Entwurf eines Biaxiale Mechanische Belastung Bioreaktor für Tissue Engineering
Summary
Wir haben eine neuartige mechanische Belastung Bioreaktor uniaxialen oder biaxialen mechanischen Belastung zu einer Knorpel Biokomposit können vor der Transplantation in eine Anwendung Gelenkknorpeldefekt.
Abstract
Wir haben eine Ladevorrichtung, die in der Lage ist die Anwendung uniaxialen oder biaxialen mechanischen Belastung zu einer Gewebezüchtungen Biocomposites zur Transplantation hergestellt ist. Während das Gerät in erster Linie die Funktion eines Bioreaktors, der die einheimischen mechanischen Belastungen imitiert, ist es auch mit einer Kraftmessdose zur Bereitstellung von Force-Feedback oder mechanische Prüfung der Konstrukte ausgestattet. Das Gerät Themen entwickelt Knorpel Konstrukte biaxiale mechanische Belastung mit großer Präzision des Ladens Dosis (Amplitude und Frequenz) und ist kompakt genug, um in einem Standard Gewebekulturinkubator passen. Es lädt Proben direkt in einer Gewebekultur Platte und mehrere Plattengrößen sind kompatibel mit dem System. Das Gerät wurde entwickelt, unter Verwendung von Komponenten für präzise geführte Laser-Anwendungen hergestellt. Bi-axial Belastung wird durch zwei orthogonal Stufen erreicht. Die Etappen haben eine 50 mm Stellweg und unabhängig von Schrittmotor Aktuatoren angetrieben, gesteuert durchein geschlossenes Schrittmotor-Treiber, der Mikroschritt-Funktionen verfügt, so dass Schrittweiten von weniger als 50 nm beträgt. Ein Polysulfon Belastung Platte mit dem bi-axial beweglichen Plattform gekoppelt ist. Bewegungen der Stufen werden von Thor-labs Erweiterte Positioning Technology (APT) Software gesteuert. Der Schrittmotor-Treiber mit der Software Ladeparameter von Frequenz und Amplitude von sowohl Scher-und Kompressions unabhängig und gleichzeitig einzustellen verwendet. Stellungsrückmeldung wird durch lineare optische Encoder, die eine bidirektionale Wiederholgenauigkeit von 0,1 um und eine Auflösung von 20 nm haben, die Übersetzung zu einer Positionsgenauigkeit von weniger als 3 um über die volle 50 mm Federweg zur Verfügung gestellt. Diese Encoder bieten die notwendige Rückmeldung mit der Elektronik auf true Nanopositionier Fähigkeiten zu gewährleisten. Zur Bereitstellung der Force-Feedback zu erfassen und auszuwerten kontaktieren Laden Reaktionen ist ein Präzisions-Miniatur-Wägezelle zwischen der Platte und der Beladung Movin positioniertg-Plattform. Die Wägezelle weist eine hohe Genauigkeit von 0,15% bis 0,25% des Messbereichs.
Introduction
Wir haben eine Belastung Bioreaktor, die fähig Anwendung uniaxialen oder biaxialen mechanischen Belastung zu einer Gewebezüchtungen Biocomposites zur Transplantation hergestellt ausgelegt ist. Dieses Gerät ist in erster Linie als Bioreaktor für hochentwickelte Ersatz für Gelenkknorpel entwickelt, es könnte auch für andere tragende Gewebe im menschlichen Körper verwendet werden. Unsere Motivation in diesem Bioreaktor-Design stammt von Drachman und Sokoloff 1, der die bahnbrechenden Beobachtung abnorme Bildung von Gelenkknorpel in gelähmten Kükenembryos aufgrund der Abwesenheit von Bewegung gemacht. Ebenso ist körperliche Bewegung wichtig für die Entwicklung von normalen Muskeln und Knochen. Im Einklang mit diesem Konzept viele Forschungsgruppen haben, wie verschiedene Formen der körperlichen Reize während der in vitro Kultivierung untersucht moduliert die biochemischen und mechanischen Eigenschaften von Zell-Biomaterial Biocomposites und Gewebeexplantate 2-7. Das Konzept der funktionalen Tissue Engineeringbeinhaltet die in vitro-Verwendung von mechanischen Reizen, die funktionellen Eigenschaften von Geweben verbessern, dh die mechanischen Eigenschaften, die das Gewebe in vivo, um die Belastung zu widerstehen erwartet belasten und 8,9 zu ermöglichen. Zahlreiche Studien berichten über die Verwendung mechanischer Belastung in Bezug auf die Scher-und Kompressions zu Knorpels Konstrukte für Gelenk Gelenke zu stimulieren. Mauck et al. 10 zeigen, dass mechanische Belastung allein Chondrogenese von mesenchymalen Stammzellen auch in Abwesenheit von Wachstumsfaktoren, die als entscheidend sind induzieren. Anwendung der intermittierenden mechanische Belastung wie Druck oder Scherung während Gewebekultivierung hat sich gezeigt, zu modulieren Knorpel-und Knochenbildung, aber die optimale Dosimetrie Belastung unterscheidet sich mit Zell-und Gewebe-Eigenschaften 11.
Die wichtigste Funktion von Gelenkknorpel ist die Fähigkeit, Druck-und Scherkräfte innerhalb widerstehendie gemeinsame, deshalb hat es eine hohe Druck-und Schermodule haben. Der Mangel an funktionalen mechanischen Festigkeit und physiologischen Ultrastruktur in Knorpels in der Aufgliederung nach neo-Knorpel in vivo und das Versagen der Knorpel in den Gelenken Ersatz Strategien geführt. Obwohl Kompression und Scherung wurden häufig unter Beweis gestellt haben zu modulieren und Verbesserung der mechanischen Festigkeit des Gelenkknorpels Biocomposites, ist eine Kombination Ansatz selten 6,12-15. Wartella und Wayne 16 entwickelt einen Bioreaktor, der Zug-und Druckkräfte bis Meniskusknorpel Ersatz produzieren angewendet. Waldman et al. Entwickelt 15 eine Einrichtung zur Kompression und Scherung zu Chondrozyten in einem porösen Substrat kultiviert Calciumpolyphosphat gelten. Bian et al. Zeigten 17 mechanischen Eigenschaften passenden nativen Knorpel mit der in-vitro-Kultivierung adulter Hunde Chondrozyten in Gelen und Anwendung von zweiachsigen mechanischer Belastung (Druck Deformationsphase Be-und Schleifkontakt Beladung).
Die biaxiale mechanische Belastung Bioreaktor wurde ursprünglich von Danielle Chu in unserem Labor mit dem übergeordneten Ziel konzipiert, morphologischen Anpassungen in Tissue Engineering Knorpel induzieren konstruiert, was zu höheren Druck-und Schermodule als die derzeit verfügbaren 18. Wir glauben, dass diese Forschung deutlich erhöhen unser erweitertes Verständnis von, wie Mechanotransduktion moduliert werden kann, um klinisch relevant Ingenieur Gewebe.
Protocol
Representative Results
Discussion
Wir haben eine Ladevorrichtung, die in der Lage ist die Anwendung uniaxialen oder biaxialen mechanischen Belastung des Gewebes engineered Konstrukte zur Transplantation hergestellt ausgelegt ist. Das Gerät kann als Bioreaktor zur in vitro Kultivierung von technischen Biocomposites oder als Testvorrichtung verwendet werden, um die mechanischen Eigenschaften des nativen Gewebes oder nach anderen Behandlungen vor beschreiben. Die Vorrichtung Themen entwickelt Gewebekonstrukte einer biaxialen mechanischen Belastun…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde durch das Amt für Forschung und Entwicklung, RR & D Service, US Department of Veterans Affairs, NIH COBRE 1P20RR024484, NIH K24 AR02128 und Department of Defense W81XWH-10-1 bis 0643 unterstützt.
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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