Design, analysis and experimental verification of an organ-on-a-chip device

Abstract

The organ-on-a-chip (OoC) technology has experienced exponential growth, driven by the need for better understanding of in-organ processes and new approaches to improve human health, such as in vitro alternatives to animal testing. This research aims to study the flow behavior and filling characteristics in lung- and liver-on-a-chip devices using Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis and experimental verification of computational and theoretical results. Three microfluidic chip designs are investigated in this work. The geometrical modeling was conducted using SolidWorks computer-aided design package, while computational analysis was performed in Comsol Multiphysics and ANSYS software packages. The main focus was on analyzing the fluid flow behavior and flooding characteristics with the aim of subsequently improving the functionality of the studied OoCs. It is hypothesized that the simulations conducted on the lung- and liver-on-a-chip will adequately capture the behavior and functional models of fluid flows observed in relevant experiments. Initial and resulting designs were tested experimentally, with the lung-on-a-chip design integrated with a nanofiber membrane. The Brinkman Equation interface in COMSOL multiphysics was used to accurately model the flow in a lung-on-a-chip device, providing insights into the behavior of the fluids in the device and suggesting optimal experimental conditions for seeding cells on the membrane. This research has successfully analyzed fluid flow behavior and filling characteristics in lung- and liver-on-a-chip devices, offering valuable insights for design refinement and improved functionality. Future studies can rely the experimental verification and design of the chip.

"Чиптегі орган" (Oc) технологиясы экспоненциалды өсуді бастан кешірді, бұл органдардағы процестерді және адам денсаулығын жақсартудың жаңа тәсілдерін, мысалы, жануарларды in vitro сынаудың баламаларын жақсырақ түсіну қажеттілігінен туындады. Бұл зерттеу cұйықтықтың Есептеу Динамикасын (CFD) талдауды және есептеу және теориялық нәтижелерді эксперименттік тексеруді пайдалана отырып, чиптегі өкпе және бауыр құрылғыларындағы ағынның әрекеті мен толтыру сипаттамаларын зерттеуге бағытталған. Бұл жұмыста микрофлюидтік чиптердің үш конструкциясы зерттелген. Геометриялық модельдеу SolidWorks автоматтандырылған дизайн пакетін қолдану арқылы жүргізілді, ал Есептеу талдауы Comsol Multiphysics және ANSYS бағдарламалық пакеттерінде жүргізілді. Зерттелетін Oc-тердің функционалдығын кейіннен жақсарту мақсатында сұйықтық ағынының мінез-құлқын және су басу сипаттамаларын талдауға басты назар аударылды. Чиптегі өкпе мен бауырда жүргізілген модельдеу тиісті эксперименттерде байқалған сұйықтық ағындарының мінез - құлқы мен функционалдық үлгілерін жеткілікті түрде көрсетеді деген болжам бар. Бастапқы және алынған конструкциялар эксперименталды түрде сыналды, "чиптегі өкпе" дизайны нанофибра мембранасымен біріктірілді. COMSOL multiphysics-тегі Бринкман Теңдеуінің интерфейсі "чиптегі өкпе" құрылғысындағы ағынды дәл модельдеу үшін пайдаланылды, бұл құрылғыдағы сұйықтықтардың әрекеті туралы түсінік берді және мембранадағы жасушаларды себу үшін оңтайлы эксперименттік жағдайларды ұсынды. Бұл зерттеу дизайнды нақтылау және функционалдылықты жақсарту үшін құнды ақпаратты ұсына отырып, чиптегі өкпе мен бауыр құрылғыларындағы сұйықтық ағынының мінез - құлқын және толтыру сипаттамаларын сәтті талдады. Болашақ зерттеулер чипті эксперименттік тексеруге және жобалауға негізделуі мүмкін.