Doku Mühendisliği için iki eksenli Mekanik Yükleniyor Biyoreaktör tasarımı
Summary
Biz eklem kıkırdağı kusur içine önce nakli için bir kıkırdak biokompozit için tek eksenli veya çift eksenli mekanik zorlanma uygulayabilirsiniz yeni bir mekanik yüklenme biyoreaktör tasarlanmıştır.
Abstract
Biz nakli için üretilmiş bir doku mühendislik Biocomposites için tek eksenli veya çift eksenli mekanik zorlanma uygulama kapasitesine sahip bir yükleme cihazı tasarlanmıştır. Cihaz öncelikle yerli mekanik suşları taklit eden bir biyoreaktör olarak görev yaparken, aynı zamanda force feedback ya da yapıları mekanik test sağlamak için bir yük hücresi ile donatılmış. Cihaz konular yükleme dozunun büyük bir hassasiyetle (genlik ve frekans) ile iki eksenli mekanik yükleme için kıkırdak yapıları tasarlanmış ve standart bir doku kültürü inkübatör içine sığacak kadar küçük. Bu, doğrudan bir doku kültürü plakası örnekleri yükler ve birden çok plaka boyutları sistemi ile uyumludur. Cihaz hassas güdümlü lazer uygulamaları için üretilen bileşenler kullanılarak tasarlanmıştır. Bi-eksenel yükleme iki dik aşamada gerçekleştirilir. Aşamaları bir 50 mm seyahat yelpazesi var ve step motor tahrik tarafından bağımsız olarak tahrik edilir, tarafından kontrolaz 50 nm adım boyutları sağlayan, mikro-step yetenekleri özellikleri bir kapalı devre step motor sürücüsü. A polisülfon yükleme levhanın iki eksenel hareket eden bir platform ile birleştirilmiştir. Aşamaları hareketleri Thor-laboratuarları Gelişmiş Konumlandırma Teknolojisi (APT) yazılımı tarafından kontrol edilir. Step motor sürücü frekans ve kayma ve bağımsız olarak ve aynı anda sıkıştırma hem genlik yük parametrelerini ayarlamak için yazılım kullanılır. Konumsal geri seyahat tam 50 mm üzerinde en az 3 mikron bir pozisyon doğruluğu çevirme, 0.1 mikron bir çift yönlü tekrarlanabilirlik ve 20 nm çözünürlüğe sahip lineer optik kodlayıcı tarafından sağlanmaktadır. Bu kodlayıcılar gerçek nanopositioning yetenekleri sağlamak için sürücü elektronik için gerekli pozisyon geri besleme sağlar. Tespit etmek için güç geri besleme yükleme yanıtları temas ve değerlendirme sağlamak amacıyla, hassas bir minyatür bir yük hücresi yükleme levha ve hareket ediyor arasında konumlandırılmışg platformu. Yük hücresi 0.15% 0.25% tam ölçek yüksek doğruluk vardır.
Introduction
Biz nakli için üretilmiş bir doku mühendislik Biocomposites için tek eksenli veya çift eksenli mekanik zorlanma uygulama kapasitesine sahip bir yükleme biyoreaktör tasarladık. Bu cihaz, esas olarak eklem kıkırdağı için tasarlanmış değiştirmeleri için bir biyoreaktör olarak tasarlanmış olup, bu, aynı zamanda, insan vücudu içinde başka yük taşıyan dokular için kullanılabilir. Bu biyoreaktör tasarım bizim motivasyon hareket olmaması nedeniyle felç civciv embriyolarında eklem kıkırdak anormal oluşumu seminal gözlem yapılan Drachman ve Sokoloff 1, kaynaklanıyor. Benzer şekilde, fiziksel egzersiz normal kas ve kemik gelişimi için gereklidir. Bu konsept doğrultusunda, birçok araştırma grupları laboratuarda sebze yetiştirme sırasında fiziksel uyaranların ne kadar farklı modları araştırdık hücre-biyomalzeme Biocomposites ve doku eksplant 2-7 biyokimyasal ve mekanik özellikleri modüle. Fonksiyonel doku mühendisliği kavramıdokuların fonksiyonel özelliklerini artırmak için mekanik uyaranlara in vitro kullanımı içerir, doku in vivo stres beklenen dayanacak ve 8,9 zorlanma sağlayan mekanik özellikleri yani. Çeşitli çalışmalar eklem eklem için tasarlanmış kıkırdak yapıları teşvik etmek için kesme ve sıkıştırma açısından kullanımı mekanik yükleme rapor. Mauck ve ark. 10 sadece mekanik yükleme daha önemli kabul edilir, büyüme faktörlerinin yokluğunda mezenkimal kök hücreler, kıkırdak doku neden olduğunu ortaya koymaktadır. Bu tür doku işleme sırasında sıkıştırma veya kesme gibi aralıklı mekanik yükleme uygulaması kıkırdak ve kemik oluşumunu modüle ettiği gösterilmiştir, ancak yükleme optimum dozimetri hücre ve doku özellikleri 11 ile farklıdır.
Eklem kıkırdağı en önemli fonksiyonu içinde basınç ve kesme kuvvetlerine karşı yeteneğidirortak, bu nedenle yüksek basınç ve kesme modülü sahip olması gerekir. Mühendislik kıkırdak fonksiyonel mekanik dayanım ve fizyolojik ultrastrüktür eksikliği in vivo neo-kıkırdak üzerinde arıza ve eklemlerde kıkırdak değiştirme stratejilerinin başarısızlıkla sonuçlandı. Sıkıştırma ve kesme yaygın modüle ve eklem kıkırdağı Biocomposites mekanik gücünü artırmak için gösterilmiştir olmasına rağmen, bir arada yaklaşım nadir 6,12-15 olduğunu. Wartella ve Wayne 16 menisküs kıkırdak yerine üretmek için gerilim ve sıkıştırma uygulanan bir biyoreaktör tasarlanmıştır. Waldman ve ark. 15 gözenekli bir kalsiyum polifosfat yüzey kültüre kondrosit sıkıştırma ve kesme uygulamak için bir cihaz tasarlanmış. Bian ve ark. 17 in vitro jeller yetişkin köpek kondrosit ekimi ve çift eksenli mekanik uygulama ile yerli kıkırdak eşleşen mekanik özellikler göstermiştiranical yükleme (basınç deformasyon yükleme ve sürgülü temas yükleme).
Iki eksenli mekanik yüklenme biyoreaktör ilk doku mühendisliği kıkırdak morfolojik uyarlamalar ikna etmek için genel amacı ile laboratuarımızda Danielle Chu tarafından tasarlanan mevcut 18 daha yüksek basınç ve kesme modülü ile sonuçlanan oluşturur. Bu araştırmanın önemli mechanotransduction klinik dokulara mühendisi modüle ne kadar bizim geniş bir anlayış artacağına inanıyoruz.
Protocol
Representative Results
Discussion
Biz nakli için üretilmiş doku mühendislik yapıları için tek eksenli veya çift eksenli mekanik zorlanma uygulama kapasitesine sahip bir yükleme cihazı tasarladık. Cihaz, doğal dokunun ya da öncesinde diğer tedavilerden sonra mekanik özelliklerini tanımlamak için tasarlanmış Biocomposites in vitro kültürü için bir biyoreaktör ya da bir test cihazı olarak kullanılabilir. Cihaz konular 24 kuyucuğu tek gelen büyük yükleme dozunun hassas (genlik ve frekans) ve doku kültürü koşulları…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Araştırma ve Geliştirme, RR-Ge Servisi, Gazi İşleri ABD, NIH Cobre 1P20RR024484, NIH K24 AR02128 ve Savunma W81XWH-10-1-0643 Bölümü Dairesi tarafından desteklenmiştir.
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
- Drachman, D. B., Sokoloff, L. The role of movement in embryonic joint development. Devl. Biol. 14, 401-420 (1966).
- Buschmann, M. D., Gluzband, Y. A., Grodzinsky, A. J., Hunziker, E. B. Mechanical compression modulates matrix biosynthesis in chondrocyte/agarose culture. J. Cell Sci. 108, 1497-1508 (1995).
- Vunjak-Novakovic, G., et al. Bioreactor Cultivation Conditions Modulate the Composition and Mechanical Properties of Tissue-Engineered Cartilage. Journal of Orthopaedic Research. 17, 130-138 (1999).
- Gooch, K. J., et al. Effects of Mixing Intensity on Tissue-Engineered Cartilage. Biotechnology and Bioengineering. 72, 402-407 (2001).
- Carver, S. E., Heath, C. A. Increasing extracellular matrix production in regenerating cartilage with intermittent physiological pressure. Biotechnology and Bioengineering. 62, 166-174 (1999).
- Frank, E. H., Jin, M., Loening, A. M., Levenston, M. E., Grodzinsky, A. J. A versatile shear and compression apparatus for mechanical stimulation of tissue culture explants. J. Biomech. 33, 1523-1527 (2000).
- Wagner, D. R., et al. Hydrostatic pressure enhances chondrogenic differentiation of human bone marrow stromal cells in osteochondrogenic medium. Ann. Biomed. Eng. 36, 813-820 (2008).
- Butler, D. L., Goldstein, S. A., Guilak, F. Functional Tissue Engineering: The Role of Biomechanics. J. Biomech. Eng. 122, 570-575 (2000).
- Guilak, F., Butler, D. L., Goldstein, S. A. Functional Tissue Engineering. The role of biomechanics in articular cartilage repair. Clin. Orthop. 391S, S295-S305 (2001).
- Mauck, R. L., Byers, B. A., Yuan, X., Tuan, R. S. Regulation of cartilaginous ECM gene transcription by chondrocytes and MSCs in 3D culture in response to dynamic loading. Biomech. Model Mechanobiol. 6, 113-125 (2007).
- Rubin, C., Xu, G., Judex, S. The anabolic activity of bone tissue, suppressed by disuse, is normalized by brief exposure to extremely low-magnitude mechanical stimuli. FASEB J. 15, 2225-2229 (2001).
- Wimmer, M. A., et al. Tribology approach to the engineering and study of articular cartilage. Tissue Eng. 10, 1436-1445 (2004).
- Miyata, S., Tateishi, T., Ushida, T. Influence of cartilaginous matrix accumulation on viscoelastic response of chondrocyte/agarose constructs under dynamic compressive and shear loading. J. Biomech. Eng. 130, 051016 (2008).
- Heiner, A. D., Martin, J. A. Cartilage responses to a novel triaxial mechanostimulatory culture system. J. Biomech. 37, 689-695 (2004).
- Waldman, S. D., Couto, D. C., Grynpas, M. D., Pilliar, R. M., Kandel, R. A. Multi-axial mechanical stimulation of tissue engineered cartilage: review. Eur. Cell Mater. 13, 66-73 (2007).
- Wartella, K. A., Wayne, J. S. Bioreactor for biaxial mechanical stimulation to tissue engineered constructs. J. Biomech. Eng. 131, 044501 (2009).
- Bian, L., et al. Dynamic mechanical loading enhances functional properties of tissue-engineered cartilage using mature canine chondrocytes. Tissue Eng. Part A. 16, 1781-1790 (2010).
- Bilgen, B., et al. Design of a Biaxial Loading Device for Cartilage Tissue Engineering. , 1815 (2011).
- Mauck, R. L., Wang, C. C., Oswald, E. S., Ateshian, G. A., Hung, C. T. The role of cell seeding density and nutrient supply for articular cartilage tissue engineering with deformational loading. Osteoarthritis Cartilage. 11, 879-890 (2003).
- Mauck, R. L., et al. Functional tissue engineering of articular cartilage through dynamic loading of chondrocyte-seeded agarose gels. J. Biomech. Eng. 122, 252-260 (2000).
- Demarteau, O., Jakob, M., Schafer, D., Heberer, M., Martin, I. Development and validation of a bioreactor for physical stimulation of engineered cartilage. Biorheology. 40, 331-336 (2003).
- Grad, S., et al. Surface motion upregulates superficial zone protein and hyaluronan production in chondrocyte-seeded three-dimensional scaffolds. Tissue Eng. 11, 249-256 (2005).
- Schatti, O., et al. A combination of shear and dynamic compression leads to mechanically induced chondrogenesis of human mesenchymal stem cells. Eur. Cell Mater. 22, 214-225 (2011).
