Name: Entwurf eines Biaxiale Mechanische Belastung Bioreaktor für Tissue Engineering (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-04-25T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 4 s
Description: Erfahren Sie die Konstruktion eines biaxialen mechanischen Belastungsbioreaktors für Tissue Engineering. Diese Methode ermöglicht präzise mechanische Stimulation von Knorpelbiokompositen zur Verbesserung zellulärer Entwicklung.

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Diese Arbeit wurde durch das Amt für Forschung und Entwicklung, RR &amp; D Service, US Department of Veterans Affairs, NIH COBRE 1P20RR024484, NIH K24 AR02128 und Department of Defense W81XWH-10-1 bis 0643 unterstützt.

1. Biaxiale Loading Bioreaktor Entwurf <ol><li> Der Bioreaktor verwendet zwei Stufen von Thor-Labs (Newton, MA) für präzisionsgelenkte Laseranwendungen hergestellt zum Anlegen uniaxialen oder biaxialen mechanischen Dehnung bis engineered Gewebe, mit großer Präzision von Initialdosis (Amplitude und Frequenz) und Anwendung auf eine Vielzahl von Gewebekulturbedingungen von Einzel-auf 24-Well-Platten (Abbildung 1). </li><li> Bi-axial Belastung wird durch zwei travelmax Stufen (LNR50SE) durchgeführt. Diese Stufen sind orthogonal in einer XZ-Konfiguration montiert. Die horizontale Bühne bietet dynamische Scherbewegungen durch oszillierende entlang der X-Achse. Die vertikale Stufe liefert dynamische Druckbelastung durch Oszillieren entlang der Z-Achse. Diese Stufen haben eine 50 mm Stellweg und unabhängig durch Schrittmotor Aktuatoren (DRV014) durch eine geschlossene Schleife Schrittmotor-Treiber (BSC102), die Mikroschritt-Funktionen Funktionen gesteuert wird, so dass Schrittweiten von weniger als50 nm auf. </li><li> Die Vorrichtung ist auf einem starren 25 cm x 30 cm angebracht x 12,5 mm Alu-Grundplatte, die als Plattform für die Montage von Maschinenteilen und für die Montage von Gewebekulturplatten verwendet wird. Einstellbare Anschläge kinematischen werden verwendet, um Zellkulturplatten rastet auf der Aluminium-Grundplatte. Diese kinematische Haltestellen haben Feineinstellschrauben für präzise Ausrichtung, die sonst nicht erreichbar ist von Hand zu ermöglichen. Der modulare Aufbau der Bodenplatte ermöglicht eine flexible Platzierung dieser kinematischen Stationen bis Platten in verschiedenen Größen und Formen (Petrischalen vs Multi-Well-Platten) unterzubringen. </li><li> Ein speziell bearbeiteten Polysulfon Laden Platte ist mit dem bi-axial beweglichen Plattform über eine präzise gefertigten rechten Winkel gekoppelt. Polysulfon Material wurde aufgrund seiner Biokompatibilität gewählt, die einfache Bearbeitung und einfache Sterilisation. </li><li> Bewegungen der Stufen werden von Thor-labs &#39;Advanced Positioning Technology (APT) Software gesteuert. Der Schrittmotor-Treiber ist unsed in Verbindung mit der Software, die die Einstellung der Ladeparameter von Frequenz und Amplitude von sowohl Scher-und Kompressions unabhängig und gleichzeitig ermöglicht. </li><li> Stellungsrückmeldung wird durch lineare optische Encoder, die jedem beweglichen Plattform befestigt sind und mit der Software integriert ist. Die Geber-System verfügt über eine bidirektionale Wiederholgenauigkeit von 0,1 um und eine Auflösung von 20 nm, die Übersetzung zu einer Positionsgenauigkeit von weniger als 3 um über die vollen 50 mm Federweg. Diese Encoder bieten die notwendige Rückmeldung mit der Elektronik auf true Nanopositionier Funktionen zu gewährleisten und eine direkte Anzeige der absoluten Position. </li><li> Zur Bereitstellung der Force-Feedback zur Erfassung von Kontakt zwischen Platte und Proben und bewerten Laden Reaktionen, ein Präzisions-Miniatur-Wägezelle (Honeywell Modell 31) zwischen der Belastung Platte und der beweglichen Plattform (Abbildung 2) positioniert. Die Wägezelle hat hohe Genauigkeiten0,15% bis 0,25% vom Endwert. Die Anzeigeeinheit (SC500) der Wägezelle kann auch Lastmessungen von bis zu 5 Nachkommastellen. Darüber hinaus hat es eine RS-232-Schnittstelle für die Datenerfassung auf einem Computer zu ermöglichen. </li></ol> 2. Handy-Seeded Agarose Konstrukte <ol><li> Bereiten Sie 4% igen: In 0,8 g Agarose auf 20 ml DMEM (ohne Zusätze) in einem 50 ml Kolben, kochen, und dann halten in 70 ° C-Ofen bis zur Verwendung. </li><li> Stellen Sie die Lautstärke der Zellsuspension für doppelte Menge der gewünschten Zelle Aussaatdichte. Diese Suspension wird mit einem gleichen Volumen von 4% w / v Agarose, ein 2% Agarosegel bei der gewünschten Aussaatdichte schaffen gemischt. </li><li> Legen Sie sowohl die Zellsuspension und einer 10 ml Pipette in den Inkubator. </li><li> Richten Sie Gelgießen System. Ein 1,5 mm und einer 0,75 mm Distanzplatte sollte zusammengestellt werden, um eine 2,25 mm dicke Gel erstellen. Andere Größe Abstandshalterplatten verwendet zur Erstellung verschiedener Gelstärken werden. Das Gel Casting System ist nicht groß genug, um diese Platten toget haltensie, so sie müssen sicher abgeklebt werden, um undichte verhindern. </li><li> Der nächste Schritt ist es, schnell mischen Zellsuspension mit der zuvor hergestellten Agarose und Pipette in die Gelform bevor die Agarose verfestigt. Entfernen Sie die Flüssigkeit Agarose aus dem Ofen und legen Sie eine sterile Thermometer in ihm. Die Agarose muss 42-43 ° C vor dem Mischen mit Zellen zu kühlen. Wärmen Sie die Zellsuspension auf 37 ° C. Sobald die Agarose trifft 43 ° C, schnell Pipette auf die gewünschte Menge und dann sofort Pipettieren der Zellsuspension nach oben und unten ein paar Mal zu mischen. Dann sofort Pipette das gesamte Gemisch in die Gelform. </li><li> Lassen Sie das Gel für 10-15 min verfestigen und dann vorsichtig kippen in eine horizontale Position. </li><li> Entfernen Sie die obere Glasplatte und Punsch Festplatten mit der Biopsie Punch. Disks können mit einem kleinen sterilen Spatel abgeholt werden. Nach unserer Erfahrung war ein 9 ml Gel groß genug, um mehr als hundert 5-mm-Scheiben mit einem Durchmesser machen. </li></ol> 3. Kultur die Disks </p&gt; <ol><li> Legen Sie einen Datenträger in jede Vertiefung einer 24-Well-nicht-Gewebekulturen behandelte Platte. </li><li> 2 ml Serum-freiem Medium chondrogene Differenzierung in jede Vertiefung. </li><li> Setzen Platten im Inkubator (37 ° C, 5% CO 2). </li><li> Für Medienanfragen Änderungen, ersetzen 1 ml pro Vertiefung alle 2-3 Tage. </li></ol> 4. Immobilisierung von Proben für Mechanische Belastung <ol><li> Herstellung von 4% Agarose (kein Zellsuspension) und das Gel sollte dünner sein als die Proben selbst (um Störungen während des Ladens zu verhindern). Die empfohlene Stärke 1,5-1,9 mm ist (für 2,25 mm dicken Proben). </li><li> Einmal geliert, Punsch 16 mm Scheiben mit einem Durchmesser von 24-Well-Platten. In jeder Platte, um Punsch ein 5 mm Loch für die Probe platziert werden in. Wenn gewünscht, Punsch noch 5 mm Loch am Rand der Scheibe für die Pipette während Änderungen Medien platziert werden. </li><li> Sobald Agarose Brunnen vorgenommen wurden, erfolgt in 24-Well-Platte, wie in Abbildung 3 dargestellt. </li><li> Nachdem die Agarose-wEllen sind in der 24-Well-Platte, drücken Sie passen Proben in jede Vertiefung. Die Probe sollte aus der Spitze der Agarose gut überstehen. </li></ol> 5. Mechanische Belastung <ol><li> Sterilisieren Platte (Abbildung 2). </li><li> Sichern Aluminiumplatte Zelle laden. Sicheres Laden Platte / Wägezelle / Aluminiumplatte Montage auf die Bühne. </li><li> Schalten Sie Schrittmotorsteuerung (Schalter an der Rückseite). </li><li> Schalten Sie PC und öffnen Sie &quot;APT User&quot;-Programm (Abbildung 4). <ol><li> Linker Bildschirm steuert horizontal Schrittmotor. Rechter Bildschirm steuert vertikalen Schrittmotor. In jedem Bildschirm &quot;Graphical Control&quot; Tab ermöglicht die manuelle Positionierung und &quot;Move Sequencer&quot; Registerkarte können für die Automatisierung. Alle Einheiten sind mm. </li></ol></li><li> Gehen Sie auf &quot;Grafische Control&quot; Reiter auf beiden Bildschirmen und drücken Sie &quot;Start / Zero&quot;-Taste. Sowohl Schrittmotoren haben eine Reichweite von 50 mm. Durch Drücken von &quot;Home / Null&quot; wird sowohl Schrittmotoren in die Nullstellung (oben und rechts meisten Positionen) zu senden. </li><li> Prepare die Proben in 24-Well-Platte zu laden, indem einige Medien aus jeder Vertiefung. Nicht mehr als 1 ml Medium sollte in jedem gut gelassen werden, um einen Überlauf während des Ladens zu verhindern. Achten Sie darauf, dass genügend Material in den Brunnen gelassen wird, um die Probe bedeckt. <ol><li> Beachten Sie, dass der Inkubator in niedriger Luftfeuchtigkeit gehalten wird, um Fehler zu verhindern Instrument. </li></ol></li><li> Platz 24 Well-Platte in Bioreaktor und vorsichtig eine Linie mit der Platte. <ol><li> Die Platte wird in den Bioreaktor mit vier einstellbare kinematische Lokatoren gesichert. Um es einfacher zu Line-Up der Platte wurden die beiden linken Locator worden vorpositioniert. Ziehen Sie die beiden rechten Locator so dass die Platte sicher ist. Achten Sie darauf, die Platte bis bündig mit der Front des Bioreaktors Basislinie. </li><li> In &quot;Graphische Control&quot; Registerkarte kann eine bestimmte Schrittmotorposition manuell durch Klicken auf die Position eingegeben werden. Verwenden Sie diese Funktion, um die Platte langsam senken und verschieben Sie sie horizontal, Line-Up mit der Platte. </li> &lt;/ Ol&gt; </li><li> Sobald die Platte ist in der Nähe in Kontakt zu kommen mit den Proben beginnen, um die Platte zu bringen, die in sehr langsamen Schritten (0,1 mm), bis Sie die vorgegebene Startposition zu erreichen (siehe Teil 6). </li><li> Sobald die Ausgangsposition erreicht ist, gehen Sie auf &quot;Verschieben Sequencer&quot; und laden Sie die gewünschte Zugfolge durch Drücken &quot;Load&quot;. Drücken Sie dann auf &quot;Ausführen&quot; zu starten. (Abbildung 5) Siehe Teil 7. Schreibe eine Dosierung Protokoll. </li><li> Wenn fertig geladen, manuell erhöhen die Walze. Wenn irgendwelche Proben an der Platte stecken, vorsichtig legte sie zurück in die entsprechende Vertiefung mit einem sterilen Spatel. </li><li> Entfernen 24-Well-Platte von Bioreaktor und ersetzen Sie die Medien. </li><li> Entfernen Sie vorsichtig die Platte aus der Wägezellen und schalten Sie dann Instrumente. </li></ol> 6. Kalibrieren Loading Platen Um sicherzustellen, dass die richtigen Stämme Proben angewendet werden, muss jede Platte sorgfältig kalibriert sein, bevor die ein Experiment. <ol><li&gt; Führen Sie die Schritte 5.1 bis 5.8. </li><li> Manuelles setzen horizontal Schrittmotor an der Position 25 mm. </li><li> Vorsichtig untere Platte, bis sie gerade noch in Kontakt mit dem Boden des Bioreaktors. Wägezellen werden erhöhte Belastungen an dieser Stelle zeigen. Beachten Sie die genaue Position des vertikalen Schrittmotor (so genau wie möglich, da alle Stauchung Messungen von diesem Wert berechnet wird). </li><li> Notieren Sie die Position. Dieser Wert wird verwendet, um eine Dosierung Protokoll auf Probe Abmessungen und gewünschten Stämme basierend schreiben. </li></ol> 7. Schreibe eine Dosier-Protokoll <ol><li> Der Bioreaktor kann die Anwendung sowohl Druck-und Scherbeanspruchung, entweder gleichzeitig oder einzeln. Die drei wichtigsten Parameter entschieden werden muss: Tara Stauchung, dynamischen Belastung Amplitude und Frequenz Laden. </li><li> Als Tara Stamm aufgebracht wird, um dem Abheben der Platte aus der Probe zu verhindern. </li><li> Beispiel dynamische Dehnungsamplitude und Laden freFrequenz gewählt werden. </li></ol> In dieser Studie haben wir definieren Druck und Scherung wie folgt: <img alt="Gleichung 1" fo:content-width="3.26in" fo:src="/files/ftp_upload/50387/50387eq1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50387/50387eq1.jpg" /> Beispiel Biaxiale Dosierung Protokoll Probendicke: 2,25 mm Tara Stamm (Kompression): 10% der Dicke der Probe (0,225 mm) Dynamische Dehnungsamplitude (Kompression): 10% (+ / - 5% der Dicke der Probe) Frequency (Compression): 1 Hz Dynamische Dehnungsamplitude (Shear): 25% der Dicke der Probe (0,5625 mm): Shear Stress ist die auf die Probe durch die Platte horizontal bewegt. Frequency (Shear): 0,5 Hz Typische Dosierung Protokoll ist 3 Stunden zum Laden pro Tag. In diesem Beispiel wird dynamisch und Scherbeanspruchung aufgebracht gleichzeitig anstatt nacheinander. Wir glauben, dass dieses Muster besser mimics die komplexen Beanspruchungen Umwelt im menschlichen Knie. <ol start="4"><li> Sobald ein Dosier-Protokoll gewählt wurde, muss eine Kompression Bewegungssequenz Programm geschrieben werden. </li><li> Die Zugfolge ist genau das, was es heißt, eine Liste der Positionen, die der Schrittmotor wird nach einem festgelegten Beschleunigung und maximale Geschwindigkeit bewegen klingt. </li><li> Berechnen gewünschten vertikalen Positionen auf Dosierung Protokoll und Platte Kalibrierung Wert (von Teil 6) basiert. </li><li> Beispiel Berechnungen für Platen 1 sind unten angegeben: </li></ol><table border="1" fo:keep-together.within-page="always"><tbody><tr><td></td><td> Abweichung von Calibration Wert </td><td> Vertikale Position </td></tr><tr><td> Platen Calibration Wert (Boden berührt Bioreaktor) </td><td> 0 mm </td><td> 29,7700 mm </td></tr><tr><td> Platen in Kontakt mit der Probe (2,25 mm Probe) </td><td> 4,4140 mm </td><td> 25,3560 mm </td></tr><tr><td> Stregen (5% Dicke) </td><td> 4,3015 mm </td><td> 25,4705 mm </td></tr><tr><td> Stamm (10% Stärke) </td><td> 4,1890 mm </td><td> 25,5810 mm </td></tr><tr><td> Stamm (15% Stärke) </td><td> 4,0765 mm </td><td> 25,6955 mm </td></tr></tbody></table><ol start="8"><li> Sobald Positionen berechnet werden, experimentieren mit Beschleunigung und maximale Geschwindigkeit Werte, um die richtige Frequenz zu bekommen. Die Anzahl der Zyklen sollte so gewählt werden, entsprechend (zB 10.800 Zyklen 3 h bei 1 Hz). </li><li> Beispiel Dynamische Kompression Move Sequence Program (10% Tara Kompression, 10% dynamisch Dehnungsamplitude, 1 Hz) (Abbildung 5) </li><li> Dynamische Scherfestigkeit Bewegungssequenz Programm: Die Anzahl der Zyklen ist entsprechend der gewünschten Frequenz und der Dauer (zB 5.400 Zyklen 3 h bei 0,5 Hz) gewählt werden. </li><li> Beispiel Dynamische Shear Move Sequence Program (10% Tara Kompression, 0,5625 mm (25% der Dicke) dynamische Scherung Amplitude, 0,5Hz) (Abbildung 5). </li></ol>

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</ol>

Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessen haben.

Wir haben eine Ladevorrichtung, die in der Lage ist die Anwendung uniaxialen oder biaxialen mechanischen Belastung des Gewebes engineered Konstrukte zur Transplantation hergestellt ausgelegt ist. Das Gerät kann als Bioreaktor zur in vitro Kultivierung von technischen Biocomposites oder als Testvorrichtung verwendet werden, um die mechanischen Eigenschaften des nativen Gewebes oder nach anderen Behandlungen vor beschreiben. Die Vorrichtung Themen entwickelt Gewebekonstrukte einer biaxialen mechanischen Belastung...

Wir haben eine Belastung Bioreaktor, die fähig Anwendung uniaxialen oder biaxialen mechanischen Belastung zu einer Gewebezüchtungen Biocomposites zur Transplantation hergestellt ausgelegt ist. Dieses Gerät ist in erster Linie als Bioreaktor für hochentwickelte Ersatz für Gelenkknorpel entwickelt, es könnte auch für andere tragende Gewebe im menschlichen Körper verwendet werden. Unsere Motivation in diesem Bioreaktor-Design stammt von Drachman und Sokoloff 1, der die bahnbrechenden Beobachtung abnorme Bildung von Gelenkknorpel in gelähmten Kükenembryos aufgrund der Abwesenheit von Bewegung gemacht. Ebenso ist körperliche Bewegung wichtig für die Entwicklung von normalen Muskeln und Knochen. Im Einklang mit diesem Konzept viele Forschungsgruppen haben, wie verschiedene Formen der körperlichen Reize während der in vitro Kultivierung untersucht moduliert die biochemischen und mechanischen Eigenschaften von Zell-Biomaterial Biocomposites und Gewebeexplantate 2-7. Das Konzept der funktionalen Tissue Engineeringbeinhaltet die in vitro-Verwendung von mechanischen Reizen, die funktionellen Eigenschaften von Geweben verbessern, dh die mechanischen Eigenschaften, die das Gewebe in vivo, um die Belastung zu widerstehen erwartet belasten und 8,9 zu ermöglichen. Zahlreiche Studien berichten über die Verwendung mechanischer Belastung in Bezug auf die Scher-und Kompressions zu Knorpels Konstrukte für Gelenk Gelenke zu stimulieren. Mauck et al. 10 zeigen, dass mechanische Belastung allein Chondrogenese von mesenchymalen Stammzellen auch in Abwesenheit von Wachstumsfaktoren, die als entscheidend sind induzieren. Anwendung der intermittierenden mechanische Belastung wie Druck oder Scherung während Gewebekultivierung hat sich gezeigt, zu modulieren Knorpel-und Knochenbildung, aber die optimale Dosimetrie Belastung unterscheidet sich mit Zell-und Gewebe-Eigenschaften 11. Die wichtigste Funktion von Gelenkknorpel ist die Fähigkeit, Druck-und Scherkräfte innerhalb widerstehendie gemeinsame, deshalb hat es eine hohe Druck-und Schermodule haben. Der Mangel an funktionalen mechanischen Festigkeit und physiologischen Ultrastruktur in Knorpels in der Aufgliederung nach neo-Knorpel in vivo und das Versagen der Knorpel in den Gelenken Ersatz Strategien geführt. Obwohl Kompression und Scherung wurden häufig unter Beweis gestellt haben zu modulieren und Verbesserung der mechanischen Festigkeit des Gelenkknorpels Biocomposites, ist eine Kombination Ansatz selten 6,12-15. Wartella und Wayne 16 entwickelt einen Bioreaktor, der Zug-und Druckkräfte bis Meniskusknorpel Ersatz produzieren angewendet. Waldman et al. Entwickelt 15 eine Einrichtung zur Kompression und Scherung zu Chondrozyten in einem porösen Substrat kultiviert Calciumpolyphosphat gelten. Bian et al. Zeigten 17 mechanischen Eigenschaften passenden nativen Knorpel mit der in-vitro-Kultivierung adulter Hunde Chondrozyten in Gelen und Anwendung von zweiachsigen mechanischer Belastung (Druck Deformationsphase Be-und Schleifkontakt Beladung). Die biaxiale mechanische Belastung Bioreaktor wurde ursprünglich von Danielle Chu in unserem Labor mit dem übergeordneten Ziel konzipiert, morphologischen Anpassungen in Tissue Engineering Knorpel induzieren konstruiert, was zu höheren Druck-und Schermodule als die derzeit verfügbaren 18. Wir glauben, dass diese Forschung deutlich erhöhen unser erweitertes Verständnis von, wie Mechanotransduktion moduliert werden kann, um klinisch relevant Ingenieur Gewebe.

<table><tbody><tr><td colspan="4">REAGENTS</td></tr><tr><td>DMEM, hoher Glukosegehalt, Pyruvat</td><td>Invitrogen</td><td>11995</td><td></td></tr><tr><td>Agarose Typ II</td><td>Sigma</td><td>CAS 39346-81-1</td><td></td></tr><tr><td>Penicillin Streptomycin Glutamin 100X</td><td>Invitrogen</td><td>10378-016</td><td></td></tr><tr><td>ITS+ Premix</td><td>BD Biosciences</td><td>354352</td><td></td></tr><tr><td>Pen Strep Glutamin</td><td>Invitrogen</td><td>10378-016</td><td></td></tr><tr><td>Amphotericin B</td><td>Invitrogen</td><td>041-95780</td><td></td></tr><tr><td>Ascorbinsäure</td><td>Sigma</td><td>A-2218</td><td></td></tr><tr><td>Nichtessentielle Aminosäurelösung 100x</td><td>Sigma</td><td>M-7145</td><td></td></tr><tr><td>L-Prolin</td><td>Sigma</td><td>P-5607</td><td></td></tr><tr><td>Dexamethason</td><td>Sigma</td><td>D-2915</td><td></td></tr><tr><td>Rekombinant Mensch Transformierender Wachstumsfaktor &#946; 1</td><td>Forschung und Entwicklung D Systems</td><td>240-B-010<</td><td></td></tr><tr>td colspan="4">EQUIPMENT</td></tr><tr><td>Modell 31 Wägezelle (1000 g)</td><td>Honeywell</td><td>AL311</td><td></td></tr><tr><td>Modell 31 Wägezelle (1000 g)</td><td>Honeywell</td><td>AL311</td><td></td></tr><tr><td>Einkanal-Display</td><td>Honeywell</td><td>SC500</td><td></td></tr><tr><td>50 mm linear codierter Travelmax-Tisch mit Schrittantrieb</td><td>Thorlabs</td><td>LNR50SE/M</td><td></td></tr><tr><td>Zweikanal-Schrittmotor-Controller</td><td>Thorlabs</td><td>BSC102</td><td></td></tr><tr><td>50 mm Trapez-Schrittmotorantrieb (2)</td><td>Thorlabs</td><td>DRV014</td><td></td></tr><tr><td>Einstellbarer kinematischer Ortungsgerät (4)</td><td>Thorlabs</td><td>KL02</td><td></td></tr><tr><td>Präzisions-Rechtwinkelplatte</td><td>Thorlabs</td><td>AP90/M</td><td></td></tr><tr><td>Vertikale Montagehalterung</td><td>Thorlabs</td><td>LNR50P2/M</td><td></td></tr><tr><td>Massives Aluminium-Steckbrett</td><td>Thorlabs</td><td>MB3030/M</td><td></td></tr><tr><td>Gel-Gießsystem mit 1,5 mm und 0,75 mm Abstandsplatten </td><td>BioRad</td><td>#1653312 und #1653310</td><td></td></tr><tr><td>Einweg-Biopsie-Stanze, 5 mm</td><td>Miltex, Inc.</td><td>33-35</td><td></td></tr><tr><td>16 mm Hohlstempel</td><td>Neiko Tools</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Non-Tissue Culture Treated Plates, 24 Well, flacher Boden</td><td>BD Biosciences</td><td>351147</td><td></td></tr><tr><td>Ultra-feuchtigkeitsbeständige Polysulfonplatte für Ladeplatten</td><td>McMaster-Carr</td><td>86735k19</td><td>Maßgefertigt</td></tr></tbody></table>

entwurf eines biaxiale mechanische belastung bioreaktor für tissue engineering

Design of a Biaxial Mechanical Loading Bioreactor for Tissue Engineering

Wir haben eine Ladevorrichtung, die in der Lage ist die Anwendung uniaxialen oder biaxialen mechanischen Belastung zu einer Gewebezüchtungen Biocomposites zur Transplantation hergestellt ist. Während das Gerät in erster Linie die Funktion eines Bioreaktors, der die einheimischen mechanischen Belastungen imitiert, ist es auch mit einer Kraftmessdose zur Bereitstellung von Force-Feedback oder mechanische Prüfung der Konstrukte ausgestattet. Das Gerät Themen entwickelt Knorpel Konstrukte biaxiale mechanische Belastung mit großer Präzision des Ladens Dosis (Amplitude und Frequenz) und ist kompakt genug, um in einem Standard Gewebekulturinkubator passen. Es lädt Proben direkt in einer Gewebekultur Platte und mehrere Plattengrößen sind kompatibel mit dem System. Das Gerät wurde entwickelt, unter Verwendung von Komponenten für präzise geführte Laser-Anwendungen hergestellt. Bi-axial Belastung wird durch zwei orthogonal Stufen erreicht. Die Etappen haben eine 50 mm Stellweg und unabhängig von Schrittmotor Aktuatoren angetrieben, gesteuert durchein geschlossenes Schrittmotor-Treiber, der Mikroschritt-Funktionen verfügt, so dass Schrittweiten von weniger als 50 nm beträgt. Ein Polysulfon Belastung Platte mit dem bi-axial beweglichen Plattform gekoppelt ist. Bewegungen der Stufen werden von Thor-labs Erweiterte Positioning Technology (APT) Software gesteuert. Der Schrittmotor-Treiber mit der Software Ladeparameter von Frequenz und Amplitude von sowohl Scher-und Kompressions unabhängig und gleichzeitig einzustellen verwendet. Stellungsrückmeldung wird durch lineare optische Encoder, die eine bidirektionale Wiederholgenauigkeit von 0,1 um und eine Auflösung von 20 nm haben, die Übersetzung zu einer Positionsgenauigkeit von weniger als 3 um über die volle 50 mm Federweg zur Verfügung gestellt. Diese Encoder bieten die notwendige Rückmeldung mit der Elektronik auf true Nanopositionier Fähigkeiten zu gewährleisten. Zur Bereitstellung der Force-Feedback zu erfassen und auszuwerten kontaktieren Laden Reaktionen ist ein Präzisions-Miniatur-Wägezelle zwischen der Platte und der Beladung Movin positioniertg-Plattform. Die Wägezelle weist eine hohe Genauigkeit von 0,15% bis 0,25% des Messbereichs.

Das Gerät wurde unter Verwendung von Agarosegelen entkernt mit 20 Millionen Zellen / ml Chondrozyten getestet und kultiviert in Gegenwart von einachsigen (Kompression) oder zweiachsigen (Kompression und Scherung) mechanische Belastung. Primäre porcine Chondrozyten wurden aus dem Gelenkknorpel von 2-4 Monate alten Schweinen isoliert. 5 mm Durchmesser und 1,5 mm dicken Proben wurden in 2 ml definiert chondrogene Kulturmedium (DMEM high glucose, 1% ITS + Premix, 100 U / ml Penicillin, 100 ug / ml Streptomycin, 2 mM L-Gluta...

Wir haben eine neuartige mechanische Belastung Bioreaktor uniaxialen oder biaxialen mechanischen Belastung zu einer Knorpel Biokomposit können vor der Transplantation in eine Anwendung Gelenkknorpeldefekt.

Entwurf eines Biaxiale Mechanische Belastung Bioreaktor für Tissue Engineering

We  designed a loading device that is capable of applying uniaxial or biaxial  mechanical strain to a tissue engineered biocomposites fabricated for  ...

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, funktionelle, gewebetechnisch hergestellte Biokomposite für die Transplantation herzustellen. Dies wird erreicht, indem präziese uniaxiale oder biaxiale mechanische Dehnung angewendet wird, um Zellen in dreidimensionalen Biomaterialkompositen biophysikalische Stimuli zukommen zu lassen. In einem zweiten Schritt wird der Bioreaktor mit einer Kraftmessdose ausgestattet, die während der Belastung eine Kraft-Rückkopplung sowie mechanische Prüfung der Biokomposite ermöglicht.Im Anschluss werden bio-komposite Materialien über einen Zeitraum von mehreren Wochen kultiviert, um makroskopische Veränderungen im biochemischen Gehalt und in der Festigkeit der Konstrukte hervorzurufen. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen die Auswirkungen verschiedener Belastungsarten, basierend auf signifikanten Unterschieden im Gehalt an Glykosaminoglykanen und Kollagen, im Gerüst, in der Dicke und im Gleichgewichtsmodul. Obwohl diese Methode Einblicke in die Effekte biaxialer Belastung auf gewebetechnisch hergestelltes Knorpelgewebe ermöglicht, kann sie auch auf andere gering belastete Gewebe wie Knochen und Sehnen angewendet werden. Die Demonstration des Verfahrens erfolgt durch Amy May und Rob Stefani aus unserem Labor. Um dieses Verfahren zu beginnen, richten Sie einen bi-axialen Bioreaktor wie hier gezeigt ein.Die Basis des Bioreaktors besteht aus einer Aluminiumplatte mit den Maßen 25 Zentimeter mal 30 Zentimeter mal 12,5 Millimeter. Die variablen Positionierungsmöglichkeiten ermöglichen eine flexible Montage von Zellkulturplatten unterschiedlicher Form und Größe. Stellen Sie anschließend sicher, dass die Stufen so auf der Basis montiert sind, dass die horizontale Stufe dynamische Scherkräfte erzeugt, indem sie sich ausschließlich entlang der x-Achse hin- und herbewegt.Und die vertikale Probe bietet eine dynamische Kompression, indem sie ausschließlich entlang der Z-Achse oszilliert. Der nächste Schritt besteht darin, eine kundenspezifische Belastungsplatte aus Polysulfon herzustellen. Das Polysulfon-Material ist ideal aufgrund seiner Biokompatibilität, der einfachen Bearbeitbarkeit und der leichten Sterilisierbarkeit.Verbinden Sie die Platte mit der zweiachsigen beweglichen Plattform über eine präzise gefertigte Winkelhalterung. Die an der Grundplatte befestigten kinematischen Anschläge verfügen über Feineinstellschrauben, die eine exakte Ausrichtung der Kulturplatten ermöglichen, die von Hand nicht erreichbar wäre. Befestigen Sie anschließend den Schrittmotoraktuator an jeder Plattform, der Positions-Rückmeldesignale für die Software liefert.Die hier gezeigten Schrittmotor-Aktuatoren weisen eine bidirektionale Wiederholgenauigkeit von 0,1 Mikrometer und eine Auflösung von 20 Nanometern auf, was einer Genauigkeit von weniger als drei Mikrometern über eine Hublänge von 50 Millimetern entspricht. Die Bewegungen der Stufen werden mithilfe der fortschrittlichen Positioniertechnologie-Software von Thor Labs gesteuert. Die Software steuert den Schrittmotor, um die Lastparameter Frequenz und Amplitude sowohl für Scher- als auch für Kompressionsbelastungen unabhängig und gleichzeitig anzupassen. Als Nächstes platzieren Sie eine miniaturisierte Lastzelle mit einer Kapazität von fünf Pfund zwischen der Ladeplatinen und der beweglichen Plattform, um die für die Erkennung des Kontakts zwischen der Platinen und den Konstrukten erforderliche Kraft-Rückkopplung bereitzustellen sowie die Belastungsantworten zu bewerten.Stellen Sie sicher, dass die Kraftmessdose eine hohe Genauigkeit von 0,15 % bis 0,25 % der Endskala aufweist und dass die Anzeigeeinheit der Kraftmessdose einen RS-232-Port besitzt, um eine Datensammlung am Computer zu ermöglichen. Um die Proben in den Vertiefungen einer 24-Loch-Platte zu immobilisieren, bereiten Sie eine Form für ein 1,5 Millimeter dickes Agarose-Gel unter Verwendung eines Guss-Systems mit 1,5 Millimeter Abstandshaltern vor. Gießen Sie nach dem Zusammenbau eine 4 %ige Agarose-Lösung zwischen die beiden Glasplatten und lassen Sie das Gemisch abkühlen.Entfernen Sie dann die obere Platte und stanzen Sie eine Scheibe mit einem Durchmesser von 16 Millimeter aus der Agarplatte. Stanzen Sie für jede Vertiefung in jeder Scheibe ein Loch aus, in das die Probe eingelegt wird. Legen Sie die fertigen Scheiben in die Vertiefungen einer 24-Loch-Platte.Drücken Sie dann Gewebekonstrukte mit einer Dicke von 2,25 Millimetern und einem Durchmesser von fünf Millimetern in jeden der Gelhalter. Die Probe sollte aus der Oberseite jedes Aeros-Halters herausragen. Fügen Sie anschließend 1,5 Milliliter Kulturmedium in jedes Loch hinzu und setzen Sie den Deckel wieder auf. Stellen Sie die Platte anschließend wieder in den Inkubator, bis die Probenbeladung erfolgen soll. Um die mechanische Beladung der Gewebekonstrukte zu beginnen, befestigen Sie die Aluminiumplatte am Kraftmessdorn und montieren Sie jederzeit eine sterile Platinspitze am vertikalen Stativ. Der Inkubator sollte unter Bedingungen geringer Luftfeuchtigkeit betrieben werden, um ein Versagen des Instruments zu verhindern.Schalten Sie als Nächstes den Schrittmotor-Controller und den PC ein. Öffnen Sie das Benutzerprogramm für die fortgeschrittene Positioniertechnologie und wechseln Sie auf beiden Bildschirmen zur grafischen Steuerung. Drücken Sie die Schaltfläche „Home-Zero“, um beide Schrittmotoren in die Nullposition zu fahren, die als die oberste und am weitesten rechts liegende Position definiert ist.Bereiten Sie die Proben zum Beladen vor, indem Sie etwas Medium aus jedem Brunnen entfernen, um ein Überlaufen während des mechanischen Beladens zu verhindern. Stellen Sie anschließend die 24-Loch-Platte in den Bioreaktor und richten Sie die Platte sorgfältig mit Hilfe von vier verstellbaren kinematischen Positionierelementen an dem Platin aus; achten Sie darauf, die Platte korrekt auszurichten. Richten Sie sie bündig mit der Vorderseite des Bioreaktorsockels im grafischen Steuerungsfenster aus.Manuell feinjustieren. Passen Sie die Ausrichtung an, indem Sie auf das Positionsfeld klicken, um es horizontal zu verschieben. Wenn die Platte mit den Vertiefungen der Platte ausgerichtet ist, senken Sie die Platte ab, bis sie erstmals mit den Proben in Kontakt kommt.Sobald die Ausgangsposition erreicht ist, wechseln Sie zum Reiter „Move Sequencer“ und laden Sie die gewünschte Bewegungssequenz, indem Sie auf „Load“ klicken, oder erstellen Sie Ihr eigenes Programm, wie im Textprotokoll beschrieben, das diesem Video beiliegt. Drücken Sie anschließend auf „Run“, um das Programm zu starten. Die Software steuert die Motoren an, um das gewünschte Konditionierungsregime auf die Proben anzuwenden.Wenn das Programm beendet ist, heben Sie die Platte manuell an, sodass sie die Oberseite der Zellkulturplatte freigibt. Entfernen Sie dann die 24-Rad-Platte aus dem Bioreaktor und erneuern Sie das Medium. Entfernen Sie schließlich vorsichtig das Platin vom Kraftsensor und schalten Sie die Geräte aus.Die Verwendung des in diesem Video beschriebenen biaxialen Bioreaktors hatte einen signifikanten Einfluss auf die Menge an Glykosaminoglykanen und Kollagen, die von Zellen in gewebetechnisch hergestellten Konstrukten sezerniert wurden. Die Konditionierung erfolgte fünf Tage pro Woche für drei Stunden pro Tag mit einer Kompressionsdehnung von 10 % und einer Scherdehnung von 5 % bei einem Hertz. Nach 30 Tagen Kultur war die Menge an Glykosaminoglykanen und Kollagen, die von Chondrozyten unter biaxialer Belastung sezerniert wurde, signifikant höher als bei Kontrollproben. Eine einaxiale Belastung erhöhte lediglich die Menge an Glykosaminoglykanen signifikant.Zusätzlich erzeugte eine biaxiale Belastung dickere Konstrukte, zeigte jedoch keinen Einfluss auf die Elastizität der Konstrukte. Mit diesem Dosierungsprotokoll wurden nach 30 Tagen Konditionierung und Kultivierung Querschnitte der Gewebekonstrukte mit typischen Markern des Knorpels gefärbt, einschließlich Safranin O und Typ-II-Kollagen. Die drei verschiedenen Gruppen umfassten keine Konditionierung, einachsige Belastung und biaxiale Belastung.Während alle Gruppen eine positive Färbung für Alcian-Blau und Safranin O zeigen, weisen die mit Bixi belasteten Proben im Vergleich zu den unbe- und einachsig belasteten Proben erhöhte Mengen an Kollagen Typ II auf. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie einachsige oder zweiachsige Belastungen auf sich entwickelnde, gewebetechnisch hergestellte Konstrukte angewendet werden können.

design-biaxial-mechanical-loading-bioreactor-for-tissue

Research

Forschung

JoVE Journal

Bioengineering

Biotechnik

Unsere Gruppe hat einen Bioreaktor Kultur-System, das die physiologische pulsatile Belastungen des Herz-Kreislauf-System, um implantierbare kleinem Durchmesser Gefäßprothesen regenerieren imitiert entwickelt.

Engineering Biological-Based Gefäßprothesen Mit einem Pulsatile Bioreaktor

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