Fabrication of a 3D in vitro model that mimics the artery takes an important role in understanding pathological cell behaviors and mechanisms of vascular diseases by proposing an advanced model that can recapitulate a native vessel condition in a controlled manner. Because a model geometry and the structure of cells are significant for the recapitulation of the hemodynamics of artery and cell functions, it is necessary to mimic geometries and to induce the proper morphology and orientation of the cells when fabricating a model. In this thesis, I present a perfusable three-dimensional (3D) in vitro human artery-mimicking multichannel system for artery disease models. Smooth muscle cells (SMCs) and endothelial cells (ECs), which were the main elements in the arterial wall, were co-cultured in a multichannel device connected with fluidic chamber modules to parallelly fabricate a pefusable 3D in vitro human artery-mimicking multichannel system. A circular polydimethylsiloxane channel with a wrinkled-surface guided directionality and contractile morphology to SMCs, and media perfusion induced directionality to a confluent EC layer as in vivo. Various geometries of models were obtained by 3D-printed molds to recapitulate various cellular microenvironments and to model vessels effectively. After the establishment of the models, a modular system was introduced to demonstrate stenosis and inflammation and to study physical and chemical effects on the biomimetic artery models. The manipulation became reproducible and stable through modularization, and each module could be replaced according to analytical purposes. A microfluidic concentration gradient generator module was used to achieve the cellular state of inflamed lesions by providing tumor necrosis factor (TNF)-α, in addition to the stenosis structure and disturbed flow by tuning the channel geometry. The influence of shear stress, stenosis geometry, TNF-α concentration, and cell–cell interaction through co-culture, on vascular stenosis and inflammation, was investigated in a high-throughput manner.
삼차원 동맥 모사 모델은 병리학적 세포 행동과 혈관 질환의 메커니즘을 이해하는 데 중요한 역할을 한다. 모델을 제작할 때 혈관 구조의 모방과 알맞은 형태와 방향의 세포 배양이 필요하다. 본 학위논문에서는, 동맥 질환 연구를 위한 인체 동맥을 모사한 관류형 삼차원 체외 다채널 시스템을 제안한다. 동맥벽의 주요 요소인 평활근세포와 내피세포를 유체 모듈과 연결된 다채널 장치에서 병렬로 공배양했다. 주름진 표면의 원형 채널은 평활근세포에 방향성과 수축 형태를, 관류 배양은 포화된 내피세포 단층에 체내와 같은 방향성을 유도했다. 다양한 세포 미세환경을 재현하고 혈관을 효과적으로 모델링하기 위해 삼차원 프린팅 몰드로 다양한 구조의 모델을 제작했다. 모델 구축 후 협착 및 염증, 그리고 체외 동맥 모델에 대한 물리적 및 화학적 영향을 연구하기 위해 모듈식 시스템을 도입했다. 모듈화를 통해 재현성 있고 안정적인 조작을 할 수 있었으며 분석 목적에 따라 각 모듈을 교체 할 수 있었다. 채널 구조 조절을 통해 얻은 협착 구조 외에도 농도 구배 생성 모듈을 이용해 종양괴사인자-α를 처리해 염증 병변의 세포 상태를 모사한 모델을 제작했다. 이 시스템을 이용해 전단 응력, 협착 구조, 종양괴사인자-α 농도 및 공배양을 통한 세포-세포 상호작용이 동맥 협착 및 염증에 미치는 영향을 연구할 수 있었다.
