Subiecte

Abstract

Introducere

Creșterile speranței de viață, sau a duratei de viață, observate în întreaga lume dezvoltată sunt un indicator valoros pentru progresul medicinei moderne. Cu toate acestea, o măsură mai puțin cuantificabilă este calitatea vieții în acei ani suplimentari; aceasta se numește sănătate. Incidența leziunilor scheletice datorate afecțiunilor legate de vârstă, cum ar fi osteoporoza și osteoartrita, oferă o astfel de metrică. Ca atare, dezvoltarea tratamentelor care duc la creșterea densității osoase sau la vindecarea fracturilor sunt ținte principale pentru potențialul regenerativ al celulelor stem mezenchimale (MSC) 1,2 .

Osteogeneza controlată a MSC prin stimulare mecanică a fost demonstrată prin mai multe metode, inclusiv strategii pasive și active. Metodele pasive, cum ar fi topografia substratului modificat și rigiditatea mediului, oferă un mecanism bazat pe modificarea profilului de aderență 3,4,5,6,7, în timp ce metodele active includ expunerea la variații de forță din surse externe 8,9,10,11,12, 13. Centrifugarea, vibrațiile și fluxul de forfecare au oferit toate creșteri ale osteogenezei prin modularea externă a forței impuse asupra structurii celulare. Utilizarea vibrațiilor ca stimul mecanotransductiv a fost explorată cu parametri vibraționali variați 14,15,16. Vibrația celulelor stem ale ligamentului parodontal la 50 Hz cu o accelerare de vârf de 0,3 g au arătat markeri crescuți ai osteogenezei 17 în timp ce un alt studiu al celulelor stem derivate din adipoză a stimulat folosind o sursă de vibrație controlată prin feedback la 50 și 100 Hz cu o accelerație de vârf raportată de 3 g, au prezentat niveluri crescute de activitate de fosfatază alcalină (ALP) și depunere de minerale, totuși nu la același nivel produs de mediul osteogen 18 .

Studii inițiale de la Curtis și colab. 19 și Nikukar și colab. 20 efectuate folosind amplitudini de vibrații de zeci de nanometri au arătat că celulele endoteliale și MSC sunt sensibile la vibrațiile de acest nivel. Pentru a realiza vibrații nanometrice, mai multe studii 19,20,21,22 au folosit un singur dispozitiv de acționare piezo, un singur aparat din placa Petri pentru a produce vibrații verticale precise pe o suprafață mică de creștere, totuși acest lucru a impus limitări ale scării și amplitudinii vibrațiilor care devin relevante dacă se dezvoltă către un proces industrial mai amplu. Utilizarea containerelor alternative de creștere (e.g. Baloanele T-75) și cultură, împreună cu un domeniu de amplitudine mai mare (și astfel forțe celulare), necesită o platformă de bioreactor mai uniformă, versatilă și reutilizabilă. Un prototip bioreactor inițial a fost construit încorporând o serie de piezo-uri atașate la o platformă metalică pentru cultură cu mai multe godeuri și este detaliat într-un studiu realizat de Tsimbouri și colab. 23 abordarea ambelor probleme. Scopul lucrării prezentate în acest articol este de a avansa această concepție către un sistem compatibil cu Buna Practică de Fabricare (GMP), care este adecvat pentru furnizarea unui studiu clinic la scară mică.

În cele din urmă, funcționarea generală a sistemului bioreactor a fost validată prin experiment biologic prin cuantificarea expresiei proteinei osteogene a MSC expuse stimulării nanovibraționale. S-au efectuat, de asemenea, măsurători de microscopie a forței atomice (AFM) pe gelul de colagen utilizat în aceste experimente pentru a determina faptul că vibrațiile se transmit din materialul de cultură în gel și că rigiditatea gelului nu a crescut semnificativ în timp ce a fost nanovibrată prin non-newtoniene/efecte de întărire a tulpinii 24 .

Rezultate

Proiectarea plăcii de vibrație a bioreactorului utilizând FEA

Construcția bioreactorului, în special alegerile de materiale, poziționarea piezo și atașamentul de cultură, a fost concepută pentru a optimiza livrarea vibrațiilor la scară nanomatică pe o bandă de frecvență relevantă pentru studiile nanovibraționale anterioare, între 1 Hz și 5 kHz. Abordarea generală a fost aceea de a se asigura că condițiile rezonante ale plăcii superioare și ale bazei au fost în mod corespunzător peste frecvența de funcționare, pentru a preveni amplificarea/amortizarea rezonanței. Cu această condiție îndeplinită, placa superioară ar trebui să se miște ca un corp rigid, oferind amplitudini consistente și cuantificabile ale vibrațiilor.

Pentru a crea bioreactoarele într-un mod rentabil, s-a estimat că treisprezece până la cincisprezece piezi ar fi optimi, cu scopul de a varia 10% în deplasări cu numărul minim de piezi. Răspunsul armonic Modelarea FEA a unei treisprezece matrice piezo, în rânduri alternative de trei și două și a cincisprezece matrice piezo, în rânduri de trei, a arătat că matricea treisprezece piezo creează deplasarea cea mai uniformă pe placa superioară (Fig. 1). În cele cincisprezece matrice piezoidiene, toate dispozitivele de acționare sunt aliniate, creând linii alternative de placă superioară ancorată piezo și placă superioară plutitoare liberă. Acest lucru produce benzi distincte alternante de deplasare minimă și maximă, care ar duce la celule care primesc nivele inconsistente de vibrație în cultură atașată. A treisprezecea matrice piezo are acționatoarele aranjate într-o structură de șah evitând regiuni distincte de amplitudine de vibrație scăzută/înaltă. Variații mai mari ale amplitudinii deplasării se limitează în principal la margini care nu sunt regiuni directe de contact cu plăcile cu mai multe godeuri atașate.

unui

Analiza FEA a fost efectuată în bancul de lucru ANSYS 17.1 pentru a determina răspunsul armonic la 1 kHz pe aranjamentul plăcii superioare cu matrice treisprezece și cincisprezece. (A) Diagrama a treisprezece matrice piezo. (B) Diagrama a cincisprezece matrice piezo. (C) Deplasarea prognozată la o scară nano a treisprezece matrice piezo la 1 kHz. (D) Deplasarea prognozată la nanozchelă a cincisprezece matrice piezo la 1 kHz.