조직 공학을위한 이축 기계 로딩 생물 반응기의 설계
Summary
우리는 관절 연골 결손에 이전의 이식 연골의 BioComposite을 일축 또는 이축 기계적 변형을 적용 할 수 있습니다 소설 기계적 하중 생물 반응기를 설계했습니다.
Abstract
우리는 이식을 위해 제작 된 조직 공학적 바이오 복합 재료를 일축 또는 이축 기계적 변형을 적용 할 수있는 로딩 장치를 설계했다. 장치가 주로 네이티브 기계 계통을 모방 생물 반응기로서 기능하지만, 그것은 또한 포스 피드백 또는 구조의 기계적 테스트를 제공하는로드 셀이 장착되어 있습니다. 장치 과목 로딩 용량의 큰 정밀도 (진폭과 주파수)과 축이 둘있는 기계적 부하에 연골 구조를 설계하고 표준 조직 문화 인큐베이터 안에 들어갈 정도로 컴팩트합니다. 그것은 바로 조직 배양 플레이트에 샘플을로드하고 여러 플레이트 크기는 시스템과 호환됩니다. 이 장치는 정밀 유도 레이저 응용 프로그램에 대한 제작 구성 요소를 사용하여 설계되었습니다. 이중 축 방향 하중은 두 개의 직교 단계로 이루어집니다. 단계 50 밀리미터 이동 범위를 가지고 스테퍼 모터 액츄에이터에 의해 독립적으로 구동에 의해 제어50nm 이하의 스텝 크기를 가능 마이크로 스테핑 기능을 특징으로하는 폐 루프 스텝 모터 드라이버. 폴리 설폰 로딩 플래 튼은 이중 축 이동 플랫폼에 결합된다. 단계의 움직임은 철저히 실험실 고급 위치 정보 기술 (APT) 소프트웨어에 의해 제어됩니다. 스테퍼 모터 드라이버는 주파수 및 전단 독립적으로 동시에 압축을 모두 진폭의 하중 매개 변수를 조정하는 소프트웨어와 함께 사용됩니다. 위치 피드백은 여행의 전체 50mm 이상 이하 3 ㎛의 위치 정확도로 번역, 0.1 ㎛의 양방향 반복성과 20 나노 미터의 해상도가 선형 광 인코더에 의해 제공됩니다. 이 인코더는 진정한 나노 포지셔닝 기능을 보장하기 위해 드라이브 전자 장치에 필요한 위치 피드백을 제공합니다. 감지하는 힘 피드백이로드 반응을 연락하고 평가할 제공하기 위해, 정밀 소형 로드셀 하중 플래 튼 나아 갔다 사이에 위치G 플랫폼입니다. 로드 셀은 0.15 %로 0.25 % 풀 스케일의 높은 정확도를 가지고 있습니다.
Introduction
우리는 이식을 위해 제작 된 조직 공학적 바이오 복합 재료를 일축 또는 이축 기계적 변형을 적용 할 수있는로드 생물 반응기를 설계했습니다. 이 장치는 주로 관절 연골을위한 설계 교체를위한 생물 반응기로 설계, 그것은 또한 인간의 신체의 다른 하중 조직에 사용될 수 있습니다. 이 생물 반응기 디자인에있는 우리의 동기는 운동의 부재로 인해 마비 병아리 배아 관절 연골의 비정상적인 형성의 정액 관찰 한 Drachman 및 Sokoloff 1에서 유래한다. 마찬가지로 운동은 정상 근육과 뼈의 개발에 필수적이다. 이 개념을 유지, 많은 연구 그룹은 체외 재배시 물리적 자극의 방법을 다른 모드를 조사 한 것은 세포 생체 재료 바이오 복합 재료 및 조직 절편 2-7의 생화학 적 및 기계적 성질을 조절한다. 기능 조직 공학의 개념조직의 기능적 특성을 향상시키기 위해 기계적 자극의 체외 사용을 포함, 조직 생체 스트레스에서 예상을 견딜 8,9를 변형 할 수있는 기계적 특성을 즉. 많은 연구 관절 조인트 설계 연골 구조를 자극하는 전단 및 압축의 측면에서 사용 기계적 부하를보고합니다. Mauck 등. 10 만 기계적 하중도 중요한 고려 성장 인자의 부재에서 중간 엽 줄기 세포의 연골을 유도 할 수 있습니다하는 것이 좋습니다. 이러한 조직 배양시 압축이나 전단 등의 간헐적 인 기계적 하중의 응용 프로그램이 연골과 뼈 형성을 조절하기 위해 표시되었습니다, 그러나 부하의 최적 선량은 세포와 조직 속성을 11으로 다릅니다.
관절 연골의 가장 중요한 기능은 내 압축 및 전단 힘을 견딜 수있는 능력입니다관절, 따라서 높은 압축 및 전단 탄성 계수를 가지고있다. 설계 연골의 기능을 기계적 강도와 생리 학적 미세 구조의 부족은 생체 내에서 신 연골의 파괴 및 관절 연골의 교체 전략의 실패로 귀착되었다. 압축 및 전단은 일반적으로 조절하고 관절 연골 바이오 복합 재료의 기계적 강도를 개선하기 위해 입증되어 있지만, 조합 방식은 드문 6,12-15입니다. Wartella 웨인 16 반월 상 연골 교체를 생산하는 긴장과 압축을 적용 생물 반응기를 설계했습니다. 왈드 등. 15 다공성 칼슘 인산염 기판에서 배양 연골 세포로 압축 및 전단을 적용하는 장치를 설계했다. 총통 등. 17 체외 젤의 성인 개 연골 세포의 배양 및 이축 기계화의 응용 프로그램과 기본 연골 일치하는 기계적 특성을 보여anical로드 (압축 변형 된로드 및 미끄럼 접촉 로딩).
축이 둘있는 기계적 하중 생물 반응기는 원래 조직 설계 연골의 형태 학적 적응을 유도하는 전반적인 목표와 우리의 실험실에있는 다니엘 추에 의해 설계되었습니다 현재 18보다 높은 압축 및 전단 계수의 결과로 생성합니다. 우리는이 연구는 크게 mechanotransduction의 임상 관련 조직을 설계하기 위해 변조 될 수있는 방법을 우리의 폭 넓은 이해를 증가 할 전망이다.
Protocol
Representative Results
Discussion
우리는 이식을 위해 제작 된 조직 공학적 구조로 일축 또는 이축 기계적 변형을 적용 할 수있는 로딩 장치를 설계했습니다. 장치가 기본 조직이나 이전에 다른 치료 후 기계적 특성을 설명하기 위해 설계된 바이오 복합 재료의 체외 배양에 대한 생물 반응기 나 테스트 장치로 사용할 수 있습니다. 장치 과목 24 잘 접시에 하나의 큰 부하 용량의 정밀도 (진폭과 주파수) 및 조직 배양 조건의 ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 연구 및 개발, RR & D 서비스, 재향 군인의 미국학과, NIH 코 브레 1P20RR024484, NIH K24 AR02128 및 방위 W81XWH-10-1-0643학과 사무실에 의해 지원되었다.
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 |
Referências
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