Измерение плотности и вязкости культуральных сред для оптимизации анализа устройств in vitro методом вычислительной гидродинамики

В анализе методом вычислительной гидродинамики (CFD) систем культивирования in vitro, в которых присутствует поток, например биореакторов и систем «орган-на-чипе», культуральную среду часто моделируют как воду. Однако из-за более высокого содержания растворённых веществ свойства культуральной среды могут отличаться от свойств воды. Кроме того, в процессе культивирования клеточная активность, включая метаболизм и секрецию белков внеклеточного матрикса, изменяет состав среды и, следовательно, её свойства. Поскольку эти свойства непосредственно определяют гидромеханические стимулы, воздействующие на клетки in vitro, для точного CFD-моделирования и содержательной интерпретации клеточных ответов необходимо учитывать как их исходные значения, так и изменения в процессе культивирования. В настоящем исследовании измеряли плотность и динамическую вязкость сред DMEM и RPMI-1640 с типичным содержанием фетальной бычьей сыворотки (ФБС; 0, 5, 10 и 20% по объёму) для использования в качестве справочных данных при вычислительном проектировании. Также изучали изменения свойств сред в процессе культивирования клеточных линий NCI-H460 и HN6. Плотность и динамическая вязкость сред увеличивались пропорционально объёмной доле добавленной ФБС. Важно, что вязкость RPMI-1640 с добавлением 5% ФБС значительно возрастала после 3 суток культивирования клеточных линий NCI-H460 и HN6, причём степень изменения существенно различалась между клеточными линиями. Наконец, полученные экспериментальным путём значения использовали при CFD-анализе простого микрофлюидного устройства, который продемонстрировал явные различия максимальных касательных напряжений на стенке и давления в зависимости от выбранной модели жидкости. В целом эти результаты подчёркивают важность определения свойств, специфичных для конкретной модели, при CFD-проектировании систем культивирования клеток.