para sellar y/o estabilizar la capa de órganos, permitiendo aún el intercambio de fluidos entre las cavidades y secciones de crecimiento de órganos y la recirculación del sistema microfluídico; y The intermediate layer is configured to accommodate multiple individual organs, defined by organoid cavities that are representative of an organ. It also comprises a micro-inlet and a micro-outlet in communication with the microfluidic system. Each organ cavity comprises at least one organ configured to represent, but not limited to, the liver, pancreas, spleen, kidney, heart, lungs, brain, and small intestine, which can represent models of healthy and/or diseased organs. The connecting layer is configured to seal and/or stabilize the organ layer, while still allowing fluid exchange between the cavities and organ growth sections and recirculation of the microfluidic system.

la capa de sellado está configurada para comprender una multiplicidad de tubos y conectores que permiten regular la presión y el flujo del sistema microfluídico y/o parte del mismo, en un equivalente de órganos seleccionados. Además, esta capa permite la incorporación de un sistema de tornillo-tuerca, que permite el sellado no permanente del dispositivo MoC, ayudando en el acceso a los modelos biológicos cuando sea necesario. En la presente invención, un modelo biológico es un sistema experimental que recrea aspectos de la función o enfermedad de tejidos humanos, a saber, un organoide. The sealing layer is configured to include multiple tubes and connectors that allow for the regulation of pressure and flow within the microfluidic system, or a portion thereof, in an equivalent of selected organs. Furthermore, this layer allows for the incorporation of a screw-nut system, enabling non-permanent sealing of the MoC device and facilitating access to the biological models when necessary. In the present invention, a biological model is an experimental system that recreates aspects of the function or disease of human tissues, namely, an organoid.

Otro aspecto de la presente invención se refiere al uso del dispositivo multiórgano-en-un-chip como monitor de parámetros fisicoquímicos de cultivo celular organoide a largo plazo. Another aspect of the present invention relates to the use of the multi-organ-on-a-chip device as a monitor of long-term organoid cell culture physicochemical parameters.

Detalles y realizaciones adicionales de la invención se definen en la especificación a continuación y en las reivindicaciones. Further details and embodiments of the invention are defined in the specification below and in the claims.

Breve Descripción de las figurasBrief Description of the Figures

Las siguientes figuras presentan realizaciones para ilustrar la invención y no deben considerarse como una limitación del alcance de la invención. The following figures present embodiments to illustrate the invention and should not be considered as a limitation of the scope of the invention.

Figura 1:Representación esquemática de una realización de múltiórgano en-un-chip (MoC) que comprende una capa base1, una capa transductora que incluye micro(bio)sensores, calefacción y microelectrónica2, una capa para el sistema microfluídico y el crecimiento de órganos tisulares3, una capa de conexión4y una capa de sellado5. Figure 1: Schematic representation of a multi-organ-on-a-chip (MoC) embodiment comprising a base layer1, a transducer layer including micro(bio)sensors, heating and microelectronics2, a layer for the microfluidic system and tissue organ growth3, a connection layer4 and a sealing layer5.

Figura 2:Representación esquemática de una realización de un dispositivo avanzado de órgano-en-un-chip (OoC) con sistema microfluídico, micro(bio)sensores y calefacción6, sin organoide6Ay con organoide6Bdentro de la cámara microfluídica. Figure 2: Schematic representation of an embodiment of an advanced organ-on-a-chip (OoC) device with microfluidic system, micro(bio)sensors and heating6, without organoid6A and with organoid6B inside the microfluidic chamber.

Figura 3:Representación esquemática de una realización de una cámara microfluídica, que comprende un sensor de temperatura7, un sistema de calefacción8y una matriz de sensores de pH9. Figure 3: Schematic representation of an embodiment of a microfluidic chamber, comprising a temperature sensor7, a heating system8 and an array of pH sensors9.

Figura 4:Vista superior de una representación esquemática de un dispositivo múltiorgano-en-un-chip6que comprende un sensor de temperatura7, un sistema de calefacción8, una matriz de sensores de pH9y un microcanal10. Figure 4: Top view of a schematic representation of a multi-organ-on-a-chip device6 comprising a temperature sensor7, a heating system8, a pH sensor array9 and a microchannel10.

Figura 5:Detalle esquemático de una realización de los (bio)sensores utilizados en el dispositivo microfluídico, mostrando un detector de temperatura por resistencia de platino (RTD)11del sensor de temperatura, y la microaguja12presente en la matriz de sensores de pH. Figure 5: Schematic detail of an embodiment of the (bio)sensors used in the microfluidic device, showing a platinum resistance temperature detector (RTD)11 of the temperature sensor, and the microneedle12 present in the pH sensor array.

Figura 6:Representación esquemática de una realización del sistema microfluídico10con sensor óptico de pH13, integrado en una cámara microfluídica de 1 mm14. Figure 6: Schematic representation of an embodiment of the microfluidic system10 with pH13 optical sensor, integrated into a 1 mm14 microfluidic chamber.

Figura 7:Representación esquemática de una realización de ingeniería de modelos de órganos 3D,adiagrama del procedimiento de formación para desarrollar esferoides,bvista superior de microcubetas cultivadas con líneas celulares representativas después de 5 días de incubación,cesferoides individuales y no encapsulados en medio de cultivo celular después de 5 días de incubación en estructuras de microcubetas,drepresentación esquemática de esferoides encapsulados con hidrogel, formando modelos de órganos 3D representativos y biomiméticos. Figure 7: Schematic representation of an engineering realization of 3D organ models, a diagram of the formation procedure for developing spheroids, b top view of microcuvettes cultured with representative cell lines after 5 days of incubation, c individual and unencapsulated spheroids in cell culture medium after 5 days of incubation in microcuvette structures, d schematic representation of spheroids encapsulated with hydrogel, forming representative and biomimetic 3D organ models.

Figura 8:Representación de diferentes realizaciones de microsensores de temperatura fabricados con distintas espiras (ancho de línea y espaciado de 10 |jm). Figure 8: Representation of different embodiments of temperature microsensors manufactured with different turns (line width and spacing of 10 |jm).

Figura 9:Ilustración del rendimiento de los microsensores de temperatura con 5, 8, 12, 16, 20 y 24 espiras. Las líneas grises representan un aumento de temperatura de 35 a 45°C y las líneas negras una disminución de temperatura de 45 a 35°C. Figure 9: Illustration of the performance of temperature microsensors with 5, 8, 12, 16, 20, and 24 turns. Gray lines represent a temperature increase from 35 to 45°C, and black lines represent a temperature decrease from 45 to 35°C.

Figura 10:Ilustración del rendimiento de la sensibilidad de temperatura en función del número de espiras. Figure 10: Illustration of the temperature sensitivity performance as a function of the number of turns.

Figura 11:Representación esquemática de diferentes realizaciones para un sistema de calefacción. Figure 11: Schematic representation of different embodiments for a heating system.

Figura 12:Resultados de simulación del sistema de calefacción que muestran el calentamiento localizado para cada realización (Fig. 12A y Fig. 12B). Figure 12: Simulation results of the heating system showing localized heating for each implementation (Fig. 12A and Fig. 12B).

Figura 13:Ilustración del diagrama de bloques de una realización de un circuito electrónico para el control y la lectura de las señales de los microsensores de temperatura. Figure 13: Block diagram illustration of an implementation of an electronic circuit for the control and reading of signals from temperature microsensors.

Figura 14:Valores de transmitancia y absorbancia a 560 nm para un medio de cultivo celular en el rango de pH de 5.0 a 8.5, obtenidos con un espectrofotómetro. Figure 14: Transmittance and absorbance values at 560 nm for a cell culture medium in the pH range of 5.0 to 8.5, obtained with a spectrophotometer.

Figura 15:Representación esquemática de una realización de un sistema de control de flujo microfluídico,15, conectado al MoC,16. Figure 15: Schematic representation of an embodiment of a microfluidic flow control system,15, connected to the MoC,16.

Figura 16:Representación de una realización del calentador 1 donde a) el calentador está sin energía, por lo tanto, sin calentamiento, y b) una corriente de 250 mA fluye a través de él, calentando el actuador. Figure 16: Representation of an embodiment of heater 1 where a) the heater is without power, therefore no heating, and b) a current of 250 mA flows through it, heating the actuator.

Figura 17:Representación de una realización de la geometría general de los microsensores de temperatura. Figure 17: Representation of an implementation of the general geometry of temperature microsensors.

Descripción DetalladaDetailed Description

La presente invención se refiere a un dispositivo multiórgano-en-un-chip (MoC) destinado a la producción de cultivos celulares organoides a largo plazo, así como a su uso. La presente invención comprende un sistema microfluídico avanzado —dispositivo multiórgano-en-un-chip (MoC) para la validación y estudio de nanomateriales, principios activos o mezclas de los mismos. El dispositivo MoC descrito puede emplearse en aplicaciones biomédicas y/o farmacéuticas. The present invention relates to a multi-organ-on-a-chip (MoC) device for the long-term production and use of organoid cell cultures. The present invention comprises an advanced microfluidic system—a multi-organ-on-a-chip (MoC) device—for the validation and study of nanomaterials, active ingredients, or mixtures thereof. The described MoC device can be used in biomedical and/or pharmaceutical applications.

La presente invención se refiere a un dispositivo MoC para el cultivo celular organoide a largo plazo que comprende: una capa base de soporte; una capa transductora dispuesta sobre la capa base; una capa intermedia que comprende una pluralidad de cavidades para el crecimiento de organoides y una red de microcanales para la circulación de fluido; y una capa de conexión que comprende conectores para la introducción del fluido en los microcanales; en donde la capa transductora comprende un dispositivo de calentamiento y al menos una pluralidad de sensores en cada cavidad para el control y seguimiento del crecimiento celular; en donde cada sensor está configurado para medir un parámetro de crecimiento celular organoide en el interior de cada cavidad. The present invention relates to a MoC device for long-term organoid cell culture comprising: a support base layer; a transducer layer disposed on the base layer; an intermediate layer comprising a plurality of cavities for organoid growth and a network of microchannels for fluid circulation; and a connection layer comprising connectors for introducing fluid into the microchannels; wherein the transducer layer comprises a heating device and at least a plurality of sensors in each cavity for monitoring and controlling cell growth; wherein each sensor is configured to measure an organoid cell growth parameter within each cavity.

En una realización del dispositivo, laFigura 1muestra una representación esquemática de un dispositivo MoC compuesto por capas con distintas funcionalidades, selladas de forma no permanente, lo que permite un mejor manejo y control del dispositivo final. In one embodiment of the device, Figure 1 shows a schematic representation of a MoC device composed of layers with different functionalities, non-permanently sealed, allowing for better handling and control of the final device.

En una realización del dispositivo, la capa base1está configurada para actuar como soporte estructural de las capas adicionales del dispositivo MoC descrito. Los materiales preferidos para dicha capa base comprenden vidrio, silicio o polímero de polimetilmetacrilato (PMMA), o combinaciones de los mismos. In one embodiment of the device, the base layer 1 is configured to act as a structural support for the additional layers of the described MoC device. Preferred materials for this base layer comprise glass, silicon, or polymethyl methacrylate (PMMA) polymer, or combinations thereof.

En otra realización del dispositivo, la capa base1puede estar fusionada con la capa transductora 2, formando una única capa que cumple tanto la función de soporte como la función transductora. Preferentemente, esta capa base está fabricada con un material que favorezca dicha doble funcionalidad, como por ejemplo silicio o vidrio. In another embodiment of the device, the base layer 1 can be fused with the transducer layer 2, forming a single layer that serves both as a support and a transducer. Preferably, this base layer is made of a material that supports this dual functionality, such as silicon or glass.

En una realización del dispositivo, la incorporación de sensores y elementos calefactores puede realizarse en la capa transductora2, permitiendo la monitorización in situ de modelos de órganos humanos en cultivo. Así, la capa transductora puede comprender uno o más sensores configurados y dispuestos para medir parámetros fisiológicos y de homeostasis de uno o más órganos equivalentes, incluyendo secciones de crecimiento, complementados con sensores integrados en el sistema microfluídico para monitorizar el fluido de alimentación. Los sensores que pueden utilizarse incluyen, sin limitarse a, sensores de pH, sensores de temperatura, sensores de pO2, sensores de CO2, sensores de NO, sensores de captura de analitos, sensores metabólicos, o combinaciones de los anteriores. También pueden incluirse sensores potenciométricos, amperométricos, de impedancia, ópticos o sensores de ondas acústicas superficiales, o combinaciones de los mismos. Preferentemente, la capa transductora comprende al menos los siguientes conjuntos de sensores,Figure 2: In one embodiment of the device, sensors and heating elements can be incorporated into the transducer layer, enabling in situ monitoring of cultured human organ models. The transducer layer may comprise one or more sensors configured and arranged to measure physiological and homeostatic parameters of one or more equivalent organs, including growth sections, complemented by sensors integrated into the microfluidic system to monitor the feed fluid. The sensors that may be used include, but are not limited to, pH sensors, temperature sensors, pO2 sensors, CO2 sensors, NO sensors, analyte capture sensors, metabolic sensors, or combinations thereof. Potentiometric, amperometric, impedance, optical, or surface acoustic wave sensors, or combinations thereof, may also be included. Preferably, the transducer layer comprises at least the following sensor assemblies, Figure 2:

- Un conjunto de sensores de pH dispuestos y distribuidos, preferentemente en contacto directo con el organoide que actúa como modelo de órgano humano. Estos sensores presentan una geometría de microaguja o piramidal, con un diámetro de punta comprendido entre 1 y 50 |jm, para evitar la perforación de los modelos organoides o de los hidrogeles, dispuestos en una formación matricial12.Cada pirámide presenta una altura comprendida entre 5 y 1000 jm y un diámetro de base entre 3 y 500 jm , sin limitarse a dichas dimensiones. La matriz presenta una longitud de entre 3 y 5 mm y un ancho de entre 3 y 5 mm. Esta geometría permite monitorizar el pH interno de los organoides que representan órganos sanos y/o patológicos, facilitando la validación y cribado de nanomateriales diseñados para la liberación controlada de fármacos, mediante cambios de pH y/o temperatura, o para estudios farmacológicos. Los materiales preferidos para estos sensores son silicio recubierto con metales conductores como plata (Ag), cloruro de plata (AgCl), oro (Au), platino (Pt), óxido de iridio (IrO<2>), óxido de aluminio (A^O3), entre otros, recubiertos a su vez con materiales biocompatibles como óxido de silicio, parileno C, poliimida, entre otros. - A set of pH sensors arranged and distributed, preferably in direct contact with the organoid that serves as a human organ model. These sensors have a microneedle or pyramidal geometry, with a tip diameter between 1 and 50 µm, to avoid perforating the organoid models or the hydrogels arranged in a matrix formation.12 Each pyramid has a height between 5 and 1000 µm and a base diameter between 3 and 500 µm, though these dimensions are not limited. The matrix has a length between 3 and 5 mm and a width between 3 and 5 mm. This geometry allows monitoring of the internal pH of organoids representing healthy and/or pathological organs, facilitating the validation and screening of nanomaterials designed for the controlled release of drugs through changes in pH and/or temperature, or for pharmacological studies. The preferred materials for these sensors are silicon coated with conductive metals such as silver (Ag), silver chloride (AgCl), gold (Au), platinum (Pt), iridium oxide (IrO<2>), aluminum oxide (A^O3), among others, coated in turn with biocompatible materials such as silicon oxide, parylene C, polyimide, among others.

- Un conjunto de microsensores de temperatura planos11dispuestos en contacto directo con el organoide. Estos microsensores de temperatura11se basan en detectores de temperatura por resistencia (RTD), que aprovechan la variación de la resistencia eléctrica con la temperatura, proporcionando un valor de resistencia para cada temperatura absoluta. El tamaño reducido de estos sensores RTD de 0,076 a 0,38 mm2, así como su facilidad de integración con microcomponentes, los hace adecuados para aplicaciones en dispositivos microfluídicos como los OoC. La geometría de los detectores de temperatura por resistencia (RTD) consiste en un número determinado de espiras (de 5 a 24) en forma de meandro, fabricadas con una película metálica delgada. El ancho de las líneas de los RTD varía entre 10 y 50 jm , la longitud entre 190 y 950 jm , el espaciado entre líneas entre 10 y 50 jm , y el grosor de la película entre 50 y 200 nm. El proceso de fabricación se basa en técnicas de deposición física de vapor (PVD), fotolitografía, corrosión física o química, entre otras. Los materiales utilizados incluyen platino (Pt), níquel (Ni), titanio (Ti), cromo (Cr), oro (Au), aluminio (Al), entre otros. El platino es el material preferido por su alta linealidad en la respuesta térmica, resistencia química, dureza mecánica, estabilidad térmica y biocompatibilidad. - An array of flat temperature microsensors11 arranged in direct contact with the organoid. These temperature microsensors11 are based on resistance temperature detectors (RTDs), which take advantage of the variation of electrical resistance with temperature, providing a resistance value for each absolute temperature. The small size of these RTDs, from 0.076 to 0.38 mm², as well as their ease of integration with microcomponents, makes them suitable for applications in microfluidic devices such as OoC. The geometry of the resistance temperature detectors (RTDs) consists of a specific number of turns (from 5 to 24) in a meander shape, fabricated from a thin metallic film. The width of the RTD lines varies between 10 and 50 jm, the length between 190 and 950 jm, the spacing between lines between 10 and 50 jm, and the film thickness between 50 and 200 nm. The manufacturing process is based on techniques such as physical vapor deposition (PVD), photolithography, and physical or chemical etching. Materials used include platinum (Pt), nickel (Ni), titanium (Ti), chromium (Cr), gold (Au), and aluminum (Al). Platinum is the preferred material due to its high linearity in thermal response, chemical resistance, mechanical hardness, thermal stability, and biocompatibility.

- Un sistema de calentamiento8que permite irradiar y suministrar calor al organoide, simulando temperaturas de hipertermia (41-45 °C). Este sistema permite controlar la temperatura local del modelo organoide y evaluar el efecto de la hipertermia en combinación con tratamientos quimioterapéuticos mediante nanomateriales que actúan como nanotransportadores de fármacos. El sistema se basa en un filamento metálico resistivo con geometría en meandro, espiral, bobina u otra. Preferentemente, la geometría es espiral. Las líneas calefactoras del sistema (8)presentan un ancho de entre 30 y 500 |jm, una longitud de entre 5000 y 50000 |jm, un espaciado de entre 30 y 360 |jm y un grosor de película de entre 50 y 200 nm. La generación de calor se produce por efecto Joule al aplicar corriente eléctrica, y la temperatura se controla mediante la intensidad de dicha corriente. El material preferido para el filamento resistivo es el platino. La fabricación conjunta del sistema de calentamiento y los microsensores RTD con el mismo material reduce la complejidad del proceso de producción, permitiendo su fabricación simultánea. A heating system (8) allows for the irradiation and delivery of heat to the organoid, simulating hyperthermia temperatures (41–45 °C). This system enables control of the local temperature of the organoid model and the evaluation of the effect of hyperthermia in combination with chemotherapeutic treatments using nanomaterials that act as drug nanocarriers. The system is based on a resistive metallic filament with a meander, spiral, coil, or other geometry. The preferred geometry is spiral. The heating lines of the system (8) have a width of between 30 and 500 µm, a length of between 5,000 and 50,000 µm, a spacing of between 30 and 360 µm, and a film thickness of between 50 and 200 nm. Heat generation occurs via the Joule effect when an electric current is applied, and the temperature is controlled by the intensity of this current. The preferred material for the resistive filament is platinum. Manufacturing the heating system and RTD microsensors together with the same material reduces the complexity of the production process, allowing for simultaneous manufacturing.

En una realización del dispositivo, cuando la capa transductora (2)está fabricada en silicio, también puede comprender un sistema de sensores ópticos que, a través del sistema microfluídico, permiten medir y monitorizar condiciones de homeostasis y/o el efecto de fármacos (en forma libre o encapsulados en nanomateriales), tales como pH, temperatura, O2, CO2, NO, biomarcadores específicos liberados por los organoides, entre otros analitos complementarios; In one embodiment of the device, when the transducer layer (2) is made of silicon, it may also comprise an optical sensor system that, through the microfluidic system, allows the measurement and monitoring of homeostasis conditions and/or the effect of drugs (in free form or encapsulated in nanomaterials), such as pH, temperature, O2, CO2, NO, specific biomarkers released by organoids, among other complementary analytes;

-En particular, se contempla un sistema de sensores ópticos de pH, configurados e integrados en el sistema microfluídico, que permiten medir el pH del medio de cultivo que simula el sistema sanguíneo, mediante el análisis del indicador colorimétrico fenol rojo, comúnmente añadido a los medios de cultivo celulares. Para ello, el sensor óptico de pH, integrado en la capa transductora y en la capa intermediaFigura 6, se dispone en una cámara microfluídica de 1 mm de longitud y una altura comprendida entre 0,4 y 1,0 mm. Este sensor comprende un sistema de diodos emisores de luz (LED), que puede ser blanco o monocromático, y un conjunto de fotodetectores, normalmente fotodiodos, optimizados para el rango espectral verde-azul, que permiten medir por absorbancia el indicador fenol rojo a 560 nm, presente en la mayoría de formulaciones comerciales de medios de cultivo,Figure 6. Specifically, an optical pH sensor system is envisioned, configured and integrated into the microfluidic system, which allows for the measurement of the pH of the culture medium simulating the blood system, through the analysis of the colorimetric indicator phenol red, commonly added to cell culture media. For this purpose, the optical pH sensor, integrated into the transducer layer and the intermediate layer (Figure 6), is housed in a microfluidic chamber 1 mm long and between 0.4 and 1.0 mm high. This sensor comprises a light-emitting diode (LED) system, which can be white or monochromatic, and a set of photodetectors, typically photodiodes, optimized for the green-blue spectral range, which allow for the measurement of the phenol red indicator at 560 nm by absorbance. This indicator is present in most commercial culture media formulations (Figure 6).

En una realización del dispositivo, como se ilustra en laFigura 14,el sensor óptico es capaz de medir diferencias de pH entre 5,0 y 8,5, de forma continua, mediante el uso de un fotodiodo CMOS. Los fotodiodos pueden fabricarse mediante tecnología CMOS y ubicarse en la misma capa que los sistemas transductores (capa2), siempre que el material de dicha capa sea silicio. Asimismo, toda la electrónica de lectura, destinada a la adquisición de señales de los sensores, puede integrarse en la misma capa de silicio. Sobre los fotodiodos se depositarán filtros ópticos, mediante deposición física de vapor (PVD), con el fin de optimizar el espectro de detección. In one embodiment of the device, as illustrated in Figure 14, the optical sensor is capable of continuously measuring pH differences between 5.0 and 8.5 using a CMOS photodiode. The photodiodes can be fabricated using CMOS technology and placed on the same layer as the transducer systems (layer 2), provided that the material of this layer is silicon. Likewise, all the readout electronics, intended for acquiring signals from the sensors, can be integrated on the same silicon layer. Optical filters will be deposited onto the photodiodes using physical vapor deposition (PVD) to optimize the detection spectrum.

En una realización del dispositivo, este comprende una capa intermedia (3), dispuesta sobre la capa base (2). Dicha capa intermedia comprende una o más secciones de crecimiento, configuradas para alojar en cada cavidad organoide una representación de un órgano humano. Cada cavidad de órgano comprende al menos un órgano equivalente configurado para representar, sin limitarse a ello, órganos como el hígado, páncreas, bazo, riñón, corazón, pulmones, cerebro e intestino delgado, pudiendo representar modelos de órganos sanos y/o patológicos. Además, la capa intermedia puede incluir otros equivalentes de órganos, tales como piel, sistema circulatorio, sistema inmunológico, sistema endocrino, y sistema reproductor femenino y/o masculino. Esta capa también comprende el sistema microfluídico implementado para la circulación de fluidos entre órganos, mediante microentradas y microsalidas conectadas por redes de microcanales. Los organoides descritos en la presente invención se definen como agregados celulares tridimensionales cultivados in vitro, con dimensiones de hasta varios milímetros, que sirven como modelos de órganos humanos. Este método se describe en Lee et al., “A Heart-Breast Cancer-on-a-Chip Platform for Disease Modelling and Monitoring of Cardiotoxicity Induced by Cancer Chemotherapy”, Small, 2020, 2004258 (doi: 10.1002/smll.202004258). Cada organoide representa un modelo de órgano y está constituido por líneas celulares idénticas, autosuficientes y representativas de órganos humanos, pudiendo representar tejidos sanos y/o enfermos. Los modelos organoides constituyen una oportunidad excepcional para pruebas predictivas del efecto de nanomateriales desarrollados como nanosistemas teranósticos, así como de nuevos fármacos desarrollados por la industria farmacéutica para el tratamiento de enfermedades humanas. En la presente invención, el dispositivo MoC comprende una multiplicidad de cavidades organoides con dimensiones comprendidas entre 0,3 y 50 mm3, representativas de un tipo de órgano, siendo posible ajustar el tamaño del modelo organoide según el órgano correspondiente. In one embodiment of the device, it comprises an intermediate layer (3) positioned on the base layer (2). This intermediate layer comprises one or more growth sections configured to house a representation of a human organ within each organoid cavity. Each organ cavity comprises at least one organ equivalent configured to represent, but is not limited to, organs such as the liver, pancreas, spleen, kidney, heart, lungs, brain, and small intestine, and may represent models of healthy and/or pathological organs. Furthermore, the intermediate layer may include other organ equivalents, such as the skin, circulatory system, immune system, endocrine system, and female and/or male reproductive system. This layer also comprises the microfluidic system implemented for fluid circulation between organs, via micro-inlets and micro-outlets connected by microchannel networks. The organoids described in the present invention are defined as three-dimensional cell aggregates cultured in vitro, with dimensions up to several millimeters, that serve as models of human organs. This method is described in Lee et al., “A Heart-Breast Cancer-on-a-Chip Platform for Disease Modelling and Monitoring of Cardiotoxicity Induced by Cancer Chemotherapy”, Small, 2020, 2004258 (doi: 10.1002/smll.202004258). Each organoid represents an organ model and is composed of identical, self-sustaining cell lines representative of human organs, and can represent healthy and/or diseased tissues. Organoid models offer an exceptional opportunity for predictive testing of the effects of nanomaterials developed as theranostic nanosystems, as well as of new drugs developed by the pharmaceutical industry for the treatment of human diseases. In the present invention, the MoC device comprises multiple organoid cavities with dimensions ranging from 0.3 to 50 mm³, each representative of a specific organ type, and the size of the organoid model can be adjusted according to the corresponding organ.

En una realización del dispositivo, al menos uno de los siguientes modelos (u organoides) puede producirse en el dispositivo de la presente invención: In one embodiment of the device, at least one of the following models (or organoids) can be produced in the device of the present invention:

• El organoide hepático, que puede representar un lóbulo hepático con un volumen de 1,6 a 16,0 mmP; • The hepatic organoid, which may represent a hepatic lobe with a volume of 1.6 to 16.0 mmP;

• El organoide pancreático, que puede representar un islote de Langerhans, con un volumen de 1,1 a 10,5 mmP; • The pancreatic organoid, which may represent an islet of Langerhans, with a volume of 1.1 to 10.5 mmP;

• El organoide esplénico, que puede representar tejido de pulpa blanca y roja con un volumen de 0,4 a 4,0 mmP; • El organoide renal, que puede representar tejido de nefronas con un volumen de 0,3 a 3,0 mm3; • The splenic organoid, which may represent white and red pulp tissue with a volume of 0.4 to 4.0 mmP; • The renal organoid, which may represent nephron tissue with a volume of 0.3 to 3.0 mm3;

• El organoide cardíaco, que puede representar tejido de cardiomiocitos con un volumen de 0,6 a 5,8 mmP; • The cardiac organoid, which can represent cardiomyocyte tissue with a volume of 0.6 to 5.8 mmP;

• El organoide cerebral, que puede representar tejido de la corteza cerebral con un volumen de 0,5 a 5,0 mmP. • The brain organoid, which can represent cerebral cortex tissue with a volume of 0.5 to 5.0 mmP.

En la presente invención, la representación de cada órgano se realiza mediante la proporcionalidad del tamaño de cada órgano en el organismo, definida por un factor de proporcionalidad comprendido entre 0,0001 (1/10000) y 0,00001 (1/100 000). In the present invention, the representation of each organ is carried out by proportionality to the size of each organ in the body, defined by a proportionality factor between 0.0001 (1/10000) and 0.00001 (1/100,000).

En una realización del dispositivo, el MoC puede comprender en cada cavidad: 1 organoide hepático, 1 organoide pancreático, 1 organoide esplénico, 2 organoides renales, 1 organoide cardíaco y 10 organoides cerebrales. In one embodiment of the device, the MoC may comprise in each cavity: 1 hepatic organoid, 1 pancreatic organoid, 1 splenic organoid, 2 renal organoids, 1 cardiac organoid, and 10 cerebral organoids.

En otra realización del dispositivo, este puede comprender múltiples organoides, incluyendo modelos de otros órganos complementarios. In another embodiment of the device, it may comprise multiple organoids, including models of other complementary organs.

En una realización del dispositivo, la capa intermedia está preferentemente fabricada en vidrio, óxido de silicio o polímeros sintéticos, o combinaciones de los mismos. Dentro de los polímeros sintéticos, se prefieren aquellos ópticamente transparentes, tales como poliestireno (PS), policarbonato (PC) y polidimetilsiloxano (PDMS), siendo este último el material preferido. In one embodiment of the device, the intermediate layer is preferably made of glass, silicon oxide, or synthetic polymers, or combinations thereof. Among the synthetic polymers, optically transparent ones are preferred, such as polystyrene (PS), polycarbonate (PC), and polydimethylsiloxane (PDMS), with the latter being the preferred material.

En una realización del dispositivo, el sistema microfluídico está conectado a las cavidades organoides (3), con el fin de imitar el sistema vascular de un organismo superior, permitiendo el suministro de nutrientes y oxígeno a los modelos de órganos, la interacción entre diferentes modelos y la eliminación de productos metabólicos. Este sistema representa un componente vital para el mantenimiento homeostático del dispositivo, monitorizado mediante micro(bio)sensores integrados (2). El sistema de control de flujo microfluídico (15) se refiere al fluido que circula por el sistema de microcanales desde un reservorio externo (Figura 15). Este reservorio, conectado mediante microentradas y microsalidas ubicadas en la capa de conexión (4), permite reemplazar o recolectar el fluido de forma autónoma, sin interferir con el funcionamiento del MoC. El sistema puede ser controlado mediante micropbombas externas o integradas, con actuación neumática o piezoeléctrica, y/o mediante microválvulas integradas. También puede incluir microcanales y bifurcaciones que conecten órganos del sistema digestivo, cardiovascular, reproductivo, entre otros. Preferentemente, el fluido es sangre o un equivalente, como un medio de cultivo celular comercial. Estas arquitecturas microfluídicas avanzadas permiten imitar funciones biológicas esenciales, constituyendo una plataforma ideal para ensayos preclínicos de nanomateriales desarrollados para aplicaciones biomedicas y/o fármacos desarrollados para el tratamientos de enfermedades. In one embodiment of the device, the microfluidic system is connected to the organoid cavities (3) to mimic the vascular system of a higher organism, enabling the delivery of nutrients and oxygen to the organ models, interaction between different models, and the removal of metabolic waste products. This system is a vital component for maintaining the device's homeostasis, monitored by integrated micro(bio)sensors (2). The microfluidic flow control system (15) refers to the fluid circulating through the microchannel system from an external reservoir (Figure 15). This reservoir, connected via micro-inlets and micro-outlets located in the connection layer (4), allows for autonomous fluid replacement or collection without interfering with the MoC's operation. The system can be controlled by external or integrated micropumps, with pneumatic or piezoelectric actuation, and/or by integrated microvalves. It can also include microchannels and bifurcations connecting organs of the digestive, cardiovascular, and reproductive systems, among others. Preferably, the fluid is blood or an equivalent, such as a commercial cell culture medium. These advanced microfluidic architectures allow for the mimicry of essential biological functions, constituting an ideal platform for preclinical trials of nanomaterials developed for biomedical applications and/or drugs developed for the treatment of diseases.

En una realización del dispositivo, la capa de conexión (4), dispuesta sobre la capa intermedia (3), permite sellar y/o estabilizar los equivalentes de órganos, así como establecer comunicación con la capa de sellado. Preferentemente, esta capa tiene un grosor de entre 200 y 1000 |jm y está fabricada con un material polimérico sintético transparente, como PDMS. In one embodiment of the device, the connection layer (4), positioned on the intermediate layer (3), allows for the sealing and/or stabilization of the organ equivalents, as well as establishing communication with the sealing layer. Preferably, this layer has a thickness of between 200 and 1000 µm and is made of a transparent synthetic polymeric material, such as PDMS.

En una realización del dispositivo, este comprende además una capa de sellado (5), dispuesta sobre la capa de conexión (4). Esta capa permite el sellado no permanente del dispositivo MoC, mediante sistemas de fijación, preferentemente un sistema de tornillo y tuerca, e incluye una pluralidad de tubos y conectores de entrada/salida, dispuestos para regular la presión y el caudal aplicados a los modelos de órganos y al sistema microfluídico, o a parte de este. Preferentemente, la capa de sellado está fabricada en vidrio o polímeros sintéticos, siendo preferidos aquellos ópticamente transparentes, como policarbonato (PC), polipropileno (PP) o polimetilmetacrilato (PMMA), o combinaciones de los mismos. In one embodiment of the device, it further comprises a sealing layer (5) disposed over the connection layer (4). This layer allows for non-permanent sealing of the MoC device by means of fastening systems, preferably a screw and nut system, and includes a plurality of inlet/outlet tubes and connectors arranged to regulate the pressure and flow rate applied to the organ models and the microfluidic system, or a part thereof. Preferably, the sealing layer is made of glass or synthetic polymers, with optically transparent polymers such as polycarbonate (PC), polypropylene (PP), or polymethyl methacrylate (PMMA), or combinations thereof, being preferred.

En una realización del dispositivo, la presente invención se refiere a un dispositivo MoC diseñado para operar en condiciones homeostáticas, asistido por un conjunto de micro(bio)sensores integrados in situ con los modelos organoides, para el cribado y validación preclínica de nanomateriales y fármacos desarrollados para el tratamiento de enfermedades humanas, y un sensor óptico de pH integrado en el sistema microfluídico para monitorizar el medio de cultivo celular, el cual puede ser reemplazado cuando sea necesario. El MoC puede aplicarse en diferentes configuraciones, dependiendo de la arquitectura de los organoides representativos de los órganos presentes en el dispositivo. Además, el dispositivo descrito permite su aplicación en ensayos de seguridad, tales como modelos inmunológicos, infecciosos y/o oncológicos. In one embodiment of the device, the present invention relates to a MoC device designed to operate under homeostatic conditions, assisted by an array of micro(bio)sensors integrated in situ with the organoid models, for the preclinical screening and validation of nanomaterials and drugs developed for the treatment of human diseases, and an optical pH sensor integrated into the microfluidic system to monitor the cell culture medium, which can be replaced as needed. The MoC can be applied in different configurations, depending on the architecture of the organoids representing the organs present in the device. Furthermore, the described device allows its application in safety assays, such as immunological, infectious, and/or oncological models.

Ejemplo 1: Example 1:

En una realización del dispositivo, los microsensores de temperatura se fabrican mediante técnicas delift-off,con un área comprendida entre 0,076 y 0,38 mm2, un ancho de línea de 10 jm , una longitud de línea de entre 190 y 950 jm , un espaciado entre líneas de 10 jm y un grosor de película de 200 nm. La geometría del microsensor de temperatura comprende de 5 a 24 espiras, en una configuración de resistencia en forma de meandro de una película metálica delgada (Figura 8). La siguiente tabla muestra una realización de la sensibilidad del sensor para sensores con 5, 8, 12, 16, 20 o 24 espiras. In one embodiment of the device, the temperature microsensors are fabricated using lift-off techniques, with an area between 0.076 and 0.38 mm², a line width of 10 µm, a line length between 190 and 950 µm, a line spacing of 10 µm, and a film thickness of 200 nm. The temperature microsensor geometry comprises 5 to 24 turns in a meander-shaped resistor configuration of a thin metal film (Figure 8). The following table shows the sensor sensitivity for one embodiment with 5, 8, 12, 16, 20, or 24 turns.

Tabla I - Número de espiras en geometría en forma de serpentina (meandro)Table I - Number of turns in serpentine (meander) geometry

Número de espiras en forma de Ancho Longitud Área (mm2) Sensibilidad del ser entina mm mm sensor (mV/°C)Number of turns in the shape of Width Length Area (mm2) Sensor sensitivity (mV/°C)

En una realización del dispositivo, el proceso de fabricación comienza con la limpieza de una oblea de silicio o vidrio utilizando el equipo PVATepla GIGAbatch 360M, que emplea un plasma de microondas generado a partir de una mezcla de O2 y CF4, operando a 2,45 GHz. A continuación, se realiza un proceso delift-offde doble capa utilizando fotolitografía estándar y grabado húmedo, con resinas fotosensibles, reveladores y disolventes de la familia AZ de MicroChemicals. Se depositan secuencialmente una resina delift-off(LOR1A-SB200) y una resina fotosensible positiva (AZ4110) sobre el sustrato mediantespin coating,curadas a 200 °C durante 3 minutos y a 110 °C durante 1 minuto, respectivamente. Se utiliza un láser de alta resolución de 405 nm para exponer la resina fotosensible mediante un sistema de escritura directa (DWL2000, Heidelberg Instruments), seguido de un revelado con disolvente AZ400K durante 4,5 minutos. Posteriormente, se realiza una deposición física de vapor para aplicar dos capas porsputtering: una capa de adhesión de tántalo de 5 nm y una capa de platino de 200 nm. Tras ello, se elimina la resina delift-offutilizando una solución precalentada a 60 °C de mrREM500 (Microresist Technology GmbH) en un baño ultrasónico para mejorar la tasa de grabado. Este paso se realiza durante 150 minutos. Finalmente, los residuos de resina se eliminan mediante un proceso deashingcon plasma a alta temperatura durante 20 minutos. Se deposita además un aislante eléctrico con alta conductividad térmica sobre los microsensores de temperatura para aislarlos eléctricamente del medio fluídico, aumentar su resistencia química y mecánica, y proporcionar una respuesta rápida a los cambios de temperatura. Esta capa conformada puede ser de SiO<2>o Al<2>O3, depositada mediante deposición química de vapor (CVD) o deposición por capas atómicas (ALD), respectivamente. Posteriormente, se transfiere una máscara a la oblea utilizando un alineador de máscaras de alta resolución (MA6BA6 Suss Microtec). Para ello, se recubre la oblea con AZ4110 mediantespin coating,se cura a 110 °C durante 1 minuto, se expone a una longitud de onda de 365 nm y se revela con disolvente AZ400K. Se realiza un grabado en seco del SiO<2>mediante un sistema de grabado por iones reactivos (SPTS APS) o un grabado húmedo con disolvente de aluminio 16:1:2 W/AES (Fujifilm Electronic Materials), eliminando el material depositado únicamente en las regiones donde se realizarán los contactos eléctricos. Finalmente, se realiza un paso deashingcon plasma para eliminar los residuos de resina restantes. En una realización adicional, se llevaron a cabo mediciones de temperatura con los sensores fabricados. El equipo utilizado incluye una fuente de corriente para alimentar los sensores, una placa calefactora como fuente de calor para controlar la temperatura, un multímetro para leer las señales eléctricas de los sensores y una cámara infrarroja para confirmar los cambios de temperatura. La corriente de alimentación es de 100-500|jA, ya que corrientes superiores pueden generar un error conocido comoauto-calentamiento.In one embodiment of the device, the manufacturing process begins with the cleaning of a silicon or glass wafer using the PVATepla GIGAbatch 360M, which employs a microwave plasma generated from a mixture of O2 and CF4, operating at 2.45 GHz. A double-layer lift-off process is then performed using standard photolithography and wet etching, with photosensitive resins, developers, and solvents from the MicroChemicals AZ family. A lift-off resin (LOR1A-SB200) and a positive photosensitive resin (AZ4110) are sequentially deposited onto the substrate using spin coating, cured at 200 °C for 3 minutes and 110 °C for 1 minute, respectively. A high-resolution 405 nm laser is used to expose the photosensitive resin using a direct writing system (DWL2000, Heidelberg Instruments), followed by development with AZ400K solvent for 4.5 minutes. Physical vapor deposition is then performed to apply two layers by sputtering: a 5 nm tantalum adhesion layer and a 200 nm platinum layer. The resin is then lifted off using a preheated 60 °C solution of mrREM500 (Microresist Technology GmbH) in an ultrasonic bath to improve the etching rate. This step is performed for 150 minutes. Finally, the resin residue is removed by a high-temperature plasma deashing process for 20 minutes. An electrical insulator with high thermal conductivity is also deposited onto the temperature microsensors to electrically isolate them from the fluid medium, increase their chemical and mechanical resistance, and provide a rapid response to temperature changes. This conformal layer can be either SiO₂ or Al₂O₃, deposited by chemical vapor deposition (CVD) or atomic layer deposition (ALD), respectively. A mask is then transferred to the wafer using a high-resolution mask aligner (MA6BA6 Suss Microtec). The wafer is coated with AZ4110 using spin coating, cured at 110 °C for 1 minute, exposed to a wavelength of 365 nm, and developed with AZ400K solvent. The SiO₂ is then dry-etched using a reactive ion etching system (SPTS APS) or wet-etched with 16:1:2 W/AES aluminum solvent (Fujifilm Electronic Materials), removing the deposited material only in the areas where the electrical contacts will be made. Finally, a plasma deashing step is performed to remove any remaining resin residue. In a further embodiment, temperature measurements were performed using the fabricated sensors. The equipment used included a power supply to power the sensors, a heating plate as a heat source to control the temperature, a multimeter to read the electrical signals from the sensors, and an infrared camera to confirm the temperature changes. The power supply current was 100–500 µA, as higher currents could generate an error known as self-heating.

En una realización del dispositivo, se evaluó el rendimiento de los microsensores de temperatura con 5, 8, 12, 16, 20 y 24 espiras, considerando su sensibilidad y linealidad (Figura 9). Los resultados mostraron un incremento lineal de la sensibilidad con el número de espiras (Figura 10). In one embodiment of the device, the performance of temperature microsensors with 5, 8, 12, 16, 20, and 24 turns was evaluated, considering their sensitivity and linearity (Figure 9). The results showed a linear increase in sensitivity with the number of turns (Figure 10).

En una realización del dispositivo, laFigura 9muestra la respuesta de los detectores de temperatura por resistencia. Se observa una alta linealidad entre la temperatura y el potencial eléctrico. Además, al aumentar el número de espiras, la sensibilidad también aumenta linealmente (Figura 10). La sensibilidad experimental de los sensores varía entre 0,0719 y 0,3542 mV/°C para sensores con 5 a 24 espiras. En una realización, dado que la mayor sensibilidad se obtiene con el sensor de 24 espiras (~35<j>V por incremento de 0,1 °C), esta geometría fue seleccionada para su integración en el dispositivo órgano-en-un-chip. In one embodiment of the device, Figure 9 shows the response of the resistance temperature detectors. A high degree of linearity between temperature and electrical potential is observed. Furthermore, as the number of turns increases, the sensitivity also increases linearly (Figure 10). The experimental sensitivity of the sensors ranges from 0.0719 to 0.3542 mV/°C for sensors with 5 to 24 turns. In one embodiment, since the highest sensitivity is obtained with the 24-turn sensor (approximately 35 V per 0.1 °C increment), this geometry was selected for integration into the organ-on-a-chip device.

En una realización del dispositivo, el sistema de calentamiento se fabrica simultáneamente con los sensores de temperatura, utilizando el mismo proceso de fabricación. La geometría de los calentadores consiste en una película metálica resistiva delgada con forma de meandro, espiral, bobina u otra configuración (Figura 11). Se realizaron simulaciones numéricas de cinco microcalentadores resistivos y se analizó la distribución de temperatura (Figuras 12A y 12B). Todos ellos presentan potencial para generar un sistema de calentamiento en el rango de 35 a 45 °C, pero el calentador 1 proporciona una mayor uniformidad en la distribución térmica, con una variación inferior a 2 °C entre la periferia y la región central (Figuras 12A y 12B). LaTabla 1muestra los resultados de simulación de la temperatura obtenida en cada calentador con diferentes tensiones eléctricas. LaFigura 16muestra el perfil térmico experimental del calentador 1, obtenido con una cámara infrarroja: a) sin alimentación, sin calentamiento; y b) con una corriente de 250 mA, calentando el actuador. In one embodiment of the device, the heating system is manufactured simultaneously with the temperature sensors, using the same fabrication process. The heaters consist of a thin resistive metal film shaped like a meander, spiral, coil, or other configuration (Figure 11). Numerical simulations of five resistive microheaters were performed, and their temperature distributions were analyzed (Figures 12A and 12B). All of them show potential for generating a heating system in the 35–45 °C range, but heater 1 provides greater uniformity in the thermal distribution, with a variation of less than 2 °C between the periphery and the central region (Figures 12A and 12B). Table 1 shows the simulation results of the temperature obtained for each heater with different electrical voltages. Figure 16 shows the experimental thermal profile of heater 1, obtained with an infrared camera: a) without power, without heating; and b) with a current of 250 mA, heating the actuator.

En una realización del dispositivo, los sensores de temperatura incluyen una fuente de alimentación y un circuito electrónico para su control y lectura (Figura 13). Se utilizó una fuente de corriente ajustable (por ejemplo, el LM134) para proporcionar una corriente precisa de 100-500 |jA para excitar los sensores. Este componente fue elegido por su capacidad de ajustar la corriente entre 1 jA y 10 mA con alta precisión y bajo nivel de ruido. Cualquier fluctuación en la corriente de excitación genera una variación en el potencial eléctrico del sensor, por lo que la precisión de la fuente de corriente es crucial para el rendimiento de las mediciones de temperatura, especialmente cuando se requiere alta resolución (0,1 °C). Se implementó un circuito electrónico de lectura de alta sensibilidad y bajo ruido, preferentemente basado en una configuración de 4 hilos o puente de Wheatstone, conectado a un amplificador (por ejemplo, el INA126 de Texas Instruments), para amplificar las señales del sensor y convertirlas en un nivel de voltaje utilizable por el convertidor analógico-digital (ADC) del microcontrolador, y posteriormente almacenarlas en una tarjeta SD o mostrarlas en una pantalla. In one embodiment of the device, the temperature sensors include a power supply and an electronic circuit for their control and reading (Figure 13). An adjustable current source (e.g., the LM134) was used to provide a precise current of 100–500 µA to excite the sensors. This component was chosen for its ability to adjust the current between 1 µA and 10 mA with high accuracy and low noise. Any fluctuation in the excitation current generates a variation in the sensor's electrical potential, so the accuracy of the current source is crucial for the performance of the temperature measurements, especially when high resolution (0.1 °C) is required. A high-sensitivity, low-noise electronic reading circuit was implemented, preferably based on a 4-wire or Wheatstone bridge configuration, connected to an amplifier (e.g., the Texas Instruments INA126), to amplify the sensor signals and convert them into a voltage level usable by the microcontroller's analog-to-digital converter (ADC), and subsequently store them on an SD card or display them on a screen.

En una realización del dispositivo, laFigura 17representa esquemáticamente la estructura en forma de meandro de uno de los microsensores de temperatura. In one embodiment of the device, Figure 17 schematically represents the meander-shaped structure of one of the temperature microsensors.

En una realización del dispositivo, la geometría del detector de temperatura estudiado consiste en espiras en forma de meandro (de 5 a 24) de una película delgada de platino de 200 nm, con un ancho y espaciado de línea de 10 jm . El ancho total se fijó en 400 jm y la longitud varía en función del número de espiras. In one embodiment of the device, the geometry of the temperature detector studied consists of meander-shaped turns (from 5 to 24) of a 200 nm platinum thin film, with a width and line spacing of 10 jm. The total width was fixed at 400 jm and the length varies depending on the number of turns.

En una realización del dispositivo, estos microsensores se diseñaron con una configuración de cuatro hilos, donde la excitación se aplica a través de los contactos externos y el potencial eléctrico se mide en los contactos internos. Esta configuración permite una lectura precisa del potencial eléctrico sin interferencias de los cables de excitación. In one embodiment of the device, these microsensors were designed with a four-wire configuration, where excitation is applied through the external contacts and the electrical potential is measured at the internal contacts. This configuration allows for an accurate reading of the electrical potential without interference from the excitation wires.

LaTabla IImuestra los resultados de simulación de la temperatura media obtenida en el calentador utilizando diferentes tensiones eléctricas. Table II shows the simulation results of the average temperature obtained in the heater using different electrical voltages.

Tabla II - Resultados de la temperatura media obtenida en el calentador utilizando varios voltajes eléctricos.Table II - Results of the average temperature obtained in the heater using various electrical voltages.

En una realización del dispositivo, las simulaciones y los resultados experimentales muestran que una de las mejores geometrías para el sensor de temperatura RTD es en forma de meandro fabricado en platino, con 24 espiras, un grosor de película de platino de 200 nm, un ancho y espaciado de línea de 10 |jm y un área total del RTD de 0,38 mm2. Además, el rendimiento del microsensor presenta una alta sensibilidad a los cambios de temperatura, aproximadamente 0,3542 mV/°C. El tamaño reducido de cada sensor permite integrar múltiples sensores en una cámara microfluídica para realizar mediciones de temperatura en tiempo real con alta precisión. En una realización del dispositivo, el sensor también permite evaluar la temperatura del microambiente, lo cual proporciona información esencial para valorar la eficiencia de nanotransportadores de fármacos activados por temperatura moderada dentro del dispositivo órgano-en-un-chip. In one embodiment of the device, simulations and experimental results show that one of the best geometries for the RTD temperature sensor is a platinum meander shape with 24 turns, a platinum film thickness of 200 nm, a line width and spacing of 10 µm, and a total RTD area of 0.38 mm². Furthermore, the microsensor exhibits high sensitivity to temperature changes, approximately 0.3542 mV/°C. The small size of each sensor allows for the integration of multiple sensors into a microfluidic chamber for highly accurate, real-time temperature measurements. In one embodiment of the device, the sensor also allows for the evaluation of the microenvironment temperature, providing essential information for assessing the efficiency of moderate-temperature-activated drug nanocarriers within the organ-on-a-chip device.

El sensor de pH fue fabricado mediante el siguiente método.En una realización del dispositivo, las microestructuras piramidales para los sensores de pH se obtienen a partir de una oblea de silicio con orientación cristalina {100} en el plano superficial, utilizando un proceso de grabado húmedo anisotrópico con hidróxido de potasio (KOH). The pH sensor was manufactured using the following method. In one embodiment of the device, the pyramidal microstructures for the pH sensors are obtained from a silicon wafer with {100} crystal orientation in the surface plane, using an anisotropic wet etching process with potassium hydroxide (KOH).

En una realización del dispositivo, el proceso de fabricación comienza con la deposición de los materiales utilizados como máscara para el grabado húmedo sobre la superficie de la oblea de silicio. Se deposita una capa de dióxido de silicio (SiO2) seguida de una capa de nitruro de silicio (SiNx), mediante deposición química de vapor asistida por plasma (PECVD). La oblea se expone posteriormente a hexametildisilazano (HDMS) a 150 °C durante 5 minutos para eliminar la humedad y favorecer la adhesión de la resina fotosensible. A continuación, se recubre con una resina fotosensible positiva mediantespin coatingy se hornea sobre la superficie de la oblea, para ser posteriormente expuesta mediante litografía óptica. Tras el revelado para eliminar la resina expuesta, el patrón de la máscara se transfiere a la bicapa de óxido/nitruro mediante un proceso de grabado por iones reactivos (RIE). Finalmente, la máscara de resina se elimina mediante incineración con plasma de oxígeno, y se realiza el grabado húmedo con solución acuosa de KOH para definir las microestructuras de silicio. In one embodiment of the device, the fabrication process begins with the deposition of the materials used as a wet-etching mask onto the surface of the silicon wafer. A layer of silicon dioxide (SiO2) is deposited, followed by a layer of silicon nitride (SiNx), using plasma-assisted chemical vapor deposition (PECVD). The wafer is then exposed to hexamethyldisilazane (HDMS) at 150 °C for 5 minutes to remove moisture and promote the adhesion of the photosensitive resin. Next, it is coated with a positive photosensitive resin using spin coating and baked onto the wafer surface, followed by optical lithography. After development to remove the exposed resin, the mask pattern is transferred to the oxide/nitride bilayer using reactive ion etching (RIE). Finally, the resin mask is removed by oxygen plasma incineration, and wet etching is performed with an aqueous KOH solution to define the silicon microstructures.

En una realización del dispositivo, la formación de la pirámide se basa en el socavado de esquinas convexas, donde se revelan planos cristalinos de grabado rápido local. El proceso comienza con la formación de planos cristalinos de silicio {111}. Tras alcanzar cierta profundidad de grabado, estos planos {111} son eliminados por planos de grabado más rápido, formando una base octogonal. La forma piramidal se completa cuando ocho planos cristalinos de alto índice, revelados como planos {312}, convergen en la parte superior del tronco, generando una punta afilada. En esta etapa, la máscara restante se desprende. Una vez alcanzada la altura deseada de la pirámide, la oblea se enjuaga con agua desionizada para detener el proceso de grabado y se seca con nitrógeno. In one embodiment of the device, pyramid formation relies on undercutting convex corners, revealing locally fast-etched crystal planes. The process begins with the formation of silicon {111} crystal planes. After reaching a certain etching depth, these {111} planes are removed by faster-etching planes, forming an octagonal base. The pyramidal shape is completed when eight high-index crystal planes, revealed as {312} planes, converge at the top of the trunnion, creating a sharp point. At this stage, the remaining mask is removed. Once the desired pyramid height is reached, the wafer is rinsed with deionized water to stop the etching process and dried with nitrogen.

En una realización del dispositivo, la relación de aspecto entre la altura de la pirámide y el diámetro de su base, definida por planos cristalográficos de alto índice, es de 3:2. Con una comprensión detallada del proceso de socavado en esquinas convexas para la formación de pirámides, es posible calcular el tamaño de las máscaras para alcanzar cualquier altura deseada. Preferentemente, tanto la concentración de KOH (entre 5 % y 50 % en peso) como la temperatura deben seleccionarse cuidadosamente para lograr un control más preciso de las velocidades de grabado en las distintas orientaciones cristalinas. Este proceso de fabricación permite obtener microestructuras piramidales sobre una superficie plana definida por la orientación cristalina {100}. En etapas posteriores, puede emplearse un proceso de deposición física de vapor para depositar metales eléctricamente conductores, tales como, sin limitarse a ellos, plata, cloruro de plata, oro, platino, óxido de iridio u óxido de aluminio. Finalmente, puede aplicarse una capa de material biocompatible, como óxido de silicio, parileno C o poliimida, mediante deposición química de vapor o un proceso de recubrimiento por giro. In one embodiment of the device, the aspect ratio between the pyramid's height and its base diameter, defined by high-index crystallographic planes, is 3:2. With a detailed understanding of the convex corner undercutting process for pyramid formation, it is possible to calculate the size of the masks to achieve any desired height. Preferably, both the KOH concentration (between 5% and 50% by weight) and the temperature should be carefully selected to achieve more precise control of the etching speeds in the various crystal orientations. This fabrication process allows for obtaining pyramidal microstructures on a flat surface defined by the {100} crystal orientation. In subsequent stages, a physical vapor deposition process can be employed to deposit electrically conductive metals, such as, but not limited to, silver, silver chloride, gold, platinum, iridium oxide, or aluminum oxide. Finally, a layer of biocompatible material, such as silicon oxide, parylene C, or polyimide, can be applied by chemical vapor deposition or a spin coating process.

La integración de los sensores en el dispositivo microfluídico se describe a continuación. The integration of the sensors into the microfluidic device is described below.

En una realización del dispositivo, el proceso de fabricación utilizado para las microestructuras piramidales proporciona una superficie inferior bastante plana, definida por planos con orientación cristalina {100}. Si se seleccionan adecuadamente la concentración de KOH y la temperatura, la rugosidad superficial obtenida permitirá la integración monolítica de los calentadores metálicos y los sensores de temperatura. Tras la fabricación de los sensores de pH y las estructuras metálicas sobre el sustrato de silicio, será posible integrar todos estos dispositivos en una plataforma microfluídica mediante la creación de canales microfluídicos con un proceso de litografía SU-8, o mediante el acoplamiento a una capa microfluídica de PDMS previamente moldeada. In one embodiment of the device, the fabrication process used for the pyramidal microstructures yields a relatively flat underside, defined by planes with a {100} crystal orientation. With appropriate selection of the KOH concentration and temperature, the resulting surface roughness will allow for the monolithic integration of the metal heaters and temperature sensors. After fabricating the pH sensors and metal structures on the silicon substrate, all these devices can be integrated into a microfluidic platform by creating microfluidic channels using an SU-8 lithography process, or by coupling them to a pre-molded PDMS microfluidic layer.

En una realización del dispositivo, se puede lograr una rugosidad superficial baja (~10 nm) en superficies con orientación cristalina {100} de silicio si se utilizan concentraciones de KOH relativamente altas (>30 %) y temperaturas altas (>70 °C), lo que permite una integración monolítica posterior de los calentadores metálicos y los sensores de temperatura. In one embodiment of the device, a low surface roughness (~10 nm) can be achieved on silicon surfaces with {100} crystal orientation if relatively high KOH concentrations (>30%) and high temperatures (>70 °C) are used, allowing for subsequent monolithic integration of the metal heaters and temperature sensors.

La presente invención comprende un sistema microfluídico avanzado para la validación y estudio de nanomateriales, fármacos o mezclas de los mismos, destinados a ser utilizados en aplicaciones biomédicas y/o farmacéuticas. La presente invención se refiere a un dispositivo para la producción de un cultivo o cultivos celulares organoides que comprende: una capa base de soporte; una capa transductora dispuesta sobre la capa base; una capa intermedia dispuesta sobre la capa transductora, que comprende una pluralidad de aberturas para formar cavidades para el crecimiento de organoides y una pluralidad de ranuras para formar una red de microcanales para el flujo de fluido; en donde la capa transductora comprende un dispositivo de calentamiento y al menos una pluralidad de sensores en cada cavidad para el control y crecimiento celular; en donde cada sensor está dispuesto para medir un parámetro de crecimiento celular organoide en el interior de cada cavidad. The present invention comprises an advanced microfluidic system for the validation and study of nanomaterials, drugs, or mixtures thereof, intended for use in biomedical and/or pharmaceutical applications. The present invention relates to a device for the production of one or more organoid cell cultures comprising: a base support layer; a transducer layer disposed on the base layer; an intermediate layer disposed on the transducer layer, comprising a plurality of openings to form cavities for organoid growth and a plurality of slots to form a microchannel network for fluid flow; wherein the transducer layer comprises a heating device and at least a plurality of sensors in each cavity for cell growth monitoring; wherein each sensor is arranged to measure an organoid cell growth parameter within each cavity.

Claims (15)

REIVINDICACIONES 1. Un dispositivo para la producción de un cultivo o cultivos celulares organoides, que comprende:1. A device for the production of an organoid cell culture or cultures, comprising: una capa base (1) de soporte;a base layer (1) of support; una capa transductora (2) dispuesta sobre la capa base (1); ya transducer layer (2) disposed on the base layer (1); and una capa intermedia (3), dispuesta sobre la capa transductora (2), que comprende una pluralidad de aberturas para formar cavidades destinadas al crecimiento de organoides y una red de microcanales para el flujo de fluido;an intermediate layer (3), arranged over the transducer layer (2), comprising a plurality of openings to form cavities intended for the growth of organoids and a network of microchannels for fluid flow; en donde la capa transductora (2) comprende un dispositivo de calentamiento (8) y al menos una pluralidad de sensores en cada cavidad para el control y crecimiento celular;wherein the transducer layer (2) comprises a heating device (8) and at least a plurality of sensors in each cavity for cell control and growth; en donde cada sensor está dispuesto para medir un parámetro de crecimiento celular organoide en el interior de cada cavidad;where each sensor is arranged to measure an organoid cell growth parameter inside each cavity; en donde el dispositivo de calentamiento (8) está ubicado en el interior de cada cavidad;wherein the heating device (8) is located inside each cavity; en donde el dispositivo de calentamiento (8) y la pluralidad de sensores están en contacto directo con el cultivo o cultivos celulares organoides;wherein the heating device (8) and the plurality of sensors are in direct contact with the organoid cell culture or cultures; en donde la pluralidad de sensores se selecciona entre sensor de temperatura (7), sensor de pH (9) o combinaciones de los mismos.where the plurality of sensors is selected from temperature sensor (7), pH sensor (9) or combinations thereof. 2. El dispositivo según la reivindicación 1, en donde los sensores de temperatura (7) son detectores de temperatura por resistencia.2. The device according to claim 1, wherein the temperature sensors (7) are resistance temperature detectors. 3. El dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el número de sensores de temperatura (7) en cada cavidad varía entre 1 y 48, preferiblemente entre 4 y 16.3. The device according to any of the preceding claims, wherein the number of temperature sensors (7) in each cavity varies between 1 and 48, preferably between 4 and 16. 4. El dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el sensor de temperatura (7) comprende una resistencia en forma de meandro de una película metálica, preferiblemente comprendiendo la forma de meandro entre 5 y 72 espiras, más preferiblemente entre 5 y 24.4. The device according to any of the preceding claims, wherein the temperature sensor (7) comprises a meander-shaped resistor of a metallic film, preferably comprising the meander shape of between 5 and 72 turns, more preferably between 5 and 24. 5. El dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la configuración del dispositivo de calentamiento (8) se selecciona entre meandro, espiral o bobina; preferiblemente una espiral y/o en donde el dispositivo de calentamiento está fabricado con un filamento de película metálica, preferiblemente siendo la película metálica de platino.5. The device according to any of the preceding claims, wherein the configuration of the heating device (8) is selected from meander, spiral or coil; preferably a spiral and/or wherein the heating device is made of a metal film filament, preferably the metal film being platinum. 6.El dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la pluralidad de sensores de pH (9) está agrupada, y en donde cada cavidad comprende varios grupos de una pluralidad de sensores de pH (9), preferiblemente en donde la pluralidad de sensores de pH (9) está agrupada para formar una matriz, más preferiblemente los grupos de una pluralidad de sensores de pH (9) estando distribuidos uniformemente en la cavidad.6. The device according to any of the preceding claims, wherein the plurality of pH sensors (9) is grouped, and wherein each cavity comprises several groups of a plurality of pH sensors (9), preferably wherein the plurality of pH sensors (9) is grouped to form an array, more preferably the groups of a plurality of pH sensors (9) being evenly distributed in the cavity. 7. El dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la forma de los sensores de pH (9) comprende una forma de microaguja (12) o una forma piramidal, preferiblemente una forma piramidal con una base plana y una punta afilada.7. The device according to any of the preceding claims, wherein the shape of the pH sensors (9) comprises a microneedle shape (12) or a pyramidal shape, preferably a pyramidal shape with a flat base and a sharp point. 8. El dispositivo según la reivindicación 7, en donde la punta afilada de la forma piramidal comprende 8 planos cristalinos de alto índice y/o en donde la base plana comprende orientación cristalina de silicio {100} y/o en donde la relación de aspecto entre la altura de la pirámide y el diámetro de la base es de 3:2.8. The device according to claim 7, wherein the sharp tip of the pyramidal shape comprises 8 high-index crystal planes and/or wherein the flat base comprises silicon crystal orientation {100} and/or wherein the aspect ratio between the height of the pyramid and the diameter of the base is 3:2. 9. El dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los sensores de pH (9) comprenden silicio recubierto con un metal eléctricamente conductor, en donde el metal es seleccionado de una lista que consiste en: plata, cloruro de plata, oro, platino, óxido de iridio, óxido de aluminio, y recubierto con un material biocompatible seleccionado entre óxido de silicio, parileno C, poliimida, y combinaciones de los mismos.9. The device according to any of the preceding claims, wherein the pH sensors (9) comprise silicon coated with an electrically conductive metal, wherein the metal is selected from a list consisting of: silver, silver chloride, gold, platinum, iridium oxide, aluminum oxide, and coated with a biocompatible material selected from silicon oxide, parylene C, polyimide, and combinations thereof. 10. El dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una capa de conexión (4) que incluye conectores para la introducción del fluido en el microcanal y/o una capa de sellado (5).10. The device according to any of the preceding claims, comprising a connection layer (4) including connectors for introducing the fluid into the microchannel and/or a sealing layer (5). 11. El dispositivo según la reivindicación 10, en donde la capa de sellado (5) comprende una pluralidad de tubos y conectores para la regulación de la presión y el flujo del sistema microfluídico de la capa intermedia.11. The device according to claim 10, wherein the sealing layer (5) comprises a plurality of tubes and connectors for regulating the pressure and flow of the microfluidic system of the intermediate layer. 12. El dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la capa intermedia (3) comprende una microentrada y una microsalida para conectar un sistema microfluídico de la red de microcanales (10) con la pluralidad de cavidades organoides para el crecimiento celular.12. The device according to any of the preceding claims, wherein the intermediate layer (3) comprises a micro-inlet and a micro-outlet for connecting a microfluidic system of the microchannel network (10) with the plurality of organoid cavities for cell growth. 13. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la capa transductora (2) comprende además al menos un sensor de pO2, o sensores de CO2, o sensores de NO, o sensores de captura de analitos, o sensores metabólicos, o combinaciones de los mismos; y/o en donde la capa transductora (2) comprende además sensores potenciométricos, o sensores amperométricos, o sensores de impedancia, o sensores ópticos, o sensores de ondas acústicas superficiales, o combinaciones de los mismos.13. Device according to any of the preceding claims, wherein the transducer layer (2) further comprises at least one pO2 sensor, or CO2 sensors, or NO sensors, or analyte capture sensors, or metabolic sensors, or combinations thereof; and/or wherein the transducer layer (2) further comprises potentiometric sensors, or amperometric sensors, or impedance sensors, or optical sensors, or surface acoustic wave sensors, or combinations thereof. 14. El dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el dispositivo es un multiórgano-en-unchip.14. The device according to any of the preceding claims, wherein the device is a multi-organ-on-a-chip. 15. Uso del dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14 como monitor de parámetros fisicoquímicos de cultivos celulares organoides a largo plazo.15. Use of the device according to any of claims 1 to 14 as a monitor of physicochemical parameters of long-term organoid cell cultures.
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