تصميم مفاعل حيوي ذو محورين الميكانيكية جار للهندسة الأنسجة
Summary
قمنا بتصميم رواية مفاعل حيوي جار الميكانيكية التي يمكن أن تنطبق ذو محورين أو ذو محورين سلالة الميكانيكية إلى biocomposite الغضروف قبل الزرع إلى خلل الغضروف المفصلي.
Abstract
قمنا بتصميم جهاز التحميل التي هي قادرة على تطبيق أحادي المحور أو ذو محورين سلالة الميكانيكية للأنسجة وbiocomposites هندسيا ملفقة لزرع. في حين أن الجهاز يعمل في المقام الأول باعتباره مفاعل حيوي الذي يحاكي سلالات الميكانيكية الأم، يتم تجهيزه أيضا مع خلية الحمل لتوفير التغذية المرتدة للقوة أو الاختبارات الميكانيكية للبنيات. الموضوعات جهاز هندسيا يبني الغضروف لتحميل الميكانيكي ذو محورين بقدر كبير من الدقة من جرعة التحميل (السعة والتردد) ومضغوط بما يكفي لتناسب داخل نسيج الثقافة الحاضنة القياسية. فإنه يحمل العينات مباشرة في لوحة زراعة الأنسجة، والأحجام لوحة متعددة متوافقة مع النظام. وقد تم تصميم الجهاز باستخدام المكونات المصنعة لتطبيقات الليزر الموجهة بدقة. ويتم إنجاز التحميل ثنائية المحوري بواسطة مرحلتين متعامد. المراحل لديها مجموعة والسفر 50 ملم وتكون مدفوعة بشكل مستقل من قبل السائر المحركات المحركات، التي تسيطر عليهاسائق حلقة مغلقة السائر المحركات التي تتميز قدرات الجزئي خطوة، خطوة تمكين أحجام أقل من 50 نانومتر. ويقترن A polysulfone التحميل الصوانى إلى منصة متحركة ثنائية المحوري. يتم التحكم في الحركات من المراحل من قبل ثور-مختبرات متطورة تكنولوجيا تحديد المواقع (APT) والبرمجيات. ويستخدم السائق السائر المحركات مع البرنامج لضبط المعلمات حمولة من التردد والسعة من كلا القص وضغط بشكل مستقل في وقت واحد. يتم توفير ردود الفعل الموضعية عن طريق الترميز الخطي البصرية التي تحتوي على التكرار ثنائية الاتجاه من 0.1 ميكرون وقرار من 20 نانومتر، وترجمة لدقة الموضعية أقل من 3 ميكرون على كامل 50 ملم من السفر. هذه الترميز وتوفير التغذية المرتدة الموقف اللازم للإلكترونيات حملة لضمان قدرات nanopositioning صحيح. من أجل توفير التغذية المرتدة للقوة للكشف عن الاتصال وتقييم الاستجابات التحميل، يتم وضع الدقة تحميل خلية مصغرة بين الصوانى التحميل وموفنز منصة. الخلية الحمل لديها دقة عالية من 0.15٪ إلى 0.25٪ نطاق كامل.
Introduction
لقد قمنا بتصميم مفاعل حيوي التحميل التي هي قادرة على تطبيق أحادي المحور أو ذو محورين سلالة الميكانيكية للأنسجة وbiocomposites هندسيا ملفقة لزرع. تم تصميم هذا الجهاز في المقام الأول باعتباره مفاعل حيوي لاستبدال هندسيا للغضروف مفصلي، ويمكن أن تستخدم أيضا لغيرها من الأنسجة الحاملة في جسم الإنسان. الدافع لدينا في هذا التصميم مفاعل حيوي ينبع من Drachman وسوكولوف 1، الذي قدم الملاحظة المنوية من تشكيل غير طبيعي للغضروف مفصلي في افراخ الدجاج مشلولة بسبب غياب الحركة. وبالمثل، ممارسة الرياضة البدنية أمر ضروري لتطوير العضلات العادية والعظام. وتمشيا مع هذا المفهوم، حققت العديد من المجموعات البحثية كيف سائط مختلفة من المحفزات المادية خلال زراعة في المختبر ينظم الخصائص الكيميائية الحيوية والميكانيكية للbiocomposites خلية بيولوجية وإإكسبلنتس الأنسجة 2-7. مفهوم هندسة الأنسجة وظيفيةينطوي على استخدام المختبر في من المحفزات الميكانيكية لتحسين الخواص الوظيفية للأنسجة، أي الخواص الميكانيكية التي تمكن من الأنسجة لتحمل الإجهاد المتوقع في الجسم الحي، ويجهد 8،9. الإبلاغ عن العديد من الدراسات التحميل الميكانيكية استخدام من حيث القص وضغط لتحفيز يبني الغضروف المفصلي هندسيا للمفاصل. Mauck وآخرون. 10 تشير إلى أن التحميل الميكانيكية وحدها يمكن أن تحفز تكون الغضروف الخلايا الجذعية الوسيطة حتى في غياب عوامل النمو التي تعتبر حيوية. وقد تبين تطبيق جار الميكانيكية متقطعة مثل الضغط أو القص أثناء زراعة الأنسجة لتعديل الغضروف وتكوين العظام، ولكن قياس الجرعات المثلى من جار يختلف مع الخلية وخصائص الأنسجة 11.
أهم وظيفة من الغضروف المفصلي هو القدرة على الصمود أمام قوات الضغط والقص داخلالمفصل، وبالتالي فإنه لا بد أن يكون الضغط العالي ومعاملات الرجوعية القص. وقد أدى عدم وجود القوة الميكانيكية وظيفية والتركيب الدقيق الفسيولوجية في الغضروف هندسيا في انهيار الجدد على الغضروف في الجسم الحي وفشل استراتيجيات استبدال الغضروف في المفاصل. على الرغم من الضغط والقص أثبتت عادة لتعديل وتحسين القوة الميكانيكية من biocomposites الغضروف المفصلي، وهو نهج مزيج نادر 6،12-15. Wartella وواين 16 تصميم مفاعل حيوي أن يطبق التوتر وضغط لإنتاج بدائل الغضروف الهلالي. والدمان وآخرون. 15 تصميم جهاز لتطبيق الضغط والقص إلى غضروفية تربيتها في مسامية الكالسيوم الركيزة متعدد الفوسفات. بيان وآخرون. أظهرت 17 الخواص الميكانيكية مطابقة الغضروف الأصلي مع زراعة في المختبر من غضروفية الكلاب الكبار في المواد الهلامية وتطبيق ذو محورين الميكانيكيةanical التحميل (الضغط التشوهي التحميل وانزلاق جار الاتصال).
تم تصميم مفاعل حيوي ذو محورين جار الميكانيكية الأصلية كتبت بواسطة دانيال تشو في مختبرنا مع الهدف العام للحث على التكيفات المورفولوجية في أنسجة الغضروف المهندسة يبني مما أدى إلى معاملات الرجوعية الضغط والقص أعلى من المتاحة حاليا 18. ونحن نعتقد أن هذا البحث زيادة كبيرة في فهم أوسع لكيفية mechanotransduction يمكن التضمين لهندسة الأنسجة سريريا ذات الصلة.
Protocol
Representative Results
Discussion
لقد قمنا بتصميم جهاز التحميل التي هي قادرة على تطبيق أحادي المحور أو ذو محورين سلالة الميكانيكية للأنسجة بنيات هندسيا ملفقة لزرع. الجهاز يمكن أن تستخدم مفاعل حيوي لزراعة في المختبر من biocomposites هندسيا أو كجهاز اختبار لوصف الخصائص الميكانيكية للأنسجة الأم أو بعد ا…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل من قبل مكتب البحوث والتنمية، RR & D خدمة، وزارة شؤون المحاربين القدامى، المعاهد الوطنية للصحة كوبر 1P20RR024484، NIH K24 AR02128 وزارة الدفاع 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 |
References
- 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).
