Engineering in vitro large area capillary bed using open microfluidics = 미세유체 기술을 이용한 체외 대면적 모세관 배드 구현

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Vessel-on-a-Chip (VoC) technology, developed to replicate human vasculature in vitro, has advanced into two primary methodologies: endothelial cell (EC) coating and self-assembly. The EC coating approach enables precise engineering control over vessel length and inlet/outlet interfaces, but depends on artificial boundaries that do not fully capture the physiological characteristics of the native extracellular matrix. In contrast, the self-assembly method produces highly physiological microvessels through cell-autonomous mechanisms, yet it remains limited in the ability to control vascular geometry and to achieve scalable vessel lengths.
This study introduces a novel hybrid platform that integrates the advantages of both EC coating and self-assembly methods to generate high-quality vasculature conforming to engineered geometries while preserving biological relevance. A central innovation is the development of precise engineering design rules based on Spontaneous Capillary Flow (SCF), advancing beyond the basic application of this phenomenon. By optimizing surface energy and geometric parameters to meet both flow and pinning requirements, a design rule was established that enables stable patterning of complex channel structures with widths as narrow as 250 µm, a resolution challenging to achieve with conventional 3D printing. Additionally, the incorporation of stepped bumps and post structures minimizes process errors during gel injection and ensures the spontaneous formation of perfusable ports following culture.
Co-culture of human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) and lung fibroblasts (LFs) within this platform resulted in the formation of a perfusable, lumenized 3D microvascular network extending over 7 mm along the engineered guide rails. These results indicate that overcoming the geometric control limitations of traditional self-assembly and enabling the design of vessels into predetermined shapes allows for the simultaneous achievement of the scalable length and defined interfaces characteristic of the coating method, as well as the high physiological relevance associated with the self-assembly method.
In summary, this study presents a standardized VoC platform that replicates physiological diffusion distances while ensuring stable culture and perfusion, facilitated by SCF-based precision design rules. This platform is anticipated to serve as a reliable experimental tool for applications that require complex vascular architectures, including cancer research and drug screening.

국문 초록 (Abstract)

체외에서 인체 혈관을 모사하는 혈관 칩(Vessel-on-a-Chip) 기술은 크게 ‘내피세포 코팅(EC Coating)’과 ‘자가 조립(Self-assembly)’ 두 가지 방식으로 발전해 왔다. 코팅 방식은 혈관의 길이나 입출구를 공학적으로 정밀하게 제어할 수 있지만, 인공적인 벽면을 사용하기 때문에 실제 생체 환경과는 거리가 멀다는 단점이 있다. 반대로 자가 조립 방식은 세포가 스스로 혈관을 만들어 생물학적 유사성은 뛰어나지만, 혈관의 형상을 원하는 대로 제어하기 어렵고 긴 길이의 혈관을 만들기 힘들다는 한계가 있었다.
본 연구에서는 이 두 방식의 장점만을 결합하여, 공학적으로 설계된 형상을 따르면서도 생체 조직과 유사한 고품질의 혈관을 형성할 수 있는 새로운 하이브리드 플랫폼을 개발하였다. 특히 본 연구는 널리 알려진 표면 모세관 유동(SCF) 현상을 단순히 차용하는 수준을 넘어, 이를 공학적으로 정밀하게 제어함으로써 250µm 너비의 미세하고 복잡한 채널 구조를 안정적으로 구현할 수 있는 디자인 룰(Design Rule)을 확립하는 데 주안점을 두었다. 이 독자적인 디자인 룰을 적용하여 일반적인 3D 프린팅 공정으로는 구현하기 어려운 미세 간극을 정교하게 형성해 냈으며, 추가적으로 계단형 범프와 기둥(Post) 구조를 도입하여 젤 주입 시의 공정 오차를 줄이고 배양 후 자연스러운 관류 포트가 형성되도록 설계의 완성도를 높였다.
이렇게 확립된 플랫폼 내에서 혈관 내피세포와 섬유아세포를 공배양한 결과, 설계된 가이드 레일을 따라 7mm 이상의 긴 길이를 가지며 내부가 뚫린 3차원 혈관 네트워크가 성공적으로 형성되었다. 이는 기존 자가 조립 방식의 형상 제어 한계를 극복하고 연구자가 의도한 형상대로 혈관을 디자인함으로써, 코팅 방식의 장점인 ‘긴 길이와 명확한 입출구’와 자가 조립 방식의 ‘높은 생체 적합성’을 동시에 달성했음을 의미한다.
결론적으로 본 연구는 SCF를 응용한 정밀 디자인 룰을 통해, 생체 내 확산 거리를 그대로 모사하면서도 안정적인 배양과 관류가 가능한 표준화된 혈관 칩 기술을 제시하였다. 본 플랫폼은 향후 복잡한 혈관 구조가 필요한 암 연구나 약물 스크리닝 분야에서 신뢰성 높은 실험 도구로 활용될 것으로 기대된다

목차 (Table of Contents)

• Abstract 1
• Table of Contents 2
• List of Tables 4
• List of Figures 5
• Chapter 1. Introduction 6
• 1.1. Clinical Significance of Microvasculature and Limitations of Existing Models 6
• 1.2. Dichotomy in Vascular Fabrication: Engineering Control vs. Biological Relevance 7
• 1.3. Clinical Significance of Microvasculature and Limitations of Existing Models 9
• 1.4. Thesis Objective: Bridging Engineering Precision and Biological Relevance to mimic the native capillary bed 10
• Chapter 2. Results 12
• 2.1. Patterning Principle: Analytical Model for SCF-based Patterning. 12
• 2.2. Patterning Sequence and Structural Design 16
• 2.3. Microvascular network formation as a function of channel geometry 20
• 2.4. Co-culture with Tumor Model 26
• Chapter 3. Experimental Section 30
• 3.1. SLA‑based fabrication of a microfluidic chip 30
• 3.2. Cell culture 30
• 3.3. Hydrogel injection and vasculogenesis 30
• 3.4. Immunostaining and Imaging 31
• 3.5. Bead assay for perfusability 32
• Chapter 4. Discussion and Conclusion 33
• 4.1. Discussion 33
• 4.2. Conclusion 33
• Bibliography 34
• 국문 초록 37