Targeting PDMS hydrophobicity for study of small hydrophobic molecule-driven cell responses in vitro

Abstract

Poly(-dimethyl siloxane) (PDMS) has been the main polymer employed in micro and nano scale devices. Its chemical and physical properties are ideal for molding and soft patterning of microfluidic devices. Despite the great advances achieved with PDMS-based microfluidic devices, its hydrophobic properties have been a main limitation for its routine implementation in standard cell biology studies and drug assays. Chemical and physical modifications of PDMS have been shown to reduce the hydrophobicity of PDMS but display incompatibility with cell culture applications due to recovery of hydrophobicity. Therefore, to overcome some of the challenges associated with PDMS hydrophobicity, we evaluated a novel method for reducing the hydrophobicity of the bulk PDMS for cell culture and cell-based assays. In our method, a biocompatible oligomer, polyethylene oxide silane amphiphile (PEO-SA) was incorporated into the bulk PDMS to different concentrations: 2wt%, 9wt% and 14wt%. PEO-SA is one of the most used polymer additives for enhancing the hydrophilicity of polymers and decrease adsorption in hydrophobic stable substrates such as silicones. The incorporation of PEO-SA at different concentrations into the PDMS was analyzed by spectroscopy FTIR, and measurements of the surface contact angle on each substrate. Optical transparency, drug absorption and impact on viability assays, and biocompatibility were done to select those PDMS modifications that best reduced hydrophobic absorption without negatively impacting cell behavior. Results obtained showed that PEO-SA was incorporated into the PDMS reducing it hydrophobicity and surface properties over 3 months. The optical transparency of the PDMS was not altered when modified with PEO-SA. Small molecule absorption was qualitatively and indirectly evaluated by fluorescent microscopy and cell viability analysis, showing that there was a reduction in absorption of hydrophobic molecule proportional to the concentration of PEO-SA. Biocompatibility was analyzed by viability and proliferation assays, which corroborate a no toxicity of the modified PDMS, though a reduction in the cell proliferation was modulated by addition of PEO-SA above 9wt%. PDMS+PEO-SA 2wt% is a potential option for replacing the pristine PDMS for cellular assays in which small hydrophobic molecules are involved.

El poli (-dimetil siloxano) (PDMS) ha sido el principal polímero empleado en dispositivos en micro y nano escala. Sus propiedades químicas y físicas son ideales para el modelado de dispositivos microfluídicos. A pesar de los grandes avances logrados con estos dispositivos basados en PDMS, sus propiedades hidrofóbicas han sido una limitación principal para su implementación cotidiana en estudios de biología celular estándar y ensayos de fármacos. Se ha demostrado que las modificaciones químicas y físicas del PDMS reducen su hidrofobicidad, pero muestran incompatibilidad con las aplicaciones de cultivo celular debido a la recuperación de la hidrofobicidad. Por lo tanto, para superar algunos de los desafíos asociados con la hidrofobicidad del PDMS, se evaluó un nuevo método para reducir dicha propiedad, y así, extender sus aplicaciones en ensayos celulares. En nuestro método, un oligómero biocompatible, óxido de polietileno silano anfifílico (PEO-SA por sus siglas en inglés) se incorporó en el PDMS. PEO- SA es uno de los aditivos poliméricos más utilizados para mejorar la hidrofilicidad de los polímeros y disminuir la adsorción en sustratos estables hidrofóbicos como las siliconas. La incorporación de PEO-SA a diferentes concentraciones en el PDMS se analizó mediante espectroscopía FTIR y mediciones del ángulo de contacto superficial en cada sustrato. La transparencia óptica, la absorción del fármaco y el impacto sobre los ensayos de viabilidad, y la biocompatibilidad se realizaron para seleccionar aquellas modificaciones de PDMS que mejoran la reducción de la absorción hidrofóbica sin afectar negativamente al comportamiento celular. Los resultados obtenidos mostraron que PEO-SA se incorporó al PDMS reduciendo su hidrofobicidad y propiedades superficiales durante 3 meses. La transparencia óptica del PDMS no se alteró cuando se modificó con PEO-SA. La absorción de moléculas pequeñas se evaluó cualitativa e indirectamente mediante microscopía de fluorescencia y análisis de viabilidad celular, demostrando que hubo una reducción en la absorción de dichas moléculas, proporcional a la concentración de PEO-SA. La biocompatibilidad se analizó mediante ensayos de viabilidad y proliferación, los cuales corroboran una no toxicidad del PDMS modificado, aunque la adición de PEO-SA por encima del 9% en peso moduló una reducción en la proliferación celular. PDMS + PEO-SA 2% en peso es una opción potencial para reemplazar el PDMS prístino para ensayos celulares en los que están implicadas pequeñas moléculas hidrófobas.