تصميم مفاعل حيوي ذو محورين الميكانيكية جار للهندسة الأنسجة

الهدف العام من التجربة التالية هو تصنيع مركبات حيوية هندسية للأنسجة الوظيفية للزرع. يتم تحقيق ذلك من خلال تطبيق إجهاد ميكانيكي أحادي المحوري أو محوري حيوي دقيق لتوفير محفزات فيزيائية حيوية للخلايا في مركبات المواد الحيوية ثلاثية الأبعاد. كخطوة ثانية ، تم تجهيز المفاعل الحيوي بخلية تحميل ، والتي توفر ردود فعل القوة والاختبار الميكانيكي للمركبات الحيوية أثناء التحميل.

يتم استزراع المركبات الحيوية التالية على مدى أسابيع من أجل إحداث تغييرات كبيرة في المحتوى الكيميائي الحيوي للبناء ويتم الحصول على نتائج القوة التي تظهر تأثير أنواع مختلفة من التحميل بناء على الاختلافات المعنوية في محتوى الجليكوزامينوجليكان والكولاجين والسقالة والسمك ومعامل التوازن. على الرغم من أن هذه الطريقة يمكن أن توفر نظرة ثاقبة لتأثيرات التحميل ثنائي المحور على أنسجة الغضروف المصممة هندسيا ، إلا أنه يمكن تطبيقها أيضا على الأنسجة الأخرى منخفضة التحمل مثل العظام والأوتار ، مما يدل على أن الإجراء سيكون إيمي ماي وروب ستيفاني من مختبرنا. لبدء هذا الإجراء ، قم بإعداد مفاعل حيوي محوري حيوي كما هو موضح هنا.

تتكون قاعدة المفاعل الحيوي من صفيحة من الألومنيوم بقياس 25 سم × 30 سم × 12.5 ملم. تسمح خيارات تحديد المواقع المتغيرة المتاحة بالتركيب المرن لألواح زراعة الأنسجة ذات الأشكال والأحجام المختلفة. بعد ذلك ، تأكد من تثبيت المراحل على القاعدة بحيث توفر المرحلة الأفقية قصا ديناميكيا عن طريق التذبذب فقط على طول المحور x.

وتوفر المرحلة الرأسية ضغطا ديناميكيا عن طريق التذبذب فقط على طول المحور Z. الخطوة التالية هي تصنيع لوحة تحميل بولي سلفون مخصصة. تعتبر مادة البولي سلفون مثالية بسبب توافقها الحيوي وسهولة المعالجة وسهولة التعقيم.

قم بإقران اللوحة ، المنصة المتحركة ثنائية المحور عبر قوس الزاوية اليمنى المصنوع بدقة. تحتوي التوقفات الحركية المتصلة بلوحة القاعدة على مسامير ضبط دقيقة للسماح بالمحاذاة الدقيقة لألواح الثقافة التي لا يمكن تحقيقها يدويا. بعد ذلك ، قم بتوصيل مشغل محرك السائر بكل منصة ، والتي ستكتسب ملاحظات موضعية للبرنامج.

مشغلات المحركات السائر الموضحة هنا بقابلية تكرار ثنائية الاتجاه تبلغ 0.1 ميكرومتر ودقة 20 نانومتر مما يترجم إلى دقة أقل من ثلاثة ميكرومترات يتحكم أكثر من 50 ملم من السفر في حركات المراحل باستخدام برنامج تقنية تحديد المواقع المتقدم من Thor Lab. يتحكم البرنامج في محرك السائر من أجل ضبط معلمات الحمل للتردد والسعة لكل من الضغط المطلق والضغط بشكل مستقل وفي وقت واحد. بعد ذلك ، ضع خلية تحميل مصغرة بوزن خمسة أرطال بين البلاتين اللازم والمنصة المتحركة لتوفير ردود فعل القوة اللازمة للكشف عن التلامس بين البلاتين والتركيبات ، وكذلك لتقييم استجابات التحميل.

تأكد من أن خلية الحمل تحتوي على دقة عالية تتراوح من 0.15٪ إلى 0.25٪ على نطاق كامل، وأن وحدة العرض الخاصة بخلية الحمل تحتوي على منفذ RS 2 32 للسماح بتجميع البيانات على جهاز كمبيوتر. من أجل شل حركة العينات داخل آبار صفيحة 24 بئرا ، قم بإعداد قالب لجل أروس بسمك 1.5 ملم باستخدام نظام صب هلام بفواصل 1.5 ملم. بمجرد التجميع ، اسكب محلول 4٪ بين اللوحين الزجاجيين واترك الخليط يبرد.

ثم قم بإزالة اللوحة العلوية وقم بثقب قرص قطره 16 ملم من البلاطة الزراعية. لكل عينة جيدة في كل قرص ، قم بعمل ثقب للعينة المراد وضعها فيها. ضع الأقراص المكتملة في آبار صفيحة 24 بئر.

ثم اضغط على تركيبات أنسجة بسمك 2.25 ملم وقطرها خمسة ملليمترات في كل من حاملات الجل. يجب أن تبرز العينة من أعلى كل حامل هواء. بعد ذلك ، أضف 1.5 مل من وسط الثقافة إلى كل بئر واستبدل الغطاء.

ثم ضع اللوحة مرة أخرى في الحاضنة حتى يحين وقت تحميل العينة. لبدء التحميل الميكانيكي لتركيبات الأنسجة ، قم بتأمين صفيحة الألمنيوم بخلية الحمل وقم بتوصيل مجموعة بلاتين معقمة بالمرحلة الرأسية في جميع الأوقات. يجب تشغيل الحاضنة في ظروف الرطوبة المنخفضة لمنع فشل الجهاز.

بعد ذلك ، قم بتشغيل وحدة التحكم في المحرك السائر والكمبيوتر. افتح برنامج مستخدم تقنية تحديد المواقع المتقدمة وانتقل إلى علامة تبويب التحكم الرسومي على كلتا الشاشتين. اضغط على زر الصفر الرئيسي لإرسال كلا المحركين السائر إلى موضع الصفر ، والذي يعرف بأنه الموضع العلوي والأكثر يمين.

قم بإعداد العينات للتحميل عن طريق إزالة بعض الوسائط من كل بئر لمنع الفائض أثناء التحميل الميكانيكي. بعد ذلك ، ضع لوحة 24 جيدا في المفاعل الحيوي وقم بمحاذاة اللوحة بعناية مع البلاتين باستخدام أربعة محددات حركية قابلة للتعديل ، وتأكد من محاذاة اللوحة. اتدفق مع مقدمة قاعدة المفاعل الحيوي في علامة تبويب التحكم الرسومي.

جيد يدويا. قم بضبط المحاذاة بالنقر فوق مربع الموضع لتحريكه أفقيا. عندما تتم محاذاة اللوحة مع آبار اللوحة ، ابدأ في خفض اللوحة حتى تتلامس مع العينات لأول مرة.

بمجرد الوصول إلى موضع البداية ، انتقل إلى علامة التبويب "تسلسل الحركة" وقم بتحميل تسلسل الحركة المطلوب بالضغط على تحميل أو إنشاء البرنامج الخاص بك كما هو موضح في بروتوكول النص المصاحب لهذا الفيديو. بعد ذلك اضغط على تشغيل لبدء البرنامج. سيقوم البرنامج بتوجيه المحركات لتطبيق نظام التكييف المطلوب على العينات.

عند انتهاء البرنامج ، ارفع اللوحة يدويا بحيث تمسح الجزء العلوي من لوحة زراعة الأنسجة. ثم قم بإزالة لوحة العجلات 24 من المفاعل الحيوي واستبدل الوسائط. أخيرا ، قم بإزالة البلاتين بعناية من خلية التحميل ثم قم بإيقاف تشغيل الأدوات.

كان لاستخدام المفاعل الحيوي ثنائي المحور الموصوف في هذا الفيديو تأثير كبير على كمية الجليكوزامينوجليكان والكولاجين التي تفرزها الخلايا داخل التركيبات الهندسية للأنسجة. تم التكييف خمسة أيام في الأسبوع لمدة ثلاث ساعات يوميا مع إجهاد ضغط 10٪ و 5٪ إجهاد قص عند هرتز واحد. بعد 30 يوما في المزرعة ، كانت كمية الجليكو أمين والجليكان والكولاجين التي تفرزها الخلايا الغضروفية المعرضة لها عن طريق التحميل أعلى بكثير من عينات التحكم ، حيث زاد التحميل أحادي المحور بشكل كبير من كمية جليكوزيميا الجليكان.

بالإضافة إلى ذلك ، أدى التحميل ثنائي المحور إلى إنشاء تركيبات أكثر سمكا ، لكنه لم يظهر أي تأثير على مرونة البنيات. باستخدام مكالمة بروتوكول الجرعات هذه ، بعد 30 يوما من التكييف والثقافة ، تم تلطيخ المقاطع العرضية لتركيبات الأنسجة بعلامات نموذجية للغضروف ، بما في ذلك الزعفران الأزرق والكولاجين من النوع الثاني. تشمل المجموعات الثلاث المختلفة عدم التكييف والتحميل أحادي المحور والتحميل ثنائي المحور.

في حين أن جميع المجموعات تظهر تلطيخا إيجابيا للأليوم الأزرق والزعفران و O ، فإن العينات المحملة بالبيكسي تظهر كميات متزايدة من الكولاجين من النوع الثاني مقارنة بالعينات بدون حمل والعينات المحملة محوريا أحادية. بعد مشاهدة هذا الفيديو ، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية تطبيق أحمال أحادية المحورية أو ثنائية المحور على تطوير التركيبات الهندسية للأنسجة.