Conception d'un bioréacteur de chargement mécanique biaxial pour l'ingénierie tissulaire
Summary
Nous avons conçu un nouveau bioréacteur de chargement mécanique qui peut appliquer une contrainte mécanique uniaxiale ou biaxiale à une biocomposites du cartilage avant la transplantation dans un défaut de cartilage articulaire.
Abstract
Nous avons conçu un dispositif de chargement qui est capable d'appliquer une contrainte mécanique uniaxiale ou biaxiale à un tissu biocomposites ingénierie fabriqués à la transplantation. Alors que le dispositif fonctionne principalement comme un bioréacteur qui imite les contraintes mécaniques indigènes, il est également équipé d'une cellule de charge pour fournir une rétroaction de force ou les essais mécaniques des constructions. Les sujets de périphériques conçus constructions de cartilage à biaxial chargement mécanique avec une grande précision de la dose de charge (amplitude et fréquence) et est assez compact pour tenir dans un incubateur de culture tissulaire standard. Il charge échantillons directement dans une plaque de culture de tissus, et de multiples formats de plaques sont compatibles avec le système. Le dispositif a été conçu en utilisant des composants fabriqués pour les applications laser à guidage de précision. Chargement bi-axial est réalisé en deux phases orthogonales. Les étapes ont une gamme de voyage de 50 mm et sont entraînés indépendamment par stepper actionneurs automobiles, contrôlés parun pas à pas conducteur en boucle fermée du moteur qui offre des capacités de micro-pas à pas, ce qui permet des tailles de pas de moins de 50 nm. Une polysulfone chargement cylindre est couplé à la plate-forme mobile bi-axiale. Mouvements des étapes sont contrôlées par Thor-laboratoires de technologie de positionnement avancé (APT) de logiciels. Le moteur pas à pas est utilisé avec le logiciel pour régler les paramètres de charge de fréquence et d'amplitude à la fois de cisaillement et de compression indépendante et simultanée. Les informations de localisation sont fournies par des codeurs optiques linéaires qui ont une répétabilité bidirectionnelle de 0,1 um et une résolution de 20 nm, traduisant une précision de positionnement inférieure à 3 um sur la totalité de 50 mm de course. Ces codeurs fournissent la rétroaction de position nécessaire à l'électronique de commande pour assurer véritables capacités nanopositionnement. Afin d'assurer le retour de force pour détecter le contact et d'évaluer les réponses de chargement, une cellule de charge miniature de précision est positionné entre le plateau de chargement et le Movinplate-forme g. La cellule de charge a une précision élevée de 0,15% à 0,25% de la pleine échelle.
Introduction
Nous avons conçu un bioréacteur de chargement qui est capable d'appliquer une contrainte mécanique uniaxiale ou biaxiale à un tissu biocomposites ingénierie fabriqués à la transplantation. Ce dispositif est principalement conçu comme un bioréacteur pour les remplacements d'ingénierie pour le cartilage articulaire, il pourrait également être utilisé pour d'autres tissus porteurs dans le corps humain. Notre motivation dans cette conception de bioréacteur découle de Drachman et Sokoloff 1, qui a fait l'observation séminale de formation anormale du cartilage articulaire dans des embryons de poulet paralysés en raison de l'absence de mouvement. De même, l'exercice physique est essentiel pour le développement du muscle normal et en os. En accord avec ce concept, de nombreux groupes de recherche ont étudié comment les différents modes de stimuli physiques pendant la culture in vitro module les propriétés biochimiques et mécaniques des biocomposites cellule de biomatériaux et d'explants de tissus 2-7. Le concept de l'ingénierie tissulaire fonctionnelleimplique l'utilisation in vitro de stimuli mécaniques pour améliorer les propriétés fonctionnelles du tissu, à savoir les propriétés mécaniques qui permettent au tissu pour résister à la contrainte attendue in vivo et la souche 8,9. De nombreuses études font état d'une charge mécanique de l'utilisation en termes de cisaillement et de compression pour stimuler constructions de cartilage d'ingénierie pour les joints articulaires. 10 Mauck et al. Suggèrent que le chargement mécanique seul peut induire chondrogénèse des cellules souches mésenchymateuses même en l'absence de facteurs de croissance qui sont considérés comme essentiels. Application de la charge mécanique intermittente comme la compression ou de cisaillement lors de la culture de tissus a été montré pour moduler cartilage et la formation osseuse, mais la dosimétrie optimale de chargement diffère selon les propriétés des tissus et cellules 11.
La fonction la plus importante du cartilage articulaire est la capacité à résister à des forces de compression et de cisaillement à l'intérieurl'articulation, donc il doit avoir une grande compression et modules de cisaillement. Le manque de résistance mécanique fonctionnelle et ultrastructure physiologique dans le cartilage d'ingénierie a abouti à la répartition sur le néo-cartilage in vivo et l'échec des stratégies de remplacement de cartilage dans les articulations. Bien que la compression et de cisaillement ont été fréquemment démontré à moduler et améliorer la résistance mécanique des biocomposites du cartilage articulaire, une approche combinée est rare 6,12-15. Wartella et Wayne 16 a conçu un bioréacteur qui applique la tension et de compression pour produire des substituts de cartilage du ménisque. Waldman et al. 15 conçu un dispositif pour appliquer une compression et un cisaillement de chondrocytes cultivés dans un substrat de polyphosphate de calcium poreux. Bian et al. 17 a démontré des propriétés mécaniques correspondant cartilage natif avec la culture in vitro des chondrocytes canins adultes dans les gels et l'application de deux axes mechanical chargement (compression déformation chargement et coulissant charge de contact).
Le bioréacteur de chargement mécanique biaxial a été initialement conçu par Danielle Chu dans notre laboratoire avec l'objectif global d'induire des adaptations morphologiques dans les tissus du cartilage fabriqué constructions obtenues dans des modules de compression et de cisaillement élevées que celles actuellement disponibles 18. Nous croyons que cette recherche permettra d'accroître considérablement notre compréhension plus large de la façon dont mechanotransduction peut être modulée à l'ingénieur cliniquement tissus concernés.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nous avons conçu un dispositif de chargement qui est capable d'appliquer une contrainte mécanique uniaxiale ou biaxiale à des constructions de l'ingénierie tissulaire fabriqués pour la transplantation. L'appareil peut être utilisé comme un bioréacteur pour la culture in vitro de biocomposites ingénierie ou comme un dispositif de contrôle de décrire les caractéristiques mécaniques du tissu natif ou après d'autres traitements avant. Les sujets de périphériques conçus cons…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par le Bureau de la recherche et du développement, RR & D services, ministère américain des Anciens combattants, NIH COBRE 1P20RR024484, NIH K24 AR02128 et le ministère de la Défense W81XWH-10-1-0643.
Materials
| REAGENTS | |||
| DMEM, High glucose, pyruvate | Invitrogen | 11995 | |
| Agarose Type II | Sigma | CAS 39346-81-1 | |
| Penicillin Streptomycin Glutamine 100X | Invitrogen | 10378-016 | |
| ITS+ Premix | BD Biosciences | 354352 | |
| Pen Strep Glutamine | Invitrogen | 10378-016 | |
| Amphotericin B | Invitrogen | 041-95780 | |
| Ascorbic Acid | Sigma | A-2218 | |
| Nonessential Amino Acid Solution 100x | Sigma | M-7145 | |
| L-proline | Sigma | P-5607 | |
| Dexamethasone | Sigma | D-2915 | |
| Recombinant Human Transforming Growth Factor β1 | R&D Systems | 240-B-010 | |
| EQUIPMENT | |||
| Model 31 Load Cell (1000 g) | Honeywell | AL311 | |
| Single Channel Display | Honeywell | SC500 | |
| 50 mm Linear Encoded Travelmax Stage with Stepper Actuator | Thorlabs | LNR50SE/M | |
| Two Channel Stepper Motor Controller | Thorlabs | BSC102 | |
| 50 mm Trapezoidal Stepper Motor Drive (2) | Thorlabs | DRV014 | |
| Adjustable Kinematic Locator (4) | Thorlabs | KL02 | |
| Precision Right Angle Plate | Thorlabs | AP90/M | |
| Vertical Mounting Bracket | Thorlabs | LNR50P2/M | |
| Solid Aluminum Breadboard | Thorlabs | MB3030/M | |
| Gel Casting System with 1.5 mm and 0.75 mm spacer plates | BioRad | #1653312 and #1653310 | |
| Disposable Biopsy Punch, 5 mm | Miltex, Inc. | 33-35 | |
| 16 mm hollow punch | Neiko Tools | ||
| Non-Tissue Culture Treated Plates, 24 Well, Flat Bottom | BD Biosciences | 351147 | |
| Ultra-Moisture-Resistant Polysulfone sheet for loading platens | McMaster-Carr | 86735k19 | Custom-machined |
Riferimenti
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