Projeto de um biorreator Carregando Mecânica Biaxial para Engenharia de Tecidos
Summary
Nós projetamos um novo biorreator carga mecânica que pode aplicar uniaxial ou biaxial de tensão mecânica para um biocomposite cartilagem antes do transplante em um defeito da cartilagem articular.
Abstract
Nós projectamos um dispositivo de carregamento que seja capaz de aplicar uniaxial ou biaxial de tensão mecânica para um tecido de engenharia biocompósitos fabricadas para transplante. Enquanto o dispositivo funciona principalmente como um biorreactor que imita as tensões mecânicas nativas, também está equipado com uma célula de carga para fornecer feedback força ou teste mecânico das construções. Os sujeitos dispositivo projetado construções cartilagem biaxial carga mecânica com grande precisão de dose de ataque (amplitude e freqüência) e é compacto o suficiente para caber dentro de uma cultura de tecidos incubadora padrão. Ele carrega amostras directamente numa placa de cultura de tecidos e em vários tamanhos de placas são compatíveis com o sistema. O dispositivo foi projetado com componentes fabricados para aplicações de laser guiadas com precisão. Carga bi-axial é realizada por duas fases ortogonais. As fases têm uma faixa de percurso 50 mm, e são conduzidos independentemente por actuadores do motor de passo, controlado porum motorista de circuito fechado do motor deslizante que possui capacidades de micro-stepping, permitindo tamanhos de passo de menos de 50 nm. Uma polissulfona de carregamento cilindro está acoplada à plataforma em movimento bi-axial. Movimentos dos estágios são controlados por Thor-laboratórios de Tecnologia Avançada de Posicionamento (APT) software. O excitador do motor de passo é usado com o software para ajustar os parâmetros de carregamento de frequência e amplitude de cisalhamento e compressão, tanto independentemente como simultaneamente. Realimentação de posição é fornecida por codificadores ópticos não lineares que têm uma repetibilidade bidireccional de 0,1 um e uma resolução de 20 nm, traduzindo-se uma precisão de posicionamento inferior a 3 um sobre o total de 50 mm de curso. Estes encoders fornecer o necessário feedback de posição no sistema eletrônico da unidade para garantir verdadeiras capacidades nanoposicionamento. A fim de proporcionar a realimentação de força para detectar e avaliar respostas contacto de carga, uma célula de carga em miniatura precisão está posicionado entre o cilindro de carregamento e o movendoplataforma g. A célula de carga tem grandes precisões de 0,15% a 0,25% da escala total.
Introduction
Nós projetamos um biorreator de carga que é capaz de aplicar uniaxial ou biaxial tensão mecânica a um tecido biocompósitos engenharia fabricados para transplante. Este dispositivo é concebido principalmente como um biorreactor para substituições de engenharia para a cartilagem articular, mas também poderia ser utilizado para outros tecidos estruturais no corpo humano. A nossa motivação neste projeto biorreator decorre Drachman e Sokoloff 1, que fez a observação seminal de formação anormal da cartilagem articular em embriões de galinha paralisadas devido à falta de movimento. Da mesma forma, o exercício físico é essencial para o desenvolvimento do músculo normal e osso. De acordo com este conceito, muitos grupos de pesquisa têm investigado como diferentes modos de estímulos físicos durante o cultivo in vitro modula as propriedades bioquímicas e mecânicas dos biocompósitos célula-biomaterial e explantes de tecido 2-7. O conceito de engenharia de tecidos funcionaisenvolve a utilização in vitro de estímulos mecânicos para melhorar as propriedades funcionais de tecidos, isto é, as propriedades mecânicas, que permitem que o tecido para resistir ao esperado no stress in vivo e coe 8,9. Numerosos estudos relatam o uso carregamento mecânico em termos de cisalhamento e compressão para estimular construções cartilagem de engenharia para juntas articulares. Mauck et al. 10 sugerem que a carga mecânica sozinha pode induzir condrogénese de células estaminais mesenquimais, mesmo na ausência de factores de crescimento que são consideradas vitais. Aplicação de carregamento mecânico intermitente, tais como a compressão de cisalhamento ou durante o cultivo de tecidos tem sido mostrado para modular a formação do osso e cartilagem, no entanto, a dosimetria óptima de alimentação varia com as propriedades do tecido celular e 11.
A função mais importante das cartilagens articulares é a capacidade de resistir a forças de compressão e de corte dentroa articulação, portanto, ele tem que ter alta compressão e módulos de cisalhamento. A falta de resistência mecânica funcional e ultra fisiológico na cartilagem engenharia resultou na degradação em neo-cartilagem in vivo e a insuficiência das estratégias de substituição de cartilagem em articulações. Apesar de compressão e de cisalhamento têm sido comumente demonstrado modular e melhorar a resistência mecânica da cartilagem articular biocompósitos, uma abordagem combinada é raro 6,12-15. Wartella e Wayne 16 projetou um biorreator que se aplica a tensão e compressão para produzir substitutos de cartilagem do menisco. Waldman et al. 15 concebido para aplicar um dispositivo de compressão e de cisalhamento de condrócitos em cultura num substrato poroso polifosfato de cálcio. Bian et al. 17 demonstraram propriedades mecânicas correspondentes cartilagem nativa com a cultura in vitro de condrócitos caninos adultos em geles e aplicação de biaxial Mechmecânicos de carregamento (compressão deformational carga e deslizamento de carga de contato).
O biaxial biorreator carregamento mecânico foi originalmente concebido por Danielle Chu em nosso laboratório com o objetivo geral de induzir adaptações morfológicas em tecido de cartilagem engenharia constrói resultando em módulos de compressão e de cisalhamento mais elevadas do que as actualmente disponíveis 18. Acreditamos que esta pesquisa irá aumentar significativamente a nossa compreensão mais ampla de como mechanotransduction pode ser modulada para engenheiro de tecidos clinicamente relevantes.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nós projetamos um dispositivo de carga que é capaz de aplicar uniaxial ou biaxial tensão mecânica de tecido construções engenharia fabricados para transplante. O dispositivo pode ser usado como um biorreactor de cultivo in vitro de biocompósitos engenharia ou como um dispositivo de teste para descrever as características mecânicas do tecido nativo ou após outros tratamentos anteriores. Os sujeitos de dispositivos concebidos para construções de tecido biaxial de carregamento mecânico com grande prec…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pelo Escritório de Investigação e Desenvolvimento, RR & D Service, do Departamento de Assuntos de Veteranos dos EUA, NIH COBRE 1P20RR024484, NIH K24 AR02128 eo Departamento de Defesa 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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