Design and development of an apparatus for microencapsulation of pancreatic cell islets

Abstract

Transplantation of encapsulated islets of Langerhans is a therapeutic modality for treatment of Type 1 diabetes mellitus. Conventional microencapsulation technologies fail to prevail, as they produce single-sized microcapsules and attain low efficiencies. Given the fact of polydispersity in islets, a different manipulation is required in every occasion, in order to fabricate microcapsules of proper size efficiently. Efficiency here is defined as the ratio of the number of properly encapsulated islets to the total number of islets fed. By proper encapsulation it is meant one in which the encapsulated islets are viable and functional. In this Dissertation, we propose a novel isleτ microencapsulation apparatus designed by the principles of Mechanics and Cytotechnology. The fundamental idea of our approach is that encapsulation is driven by islet motion and capsule size and shape are determined by the individual islet size and shape, respectively. We focus on two requirements; the accurate separation of loaded islets to encapsulate one islet per capsule and the uniform thickness of the capsule membrane to accommodate the heterogeneous morphology of islets. The first requirement is met by the utilization of hydrodynamic focusing as a feeding system in our device. The second requirement is met by the employment of selective withdrawal as an encapsulation method. With the intent to shed light to the physical mechanisms occurring in the apparatus, we develop two computation models. The first model simulates the hydrodynamic focusing of islets that are modeled as spherical and elliptical particles. To our knowledge, this is the first time that a numerical model can predict the motion of particles in a hydrodynamic focusing system. This consideration allows us to estimate the trajectory of a particle in order to accomplish the focusing and separation of two or more particles. In addition, the flow generated by selective withdrawal in the encapsulation chamber is numerically simulated. Contrary to previous numerical studies, the model presented here employs a detailed geometry including an inlet and a withdrawal tube. The aim of the study is to identify the effect of design and function parameters on selective withdrawal. By employing three-dimensional printing technology, an apparatus including a hydraulic pumping system is developed. Despite the rapid expansion of 3D-printing, there is a limited number of reports in the literature demonstrating the potential contribution to encapsulation technology. In our apparatus, spherical particles serving as islet models are encapsulated by employing the hydrodynamics of selective withdrawal. The phenomenon of the breakthrough of a particle through a dynamic steady-state cusp during is studied. This Dissertation brought us closer to understanding and fulfilling the requirements of an efficient apparatus for islet microencapsulation.

Η μεταμόσχευση ενθυλακωμένων νησιδίων του Langerhans είναι μία εναλλακτική θεραπεία του σακχαρώδη διαβήτη Τύπου 1. Οι συμβατικές τεχνολογίες μικρο-ενθυλάκωσης παράγουν συγκεκριμένου μεγέθους κάψουλες για νησίδια διαφορετικού μεγέθους και αδυνατούν να επιτύχουν υψηλούς ρυθμούς απόδοσης Η απόδοση ορίζεται ως η αναλογία του αριθμού των κατάλληλα ενθυλακωμένων νησιδίων σε σχέση με τον συνολικό αριθμό τροφοδοτούμενων νησιδίων. Κατάλληλη ενθυλάκωση χαρακτηρίζεται η περίπτωση όπου εξασφαλίζεται η βιωσιμότητα και η λειτουργικότητα των νησιδίων πριν και μετά την μεταμόσχευση. Στη παρούσα Διατριβή προτείνεται μία καινοτόμα συσκευή μικρο-ενθυλάκωσης, σχεδιασμένη σύμφωνα με τις αρχές της Μηχανικής και της Κυτταρομετρίας. Η θεμελιώδης ιδέα της προτεινόμενης τεχνολογίας είναι ότι η ενθυλάκωση προκαλείται από την κίνηση των νησιδίων και το σχήμα και το μέγεθος της κάψουλας καθορίζεται από το σχήμα και το μέγεθος των νησιδίων, αντίστοιχα. Δύο σημαντικές απαιτήσεις για την αποτελεσματική λειτουργία της συσκευής αποτέλεσαν αντικείμενο έρευνας. Η τροφοδοσία κάθε νησιδίου ξεχωριστά και ευθυγραμμισμένα στην περιοχή ενθυλάκωσης και το ομοιόμορφο πάχος της μεμβράνης της κάψουλας που θα προσαρμόζεται στην ετερογενή μορφολογία των νησιδίων. Η πρώτη απαίτηση ικανοποιείται με τη χρήση της υδροδυναμικής εστίασης ως συστήματος τροφοδοσίας. Η δεύτερη απαίτηση ικανοποιείται με την εφαρμογή της επιλεκτικής απόσυρσης ως μεθόδου ενθυλάκωσης. Αναπτύχθηκαν δύο υπολογιστικά μοντέλα για την κατανόηση των φυσικών φαινομένων εντός της συσκευής. Το πρώτο μοντέλο προσομοιώνει τον υδροδυναμικό εστιασμό των νησιδίων, τα οποία μοντελοποιούνται ως κυκλικά και ελλειπτικά σωματίδια. Η προσέγγιση αυτή επιτρέπει τον επακριβή υπολογισμό των τροχιών των σωματιδίων, την μελέτη αλληλεπιδράσεων μεταξύ σωματιδίων καθώς και τον υπολογισμό των μεταξύ τους αποστάσεων. Στο δεύτερο μοντέλο, προσομοιώνεται αριθμητικά το υδροδυναμικό φαινόμενο της επιλεκτική απόσυρσης σε έναν θάλαμο ενθυλάκωσης. Το προτεινόμενο μοντέλο περιλαμβάνει έναν σωλήνα τροφοδοσίας και ένα σωλήνα απόσυρσης. Σκοπός της είναι η μελέτη και ο προσδιορισμός της επίδρασης των σχεδιαστικών και λειτουργικών παραμέτρων στην επιλεκτική απόσυρση και συγκεκριμένα στο σχήμα της διεπιφάνειας δύο μη αναμίξιμων υγρών. Με τη χρήση της τρισδιάστατης εκτύπωσης αναπτύχθηκε μία συσκευή μικρο-ενθυλάκωσης και ένα υδραυλικό σύστημα για τον έλεγχο των ροών τροφοδοσίας, απόσυρσης και ανακύκλωσης. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα με σκοπό την ενθυλάκωση σφαιρικών σωματιδίων με μεγέθη αντίστοιχα του ανθρώπινου νησιδίου. Συγκεκριμένα, ερευνήθηκε το φαινόμενο της διαπέρασης ενός σωματιδίου από μία διεπιφάνεια δύο υγρών που βρίσκεται σε δυναμικά σταθερή κατάσταση. Τα αποτελέσματα της Διατριβής μας έφεραν ένα βήμα πιο κοντά στην κατανόηση φυσικών φαινομένων σχετικών με την αποτελεσματική λειτουργία μίας συσκευής για μικρο-ενθυλάκωση νησιδίων παγκρεατικών κυττάρων.