المغناطيسية باري المعادن الدعامة لالبطانية القبض على خلية والاستبقاء

يتمثل الهدف العام للتجربة التالية في تطوير دعامة معدنية مجردة ذات خواص فرومغناطيسية قادرة على التقاط والاحتفاظ بالخلايا البطانية الموسومة بجسيمات نانوية مغناطيسية. ويتم تحقيق ذلك من خلال تصميم دعامة من الفولاذ المقاوم للصدأ 2205 باستخدام برامج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) وتحليل العناصر المحدودة (FEA) لفهم السلوك الميكانيكي لمادة الدعامة وبنيتها بشكل دقيق أثناء عمليتي الكبس والتوسيع. بعد ذلك، يتم كبس الدعامة المصنعة وتوسيعها ميكانيكياً لإثبات سلامتها الميكانيكية، كما تتم دراسة قدرة الدعامة على الاحتفاظ بالمجال المغناطيسي، مما يؤكد سلوكها المغناطيسي.

بعد ذلك، يتم زرع الدعامات في الخنازير وتوصيل خلايا بطانية مُعلمة بجسيمات نانوية مغناطيسية للتحقق من التقاط الخلايا واستبقائها في الدورة الدموية التاجية. وتظهر النتائج أن الدعامة الفيرومغناطيسية التي تم تطويرها في هذه الدراسة قادرة على التقاط واستبقاء الخلايا البطانية المُعلمة مغناطيسياً، وذلك استناداً إلى التحليل النسيجي للأوعية الدموية المستأصلة من التجارب داخل الجسم الحي. وتمتد آثار هذه التقنية نحو تطوير أجهزة قلبية وعائية متنوعة، لأن التبطين البطاني السريع يمكن أن يعزز الشفاء ويحسن التوافق الدموي.

بشكل عام، سيواجه الأفراد المبتدئون في هذه الطريقة صعوبة بسبب تعقيد إجراءات التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) وتحليل العناصر المحدودة (FEA) المتضمنة في تصميم الدعامة، كما يمكن أن يمثل استزراع الخلايا تحدياً للمبتدئين أيضاً. ونظراً لأهمية الحفاظ على بيئة معقمة بدقة، رغبنا في تحسين التئام الدعامات وابتكرنا فكرة استخدام القوى المغناطيسية لتثبيت الخلايا الحية على الدعامات. يعد العرض المرئي لهذه الطريقة أمراً بالغ الأهمية، حيث يصعب تعلم خطوات تطوير الدعامة وتثبيت الخلايا بسبب تعقيد سلوك المادة أثناء عملية الكبس والتوسيع، فضلاً عن حداثة تقنية الالتقاط المغناطيسي للخلايا في الدعامة.

للبدء، استخدم برنامج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) لإنشاء أسطوانة مجوفة مبثوقة عن طريق اختيار ميزة "قاعدة بروز مبثوق" (extruded boss base) بحيث يكون سمك الجدار مساوياً لسمك دعامة stent. صمم نمط الدعامة على مستوى رسم مختلف مماس للأسطوانة المبثوقة. اجعل عرض النمط المسطح مطابقاً لمحيط الأسطوانة المجوفة المبثوقة.

باستخدام ميزة الالتفاف (wrap)، قم بنقل تصميم النمط المسطح إلى الأسطوانة المجوفة. احفظ الجزء بتنسيقه الأصلي وأيضاً بتنسيق ACEs ليتم تصديره لتحليل العناصر المحدودة (FEA). ولإجراء تحليل العناصر المحدودة، قم باستيراد الهندسة الصلبة المحفوظة بتنسيق ACEs إلى وحدة الأجزاء في برنامج FEA لإجراء مزيد من التحليل في نمذج الأجزاء الخاص بالبرنامج. قم بنمذجة أسطوانتين تحليليتين بشكل متحدي المحور مع الدعامة. انقر نقراً مزدوجاً على عنصر شجرة النسخ في نمذج التجميع لتجميع الأجزاء في مواقعها النسبية مع وحدة الشبكة (mesh module) لبرنامج FEA.

حدد العنصر، بحيث يكون نوعه عنصراً سداسياً (hexed element) مكوناً من 20 عقدة مع تكامل مخفض. حدد حجم العنصر وقم بإنشاء شبكة (mesh) للدعامة ضمن خصائص التفاعل في شجرة النموذج. حدد أزواج تلامس صلبة عديمة الاحتكاك بين الدعامة والأسطوانتين على التوالي.

قم بتعيين سلوك الإجهاد والانفعال (stress strain behavior) الخاص بـ ELAs opl للفولاذ المقاوم للصدأ 2205 إلى نموذج الدعامة. حدد الشروط الحدية لضغط الأسطوانة الخارجية أولاً إلى 1 mm، وهو ما يحاكي عملية التضييق. ثم قم بإزالة الأسطوانة الخارجية لمحاكاة ارتخاء الدعامة المضغوطة.

قم بتوسيع الأسطوانة الداخلية إلى ثلاثة مليمترات لمحاكاة التمدد، ثم قم بإزالة الأسطوانة الداخلية في النهاية لمحاكاة ارتداد الدعامة. وبمجرد اكتمال المحاكاة، افتح ملف النتائج وقم بمعالجة النتائج لاحقاً لدراسة الانفعالات الرئيسية، وتحسين تصميم الدعامة بشكل تكراري لتحقيق انفعال رئيسي بنسبة 20%، وهو أقل من حد الفشل للمادة.

بعد الحصول على أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ 2205 وقص الدعامات وفقاً لبروتوكول النص تحت غطاء سحب الأدخنة، وباستخدام معدات الوقاية المناسبة، قم بإجراء عملية التخمير الحمضي للدعامة لـ تخميل سطح الدعامات المصقولة كهربائياً عن طريق غمرها في حمض الهيدروكلوريك بنسبة 50% لمدة 10 دقائق، يلي ذلك غمرها في بيكربونات الصوديوم بنسبة 10% لمدة 10 دقائق أخرى لإتمام عملية التخمير الحمضي. استخدم الإيثانول متبوعاً بالماء منزوع الأيونات لغسل الدعامات. ثم لاختبار كبس الدعامات، أمسك بدعامة وبالون ثلاثي الطيات.

باستخدام أداة كبس يدوية، اضغط على المقبض لتشكيل الدعامة المراد كبسها على البالون. بعد فحص الدعامة المكبوسة تحت المجهر للتأكد من تجانس الكبس وعدم وجود أي علامات فشل، قم بتوسيع الدعامة لتصل إلى قطر التصميم البالغ 3 mm عن طريق استخدام الماء لضغط البالون ثلاثي الطيات. افحص الدعامات الموسعة بحثاً عن الكسور المجهرية والتوسع المتجانس باستخدام مغناطيس نيوديميوم قوي.

قم بمغنطة الدعامات قطرياً عن طريق تثبيت الدعامة على أحد الأوجه المسطحة بحيث يكون قطرها موازياً لخطوط المجال المغناطيسي. وبدلاً من ذلك، يمكن مغنطة الدعامات محورياً عن طريق تثبيت الدعامة بجوار السطح الأسطواني بحيث يكون محورها موازياً لخطوط المجال المغناطيسي. ثبت الدعامة بالقرب من المغناطيس القوي لمدة دقيقة واحدة تقريباً.

لإجراء عملية المغنطة، يتم تركيب الدعامات بشكل فردي على مغازل زجاجية، ثم تثبيت هذه المغازل الزجاجية في القابض الدقيق الخاص بتجهيزة المسبار المغناطيسي. وباستخدام مراحل X و Y و Z في مجمع تجهيزة المسبار المغناطيسي، يتم تحديد موضع مسبار المستشعر المغناطيسي الدقيق بدقة بالقرب من الدعامة دون ملامسة سطحها. قم بقياس القراءة المرجعية للمستشعر المغناطيسي الدقيق بعيداً عن الدعامة، ثم استخدم مراحل x و y و Z لتوجيه المسبار وقياس المجال المغناطيسي المتبقي عند سطح الساق.

بعد استخلاص خلايا النمو البطانية أو EOCs من الدم المحيطي للخنازير كما هو موضح في بروتوكول استزراع النصوص، تُزرع الخلايا في قارورة T 75 حتى تصل درجة تلاقيها إلى 80% تقريباً. وبعد تخليق جسيمات أكسيد الحديد النانوية فائقة المغناطيسية أو pyon، تُضاف pyon إلى خلايا EOCs في وسط الاستزراع الخلوي بتركيز 200 micrograms per milliliter. ثم تُحضن عند درجة حرارة 37 degree Celsius لمدة 16 ساعة.

قم بسحب وسط استزراع الخلايا برفق وأضف 10 milliliters من PBS إلى الدورق. ثم قم بهزه برفق وسحب السائل. أضف خمس micrograms لكل milliliter من صبغة فلورية مثل CM DAI إلى 10 milliliters من وسط الاستزراع لصبغ الخلايا وفقاً لتعليمات الشركة المصنعة، ثم حضنها عند 37 degrees Celsius لمدة 30 دقيقة.

استخدم PBS لغسل الخلايا بلطف كما سبق، ثم أضف محلول trypsin EDTA بتركيز 0.25% وحضنها عند 37 °C لمدة خمس دقائق لفصل الخلايا عن القارورة. انقل معلق الخلايا إلى أنبوب مخروطي سعة 15 mL. استخدم PBS لتكملة الحجم، ثم قم بالطرد المركزي عند 500 ×g لمدة خمس دقائق لترسيب الخلايا بعد صب السائل العلوي.

استخدم محلول PBS لإعادة تعليق الخلايا بتركيز يتراوح من مليون إلى 2 مليون خلية لكل مليلتر. ولإجراء دراسات الخلايا في المختبر، قم بتصميم وتصنيع مثبت بسيط لتثبيت الدعامة فوق سطح شريحة غطاء زجاجية مباشرة. استخدم جهاز إزالة مغنطة كهرومغناطيسي لإزالة المغنطة من الدعامة، أو استخدم مغناطيس نيوديميوم قوي لمغنطة الدعامة قطرياً أو محورياً، ثم انقل بواسطة الماصة خلايا e ooc المفلورة والمعلقة في محلول PBS إلى الطبق الذي يحتوي على الدعامات الممغنطة محورياً أو قطرياً، أو الدعامات الضابطة غير الممغنطة.

بعد ذلك، وباستخدام صورة مجهر فلورسنت مقلوب، يتم تحضير الدعامات مع خلايا EOC المعلقة في PBS لإجراء عملية زرع الدعامة بعد إعطاء أدوية مضادة للصفائح الدموية لأربعة خنازير يوركشاير سليمة وتخديرها وفقاً لبروتوكول النص؛ حيث تُستخدم تقنية قسطرة قلبية قياسية لزرع دعامة واحدة ممغنطة ودعامة واحدة غير ممغنطة في الشريان التاجي الأيمن (RCA). بعد استخدام سلك توجيه لدفع البالون والدعامة باستخدام بالون فوق السلك، يتم غلق تدفق الدم داخل الشريان التاجي الأيمن في المنطقة القريبة من الدعامات المزروعة. ثم على مدار دقيقتين، يتم حقن ما يقرب من 2 مليون من خلايا EOC ذاتية المنشأ والموسومة بـ s scions ومعلقة في 4 mL من PBS عبر القسطرة المركزية، وبعد دقيقتين إضافيتين من الغلق، يُعاد تدفق الدم إلى الشريان التاجي الأيمن، ثم تُستخرج الدعامة ويُجرى الفحص النسيجي. ووفقاً لبروتوكول النص كما هو موضح هنا، أشار التصميم التكراري للدعامة بناءً على FEA إلى دعامة يمكنما كبسها وتوسيعها بانفعال رئيسي قدره 20%، وهو أقل من الانفعال النهائي البالغ 30%.

لم تظهر أي علامات على كسر في الدعامة المقطوعة بالليزر والمصقولة كهربائيًا والتي تم كبسها على قسطرة بالونية صغيرة وتم توسيعها إلى ثلاثة مليمترات باستخدام بالون صغير. وأظهرت صور الدعامة المشوهة توافقًا جيدًا مع التشوه المحسوب بواسطة FEA، كما أظهرت صور المجهر عدم وجود كسور كما كان متوقعًا من قياسات المجال المغناطيسي المتبقي. وقد انجذبت جسيمات SPY في الخلايا المحددة بشكل تفضيلي إلى قطع Ben في الدعامات الممغنطة محوريًا، بينما انجذبت بشكل أكثر انتظامًا إلى القطع المستقيمة.

في الدعامات ذات المغناطيسية القطرية، أظهرت صور علم الأنسجة صبغ الحديد بالقرب من دعامات الدعامة، مما يؤكد جذب وخلايا EOC واحتجازها في الدعامة خلال فترة الزرع التي استمرت سبعة أيام. وأثناء محاولة تنفيذ هذا الإجراء، من المهم فهم مفاهيم تحليل العناصر المحدودة (FEA) والتصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) مع معايير الإدخال غير الصحيحة؛ إذ قد يؤدي ذلك إلى الحصول على تصميم خاطئ للدعامة، بحيث تكون إما شديدة الصلابة أو معرضة لخطر الكسر.

بعد اتباع هذا الإجراء، يمكن إجراء طرق أخرى مثل اختبارات الإجهاد المتسارع واختبارات السُمية للإجابة على أسئلة إضافية مثل: ما مدى المتانة طويلة الأمد والتوافق الحيوي للدعامات؟ وبعد عدة سنوات من التطوير، أصبح لدينا الآن تقنية وظيفية تم التحقق من صحتها في نموذج خنزيري.

بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يتكون لديك فهم جيد حول كيفية تطوير دعامة فيرومغناطيسية واختبار قدرتها على التقاط واستبقاء الخلايا الشريانية والمصنفة مغناطيسياً.