April 25th, 2013
我们设计了一种新型的机械负荷生物反应器可应用于单轴或双轴机械应变移植到关节软骨缺损的软骨生物复合材料之前。
以下实验的总体目标是制造用于移植的功能性组织工程生物复合材料。这是通过施加精确的单轴或生物轴机械应变为三维生物材料复合材料中的细胞提供生物物理刺激来实现的。第二步,生物反应器配备一个称重传感器,该称重传感器在加载过程中提供力反馈和生物复合材料的机械测试。
接下来,将生物复合材料培养数周,以诱导构建体的宏观变化,获得生化含量和强度的结果,根据糖胺聚糖和胶原蛋白含量、支架、厚度和平衡模量的显着差异,显示不同类型负载的影响。虽然这种方法可以深入了解双轴负荷对工程软骨组织的影响,但它也可以应用于其他低承载组织,例如骨骼和肌腱,我们实验室的 Amy May 和 Rob Stefani 将演示该程序。要开始此过程,请设置一个生物轴向生物反应器,如下所示。
生物反应器的底座由一块 25 厘米 x 30 厘米 x 12.5 毫米的铝板组成。可用的可变定位选项允许灵活安装不同形状和大小的组织培养板。接下来,确保将载物台安装在底座上,以便水平载物台仅沿 x 轴摆动来提供动态剪切。
垂直平台仅沿 Z 轴摆动,从而提供动态压缩。下一步是制作定制的聚砜加载板。聚砜材料因其生物相容性、易于加工和易于灭菌而成为理想的选择。
通过精密加工的直角支架将板、双轴移动平台耦合在一起。连接到底板上的运动挡块具有精细调节螺钉,可实现手动无法实现的培养板的精确对齐。接下来,将步进电机执行器连接到每个平台,该平台将为软件获取位置反馈。
这里显示的步进电机执行器具有 0.1 微米的双向重复精度和 20 纳米的分辨率,转化为小于 3 微米的精度 超过 50 毫米的行程使用 Thor Lab 的先进定位技术软件控制平台的运动。软件控制步进电机,以便独立和同时调整剪切和压缩的频率和振幅负载参数。接下来,在加载铂和移动平台之间放置一个微型 5 磅称重传感器,以提供检测铂与结构之间的接触以及评估加载响应所需的力反馈。
确保称重传感器具有 0.15% 至 0.25% 满量程的高精度,并且称重传感器的显示单元具有 RS 2 32 端口,以便在计算机上收集数据。为了将样品固定在 24 孔板的孔内,使用带有 1.5 毫米垫片的凝胶浇注系统为 1.5 毫米厚的 aros 凝胶准备一个模具。组装后,在两个玻璃板之间倒入 4%aros 的溶液,让混合物冷却。
然后拆下顶板,从农用板上冲出一个直径为 16 毫米的圆盘。对于每个孔,在每个圆盘中打一个孔,以便将样品放入其中。将完成的圆盘放入 24 孔板的孔中。
然后将 2.25 毫米厚、直径为 5 毫米的组织结构压入每个凝胶支架中。样品应从每个 aeros 支架的顶部伸出。接下来,向每个孔中加入 1.5 毫升培养基并更换盖子。
然后将板放回培养箱中,直到需要加载样品。要开始组织结构的机械加载,请将铝板固定到称重传感器上,并始终将无菌铂组件连接到垂直载物台。培养箱应在低湿度条件下运行,以防止仪器故障。
接下来,打开步进电机控制器和 PC。打开 Advanced Positioning Technology 用户程序,然后转到两个屏幕上的图形控制选项卡。按下原点归零按钮,将两个步进电机发送到零位置,该位置定义为顶部和最右侧位置。
从每个孔中取出一些培养基,以防止机械加载过程中溢出,从而准备用于加载的样品。接下来将 24 孔板放入生物反应器中,并使用四个可调节的运动定位器小心地将板与铂对齐,确保将板对齐。与图形控制选项卡中的生物反应器底座前部齐平。
手动罚款。通过单击位置框来水平移动对齐方式。当板与板的孔对齐时,开始降低板,直到它首先与样品接触。
到达起始位置后,转到 move sequencer 选项卡,然后按 load 加载所需的 move 序列,或按照本视频随附的文本协议创建您自己的程序。接下来按 run 开始程序。该软件将指导电机对样品应用所需的调节方案。
程序完成后,手动抬起板,使其离开组织培养板的顶部。然后从生物反应器中取出 24 轮板并更换培养基。最后,小心地从称重传感器中取出铂,然后关闭仪器。
本视频中描述的双轴生物反应器的使用对组织工程结构内细胞分泌的糖胺聚糖和胶原蛋白的量有显著影响。调节每周进行 5 天,每天 3 小时,10% 压缩应变和 5% 剪切应变,1 赫兹。培养 30 天后,暴露于负载的软骨细胞分泌的糖 Amin、聚糖和胶原蛋白的量显著高于对照样品 单轴加载仅显著增加糖血症聚糖的量。
此外,双轴载荷会产生更厚的结构,但对结构的弹性没有影响。使用这种给药方案调用,经过 30 天的调节和培养,组织结构的横截面用典型的软骨标志物染色,包括蓝色藏红花和 o 以及 2 型胶原蛋白。这三个不同的组包括无调节、单轴载荷和双轴载荷。
虽然所有组都显示 alium Blue 和 Saffron 和 O 的阳性染色,但与无负载和 uni 轴向加载样品相比,bixi 负载样品显示 2 型胶原蛋白的数量增加。观看此视频后,您应该对如何在显影的组织工程结构上施加单轴或双轴载荷有很好的了解。
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本研究介绍了一种新型机械负荷生物反应器,旨在对软骨生物复合材料施加单轴或双轴机械应变。目标是在移植到关节软骨缺损之前增强对细胞的生物物理刺激。
This bioreactor enables precise mechanical stimulation of tissue-engineered constructs, providing a controlled platform to evaluate biophysical cues that influence extracellular matrix production and construct maturation. By applying defined biaxial strain profiles, it supports mechanistic de-risking in early-stage regenerative medicine programs, helping prioritize candidates based on functional tissue quality rather than purely biochemical markers. The system’s compatibility with standard culture plates and incubators allows seamless integration into existing discovery workflows for cartilage, bone, and tendon tissue models.
The bioreactor fits within the discovery continuum from early target validation through lead optimization to preclinical assessment, particularly for mechanosensitive tissue targets where functional output predicts in vivo performance.