Blog single photo

תכנון, בנייה ואפיון של ביו-ריאקטורים ביו-רטטיים חדשים לאוסטאוגנזה - Phys.org

תכנון כלי עובש הזרקה וניתוח מילוי עובש תוך שימוש בסימולציות לפני הייצור. (A) ניתן לראות מבט מפוצץ של כלי העובש עם צלחת תרבית כדי להמחיש את המרכיבים העיקריים בממשק העובש ומערכת ההזרקה. (ב) מציג את ניתוח מילוי העובש המעריך כי חלל החלק בכלי צריך לקחת 3.65 שניות עד למילוי מלא ונותן חלק חופשי לפגם. קרדיט: דוחות מדעיים, doi: 10.1038 / s41598-019-49422-4              ברפואה התחדשת מדענים שואפים לקדם משמעותית טכניקות שיכולות לשלוט על מחויבות שושלת תאי הגזע. לדוגמה, גירוי מכני של תאי גזע מזנכימליים (MSCs) בתהליך הננו-יכול להפעיל מסלולי הולכה מכניים כדי לעורר אוסטאוגנזה (התפתחות עצם) בתרבית דו-ממדית ותלת-מימדית. עבודה כזו יכולה לחולל מהפכה בהליכי השתלת העצם על ידי יצירת חומר שתל ממקורות אוטולוגיים או אלוגניים של MSC מבלי לגרום לכימיה לתופעה. עקב התעניינות ביו-רפואית גוברת בגירוי מכני שכזה של תאים לשימוש קליני, החוקרים והקלינאים כאחד דורשים מערכת ביו-ריאקטור מדרגית בכדי לספק תוצאות הניתנות לשחזור בעקביות. במחקר חדש שפורסם כעת על דוחות מדעיים, פול קמסי וצוות חוקרים רב תחומיים במחלקות להנדסה ביו-רפואית, מחשוב, פיסיקה ומולקולריה, תא ומערכות ביולוגיות, הנדסו מערכת ביו-רקטור חדשה כדי לעמוד בדרישות הקיימות.                                                       המכשיר החדש הכיל פלטת רטט לביו-ריאקציות, מכויל ומותאם לוויברציות ננומטר במהירות של 1 קילו הרץ, יחידת אספקת חשמל לייצור משרעת רטט של 30 ננומטר ותוכנת תרבית המותאמת לשישה בארים לצמיחת תאים. כלי התרבית הכיל תוספות מגנטיות שיודבקו ללוח הרטט המגנטי של הביואקטור. הם העריכו את ביטוי החלבון האוסטוגני כדי לאשר את הבידול של MSC לאחר ניסויים ביולוגיים ראשוניים במערכת. קמפסי ואח '. ביצע מיקרוסקופיה של כוח אטומי (AFM) של מבני הג'ל התלת-ממדי כדי לאמת שהתקשות המתח של הג'ל לא התרחשה במהלך גירוי רעידות. התוצאות אישרו כי ההתמיינות בתאים כתוצאה מגירויים ננו-רטטיים הניתנים על ידי הביואקטור בלבד. שכיחותם הגוברת של פגיעות שלד כתוצאה ממצבים הקשורים לגיל כמו אוסטאופורוזיס ודלקת מפרקים ניוונית היא מדד לאיכות מדלדלת של חיי אדם. פיתוח טיפולים לעלייה בצפיפות העצם או בריפוי שברים הם יעדים עיקריים לפוטנציאל ההתחדשות של תאי גזע מזנכימליים (MSCs). החוקרים הראו אוסטאוגנזה מבוקרת (התפתחות עצמות) של MSC באמצעות גירוי מכני בשיטות שונות, כולל אסטרטגיות פסיביות ופעילות. שיטות פסיביות בדרך כלל משנות את טופוגרפיה המצע כדי להשפיע על פרופיל ההידבקות של התא, בעוד ששיטות פעילות כוללות חשיפה לכוחות מגוונים ממקורות חיצוניים.                               ניתוח FEA בוצע בספסל העבודה 17.1 של ANSYS כדי לקבוע את התגובה ההרמונית בקצב של 1? קילוהרץ בסידור הצלחות העליונות של מערך פיוזו. (א) תרשים של שלוש עשרה מערך פייזו. (ב) תרשים של חמש עשרה מערך פייזו. (ג) עקירה ננומטרית צפויה של שלוש עשרה מערך פייזו במהירות של 1 קילוהרץ. (ד) עקירה ננומטרית צפויה של חמישה עשר מערך פייזו במהירות של 1 קילוהרץ. קרדיט: דוחות מדעיים, doi: 10.1038 / s41598-019-49422-4.              העבודה הנוכחית של קמפי ואח '. מתכוונים להתקדם בעיצובים קיימים לקידום אוסטאוגנזה מבוקרת של MSCs לבניית מערכת תואמת ייצור טובה (GMP) המתאימה לניסויים קליניים בקנה מידה קטן. לאחר הבנייה, הצוות השתמש באינטרפרומטריה בלייזר כדי למדוד במדויק את תזוזת הרטט מהצלחת העליונה של הביורקטור ובתוך הבארות המשמשות לתכשירי תרבות כדי לאמת את הציוד שפיתחו על סמך דגמי ניתוח אלמנטים סופיים (FEA). הצוות השתמש בגנרטור ישיר של צורת גל סינתזה דיגיטלית (DDS) ובמסנן שחזור להסרת רכיבים בתדר גבוה של פלט ה- DDS כדי לייצר תפוקת גל סינוס טהור של 1 kHZ לננו-ויברציות מדויקות.                                                                                      צוות המחקר אישר את פעולת מערכת הביורקטורים על ידי ביצוע ניסויים ביולוגיים בכדי לכמת את ביטוי החלבון האוסטוגני של MSCs שנחשפו לגירוי ננו-רטט. הם ערכו מדידות AFM על ג'ל הקולגן ששימש בניסויים כדי לקבוע כי תנודות מועברות מכלי התרבות לג'ל. ואז הם הראו שקשיחות הג'ל לא עלתה משמעותית בתגובה לננו-ויברציות שהתרחשו.                               מדידות זווית במגע עם מים של תרבית PP לאחר מינונים שונים של טיפול בפלזמה ותמונות מיקרוסקופיות של תאי MG63 (תאים אוסטאוגניים) על צלחות PP ובקרת קלקר (PS) עם 6 באר. עלילת מדידות WCA לאחר טיפול בפלזמה (A) מראה שלפחות 30 שניות נדרשות כדי לשנות את ה- WCA לרמה שתאפשר לדבוק בתאים ולהתרבות. תמונות של (B) אי הדבקות של תאי MG63 בצלחת PP 6 באר לפני טיפול בפלזמה, (C) הידבקות ושגשוג של תאי MG63 על צלחת PP 6 באר שטופלו בפלזמה, ו (D) תאי MG63 בתרבית על תקן צלחת קורנינג PS 6 באר. קרדיט: דוחות מדעיים, doi: 10.1038 / s41598-019-49422-4.              קמפסי ואח '. בנה את הביואקטור עם בחירות ספציפיות של חומרים ותחזוקה לתוצרת תרבית כדי לספק תנודות ננומטריות אופטימליות בין התדרים של 1 הרץ ל- 5 קילוהרץ. הם הבטיחו שהתדר התהודה של המנגנון יהיה הרבה מעל לתדר הפעולה כדי למנוע הגברה או דעיכה של התהודה. כדי לקבוע את הממדים המתאימים של המכשיר, צוות המחקר ביצע FEA באמצעות תוכנת ANSYS Workbench. המדענים יצרו את הביורקטורים בזול על ידי שימוש במערכי פיוזו 13 עד 15 לבנייתם. תכנון המוצר אפשר להקות מתחלפות ברורות של תזוזה מינימלית ומקסימאלית לתאים לקבל רמות רעידות לא עקביות ברחבי כלי התרבויות. הצוות העריך את תדירות התהודה המהותית של הפיאוזקטקטורים ורכיבי התקנים אחרים כדי להבין את השפעתם על מערך הניסוי. צוות המחקר שינה את הכימיה של פני השטח של כלי התרבית הפלסטיים כדי לסייע להידבקות והתפשטות תאים באמצעות הפעלת משטח פלזמה כדי להגדיל את אנרגיית השטח של הפולימר. לאחר חמש דקות של טיפול בפלזמה על בסיס אוויר, הם טיפחו תאים דמויי אוסטאובלסט אנושי בכדי לצפות בהתקשרות מוגברת של התאים לכלי התרבות. הם מדדו את זווית מגע המים של הפולימר בכדי לקבוע את אנרגיית פני השטח של השינויים ורטיבות השטח. המדענים הראו הוכחת עקרון על הפעלת פלזמה של כלי תרבית פולימריים והשפעתו על הרטבות פני השטח לצורך התקשרות חיובית לתאים. הם כיוונו לפתח עוד יותר משטחי כלי תרבות באופן שיבטיח את יציבותם ואת חיי המדף שלהם.                               למעלה: צלחת רטט ביו-ריאקטור עם חומר תרבות PP בעל 6 זריקות. (א) הגרסה המשופרת של הביורקטור כוללת בסיס קל יותר, ידיות נשיאה ופלטה עליונה שקועה, יחד עם ספק כוח המיועד לפלט גל סינוס של 1? קילוהרץ ומשרעת תזוזה של 30? ננומטר. (ב) הזרקה מעוצבת של תרבית PP עם מגנטים טבעתיים של פריט משולבת בבסיס כל באר. עובי המסגרת וקירות הבארות הוא 1.5 מ"מ. BOTTOM: מדידת אינטרפרומטר הגדרת אות פלט. (א) כדי למדוד תזוזות ננומטריות האינטרפרומטר פולט קרן לייזר מראש הלייזר אשר משתקפת בחזרה למכונת הצילום (גם בתוך ראש הלייזר) מחוץ לאובייקט הנמדד. ניתוח של דפוס ההפרעות האופטי המיוצר מאפשר להשיג את העקירה. (ב) דוגמה לנתוני סדרות הזמן שנמדדו על ידי האינטרפרומטר. (ג) דוגמא לניתוח FFT על נתוני סדרות הזמן. נראה כי שיא ה- 1 קילו-הרץ של הביורקטור קיים גם שיא גדול ב -750 הרץ. עם זאת, אות זה מופק על ידי מראה ההתייחסות של האינטרפרומטר המתרגש כל הזמן בתדירות קבועה על מנת להשיג את השליטה אותות. קרדיט: דוחות מדעיים, doi: 10.1038 / s41598-019-49422-4.              צוות המחקר שיפר משמעותית את העיצוב של הביואראקטור בעבודה הנוכחית ליצירת בסיס קל יותר בהשוואה לאב-הטיפוס שהציגו קודם. הם השתמשו בגנרטור צורות גל AD9833 עבור אספקת חשמל בכוונון קל ושמרו על סינון מתאים כדי להפיק אות כונן גל סינוס טהור של 1 קילו הרץ. החוקרים השיגו ספקטרום כוח של האות שקדם לסינון ולאחריו כדי לאמוד את צפיפות הספקטרום ההספק של הגנרטור. הם אימתו את מידול ה- FEA ואת הכיול של הביורקטור באמצעות אינטרפרומטר לייזר כדי לקבוע שינויים ננומטריים בתזוזה. המדענים השתמשו בסרט רעיוני פריזמטי שנקשר לפני השטח התחתון של כל באר כדי למדוד את מידות הבאר של התרבויות שהיו מחוברות בצורה מגנטית לביו-רקטור. לטכנולוגיה זו יש היקף עצום לייצר מטריצה ​​תלת מימדית ממוחשבת מ- MSCs שנזרעו בג'ל קולגן ליצירת פיגומי עצם. לדוגמה, תאים מעובדים קיבלו כוח תאוצה תקופתי במהלך הרטט, שפעל על קרום התא וציטוס שלד כדי לגרום לאוסטאוגנזה. ההשפעה יכולה להיות קשורה גם לקשיחות סביבתית בתקשורת תרבית התאים, ובכך להשפיע על ההתמיינות של תאי הגזע וגורמת לאוסטאוגנזה ב- MSCs במקום זאת. כדי להבדיל את הסיבה, Campsie et al. השתמש ב- AFM כדי לאתר כל שינוי בקשיחות בזמן שהם ננו-רטט את ג'ל הקולגן. הם לא הבחינו בהשפעות משמעותיות של התקשות זנים בג'ל והמודולוס של הצעיר שמר על ערכים של ג'לי קולגן רכים; ובכך לייחס בידול תאים לננו-ויברציה בלבד.



footer
Top