Blog single photo

Design, konstruksjon og karakterisering av nye nanovibrasjonsbioreaktorer for osteogenese - Phys.org

Injeksjonsformverktøydesign og moldfyllanalyse ved bruk av simuleringer før produksjon (A) Et eksplodert riss av formverktøyet med kulturplate er vist for å illustrere hovedkomponentene i formgrensesnittet og utkastingssystemet. (B) viser formfyllingsanalysen som estimerer at delhulrommet i verktøyet bør ta 3,65 sekunder å fullstendig fylle, noe som gir en defekt fri del. Kreditt: Scientific Reports, doi: 10.1038 / s41598-019-49422-4              I regenerativ medisin har forskere som mål å forskuttere teknikker som kan kontrollere stamcelleforpliktelsen betydelig. For eksempel kan mekanisk stimulering av mesenkymale stamceller (MSC) ved nanoskala aktivere mekanotransduksjonsveier for å stimulere osteogenese (beinutvikling) i 2-D og 3-D kultur. Slikt arbeid kan revolusjonere prosedyrer ved transplantasjon ved å lage podemateriale fra autologe eller allogene kilder til MSC uten kjemisk indusering av fenomenet. På grunn av økende biomedisinsk interesse for slik mekanisk stimulering av celler for klinisk bruk, krever både forskere og klinikere et skalerbart bioreaktorsystem for å gi konsekvent reproduserbare resultater. I en ny studie som nå er publisert på Scientific Reports, konstruerte Paul Campsie og et team av tverrfaglige forskere ved avdelingene for biomedisinsk ingeniørvitenskap, databehandling, fysikk og molekylær-, celle- og systembiologi et nytt bioreaktorsystem for å oppfylle de eksisterende krav.                                                       Det nye instrumentet inneholdt en vibrasjonsplate for bioreaksjoner, kalibrert og optimalisert for nanometervibrasjoner ved 1 kHz, en kraftforsyningsenhet for å generere en 30 nm vibrasjonsamplitude og tilpasset seksbrønns kulturutstyr for cellevekst. Kulturutstyret inneholdt magnetiske innlegg for å feste seg til bioreaktorens magnetiske vibrasjonsplate. De vurderte osteogent proteinuttrykk for å bekrefte differensieringen av MSC etter første biologiske eksperimenter i systemet. Campsie et al. utført atomkraftmikroskopi (AFM) av 3D-gelkonstruksjonene for å verifisere at strekkherding av gelen ikke skjedde under vibrasjonsstimulering. Resultatene bekreftet celledifferensiering som et resultat av nano-vibrasjonsstimuleringer gitt av bioreaktoren alene. Den økende forekomsten av skjelettskader på grunn av aldersrelaterte forhold som osteoporose og slitasjegikt er en beregning av den utarmende kvaliteten på menneskelivet. Utvikling av behandlinger for økt bentetthet eller helbredelse av brudd er hovedmål for det regenerative potensialet til mesenkymale stamceller (MSCs). Forskere har vist kontrollert osteogenese (utvikling av bein) av MSCs via mekanisk stimulering ved bruk av flere metoder, inkludert passive og aktive strategier. Passive metoder endrer typisk substrat-topografien for å påvirke celleadhesjonsprofilen, mens aktive metoder inkluderer eksponering for forskjellige krefter fra eksterne kilder.                               FEA-analyse ble utført i ANSYS arbeidsbenk 17.1 for å bestemme den harmoniske responsen ved 1 kHz på det tretten og femten piezo array topplatearrangementet. (A) Diagram over tretten piezo-matriser. (B) Diagram over femten piezo-matriser. (C) Forutsagt forskyvning av nanoskala av tretten piezo-array ved 1 kHz. (D) Forutsagt forskyvning av nanoskala av femten piezo-array ved 1 kHz. Kreditt: Scientific Reports, doi: 10.1038 / s41598-019-49422-4.              Det nåværende arbeidet av Campsie et al. har til hensikt å gå videre med eksisterende konstruksjoner for kontrollert osteogenese av MSCs for å konstruere et GMP-kompatibelt system som er anvendelig for kliniske studier i liten skala. Ved bygging brukte teamet laserinterferometri for å måle vibrasjonsforskyvning nøyaktig fra bioreaktorens topplate og i brønnene som ble brukt til kulturartikler for å validere utstyret de utviklet basert på finite elemental analysis (FEA) modeller. Teamet brukte en direkte digital syntese-bølgeformgenerator (DDS) og et rekonstruksjonsfilter for å fjerne høyfrekvente komponenter av DDS-utgangen for å generere en ren sinusbølgefrekvens på 1 kHZ for nøyaktige nanovibrasjoner.                                                                                      Forskerteamet validerte driften av bioreaktorsystemet ved å utføre biologiske eksperimenter for å kvantifisere det osteogene proteinuttrykket av MSCs utsatt for nano-vibrasjonsstimulering. De gjennomførte AFM-målinger på kollagengelen som ble brukt i eksperimentene for å bestemme at vibrasjoner overført fra kulturutstyret til gelen. Da viste de at stivheten til gelen ikke økte betydelig som respons på nanovibrasjonene som oppsto.                               Vannkontaktvinkelmålinger av PP-kulturvare etter forskjellige doser av plasmabehandling og mikroskopibilder av MG63-celler (osteogene celler) på PP og polystyren (PS) 6-brønnsplater. Et diagram med WCA-målinger etter plasmabehandling (A) viser at det er nødvendig med minst 30 sekunder for å endre WCA betydelig til et nivå som vil tillate celler å klebe seg og spre seg. Bilder av (B) ikke-adherens av MG63-celler på PP 6-brønnplaten før plasmabehandling, (C) vedheft og proliferasjon av MG63-celler på plasmabehandlet PP 6-brønnplate og (D) MG63-celler dyrket på en standard Corning PS 6-brønns plate. Kreditt: Scientific Reports, doi: 10.1038 / s41598-019-49422-4.              Campsie et al. konstruert bioreaktoren med spesifikke materialvalg og kulturutstyr for å levere optimale nanoskala vibrasjoner mellom frekvensene på 1 Hz og 5 kHz. De sørget for at resonansfrekvensen til apparatet var langt over driftsfrekvensen for å forhindre resonansforsterkning eller demping. For å bestemme de riktige dimensjonene på enheten, utførte forskerteamet FEA ved bruk av ANSYS Workbench-programvare. Forskerne opprettet bioreaktorene billig ved å bruke 13 til 15 piezo-matriser for konstruksjonen. Produktutformingen tillot forskjellige vekslende bånd med minimum og maksimal forskyvning for celler å motta inkonsekvente nivåer av vibrasjoner over kulturutstyret. Teamet estimerte den iboende resonansfrekvensen til piezoactuators og andre enhetskomponenter for å forstå deres innvirkning på det eksperimentelle oppsettet. Forskningsteamet modifiserte deretter overflatekjemi for plastkulturutstyret for å hjelpe celleadhesjon og spredning ved å bruke overflateaktivering av plasma for å øke overflatenergien til polymeren. Etter fem minutters luftbasert plasmabehandling dyrket de humane osteoblast-lignende celler for å observere økt cellefesting til kulturutstyret. De målte vannkontaktvinkelen til polymeren for å bestemme overflatenergien til modifiseringen og overflatefuktbarheten. Forskerne demonstrerte bevis for prinsippet om plasmaaktivering av polymerkulturvare og dets innvirkning på overflatefuktbarhet for gunstig cellefesting. De hadde som mål å videreutvikle kulturnærflater på lignende måte for å sikre deres stabilitet og holdbarhet.                               TOPP: Bioreaktors vibrasjonsplate med sprøytestøpt PP 6-brønns kulturutstyr. (A) Den forbedrede versjonen av bioreaktoren har en lettere base, bærehåndtak og en innfelt toppplate, sammen med en strømforsyning designet for å gi en sinusbølge på 1 kHz og 30 nm forskyvningsamplitude. (B) Injeksjonsstøpt PP-kulturutstyr med innarbeidet halbachferritringmagneter i basen av hver brønn. Tykkelsen på rammen og veggene i brønnene er 1,5 mm. BOTTOM: Oppsett og utgangssignal for interferometermåling. (A) For å måle nanoskalaforskyvninger avgir interferometeret en laserstråle fra laserhodet som reflekteres tilbake til fotodetektoren (også i laserhodet) utenfor objektet som måles. Analyse av det produserte optiske interferensmønster gjør det mulig å oppnå forskyvning. (B) Eksempel på tidsseriedata målt med interferometeret. (C) Eksempel på en FFT-analyse av tidsseriedataene. 1 kHz toppen av bioreaktoren er tydelig å se, og det er også en stor topp ved 750 H Hz, men dette signalet produseres av referansespeilet til interferometeret som konstant blir begeistret med en fast frekvens for å oppnå kontrollen signaler. Kreditt: Scientific Reports, doi: 10.1038 / s41598-019-49422-4.              Forskerteamet forbedret utformingen av bioreaktoren betydelig i det nåværende arbeidet for å danne en lettere base sammenlignet med prototypen de tidligere presenterte. De brukte en AD9833 kraftbølgeformgenerator for strømforsyning med enkel innstilling og opprettholdt passende filtrering for å utlede et rent 1 kHz sinusbølgesignal. Forskerne skaffet seg et kraftspektrum av det pre- og etterfiltrerte signalet for å estimere kraftspektraltettheten til generatoren. De bekreftet FEA-modellering og kalibrering av bioreaktoren ved hjelp av et laserinterferometer for å bestemme nanoskalaendringer i forskyvningen. Forskerne brukte prismatisk refleksbånd festet til bunnflaten av hver brønn for å måle kulturbrønnens dimensjoner som magnetisk var festet til bioreaktoren. Denne teknologien har enormt omfang til å generere en 3-D mineralisert matrise fra MSCs som er sådd i en kollagengel for å danne bein stillas. For eksempel fikk dyrkede celler en periodisk akselerasjonskraft under vibrasjon, som virket på cellemembranen og cytoskjelettet for å indusere osteogenese. Effekten kan også være relatert til stivhet i miljøet i cellekulturmediene, påvirke differentiering av stamceller og indusere osteogenese i MSCs i stedet. For å skille årsaken, Campsie et al. brukte AFM for å oppdage enhver endring i stivhet mens de nanovibrerte kollagengelen. De observerte ikke signifikante effekter av stammeherding i gelen og Youngs modul opprettholdt verdiene av myke kollagengeler; dermed tilskrives celledifferensiering til nanovibrasjon alene.



footer
Top