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Disección de las demandas de los usuarios de herramientas para generar heridas celulares
El método experimental actual para generar heridas celulares exige una mayor mejora para abordar muchos problemas que comprometen la reproducibilidad biológica, la robustez, el consumo económico y la experiencia del usuario del ensayo de curación de heridas celulares. Utilizamos el método de escalonamiento duro para analizar los requisitos de los usuarios involucrados en experimentos biológicos a través de cuestionarios29 (Figura 1A). La información involucrada en el cuestionario, como los nombres, se anonimizó para proteger su privacidad. Los detalles del cuestionario se muestran en la Tabla 1. Durante 6 semanas de encuesta para 100 individuos, se recibieron 97 cuestionarios completamente completados, se excluyeron 3 cuestionarios sospechosos e inválidos; La tasa de respuesta fue del 97,00%.
Los resultados demuestran que los problemas más preocupantes en el ensayo de cicatrización de heridas celulares fueron el borde dentado (no recto) y la anchura o áreas inestables de las heridas, que representaron el 55,67% y el 29,90%, respectivamente. Estos fueron significativamente más altos que los de menor tasa de crecimiento celular, contaminación celular y otras opciones con 3.09%, 5.15% y 6.19%, respectivamente (p < 0.001, Figura 1B). En cuanto a la selección de herramientas para crear heridas, el uso de puntas de pipeta fue mucho más prevalente que el de insertos de cultivo celular (Figura 1C). Se atribuyó principalmente al hecho de que los insertos de cultivo celular son bastante caros y no reutilizables (Figura 1D), mientras que las puntas de pipeta son baratas, muestran reproducibilidad experimental (6,59%) y viabilidad celular (20,88%, Figura 1E). Es importante destacar que hasta el 69,23% de los usuarios argumentaron que el precio de los insertos de cultivo celular estaba por encima de su presupuesto (Figura 1D). En contraste, solo 6 sujetos eligieron insertos de cultivo celular, en los que solo el 16,67% consideró que su precio era aceptable (Figura 1F). Por último, en cuanto a la innovadora herramienta para generar heridas celulares, el 86,60% de ellos se mostró optimista, mientras que solo menos usuarios se mostraron reacios (4,12%, Figura 1G).
Posteriormente, se diseccionaron las características del producto que los usuarios necesitaban con urgencia 30,31,32. Estas características incluían heridas rectas, ancho y área de heridas estables, alta reproducibilidad y precio aceptable. En consecuencia, se llevaron a cabo actividades de diseño posteriores.
Decisión de diseñar los elementos y materiales utilizados en el desarrollo del raspador de células
Los datos anteriores muestran que los suministros de laboratorio implementados en la investigación biológica de rutina deben ser estrictamente estériles para evitar la contaminación celular33. Por lo tanto, el raspador de células propuesto debe ser estéril. Aunque las herramientas desechables podrían ser esterilizadas con óxido de etileno, el costo experimental aumentará inevitablemente 34,35,36. Por lo tanto, en lugar de materiales desechables, proponemos diseñar el raspador de celdas con un material reutilizable con gran tolerancia a la esterilización por vapor a alta presión (121,3 °C), para reducir el costo y aumentar la flexibilidad cuando se aplica en diferentes casos37. Para cumplir con estos requisitos, el material utilizado para construir el raspador de celdas debe tener ciertas características físicas y químicas, incluida la resistencia al calor, la alta presión y la corrosión por vapor de agua.
Para el uso previsto del raspador de células, además de cumplir con las funciones básicas, como hacer las heridas rectas del borde, también debe tener un diseño y un color atractivos. En términos de modelado, teniendo en cuenta los campos objetivo y de aplicación, el estilo general debe ser agradable para los laboratorios. La apariencia no debe ser demasiado ostentosa para impedir que el personal observe la progresión experimental. Además, su tamaño debe ser adecuado para placas de seis pocillos, y la superficie debe tener una protuberancia para que las pinzas la recojan de manera estable.
El CMF en el diseño es un aspecto crítico del diseño de productos que influye en la estética y la experiencia del usuario. La elección del color influye en la respuesta emocional, la selección del material afecta a la funcionalidad y la sostenibilidad, y el acabado determina la sensación táctil y el atractivo visual. Los diseñadores de CMF armonizan estos elementos, teniendo en cuenta las tendencias del mercado y la identidad de marca, para crear productos que resuenen con los usuarios.
De acuerdo con la teoría CMF, se consideraron tres factores críticos, incluyendo el color, el material y el proceso de acabado, para determinar sus impactos en la función y el efecto visual24. Primero se llevó a cabo la selección del color. En este contexto, el color se refiere al color intrínseco, que es el color inherente de un objeto o sustancia en condiciones de iluminación estándar, desprovisto de la influencia de fuentes de luz externas o reflejos. Dado que la placa de seis pocillos está hecha de PP con una superficie transparente, se eligió el gris oscuro como color intrínseco. Esta elección se hizo para facilitar la identificación y el funcionamiento, ya que el gris oscuro proporciona un contraste y una visibilidad óptimos cuando se superpone con otros colores. Además, es menos probable que el gris oscuro cause distorsión del color cuando se combina con otros colores, lo que también es crucial para la observación. Los componentes funcionales esenciales se distinguieron aún más por el negro (Figura 2A).
El sistema comercial de coincidencia de colores fue seleccionado como el estándar para la selección de colores debido a su amplia aceptación y uso en diversas industrias. Basándose en la capacidad de la empresa para reproducir colores consistentes en diferentes medios, se eligió para el estudio, ya que es crucial para garantizar una representación de color precisa y consistente.
La selección del material se realizó con base en los resultados de los cuestionarios antes mencionados. La carcasa y los componentes del raspador se fabricaron con un plástico resistente al calor, el polipropileno (PP), para cumplir con los requisitos de esterilización mediante autoclave, como se muestra en la Figura 2B. El acero con alto contenido de carbono es adecuado para resortes, ya que es estable contra entornos de laboratorio resistentes a la corrosión y altas y bajas temperaturas. Se utilizaron esponjas de alta densidad para amortiguar y se colocaron al final del portaobjetos.
Finalmente, se desarrolló el proceso de acabado. Dado que el raspador de células se utiliza con frecuencia y se contamina fácilmente y la calidad de la superficie afecta a la esterilización, es preferible una superficie lisa y brillante para el raspador de células, ya que ayuda al usuario a identificar rápidamente la fuente de contaminación y a tratarla, dando una sensación de limpieza. Las puntas se lijan parcialmente para evitar daños en el fondo de la placa de cultivo, lo que puede afectar al entorno de cultivo y dar lugar a una restricción de la proliferación celular38.
Diseño y prototipo del rascador de células
A partir de los resultados mencionados anteriormente, se diseñaron tres prototipos de raspador celular (Figura 3A). Los estudios muestran que las heridas celulares más utilizadas dentro de las placas de cultivo celular tenían forma de cruz39, que es bastante diferente del prototipo I que empleaba heridas rectangulares; por lo tanto, el prototipo I había sido eximido (Figura 3A). Aunque los prototipos II y III podían crear áreas libres de células en forma de cruz, el riel deslizante del prototipo II era difícil de fijar en discos de cultivo celular y su infraestructura era bastante complicada (Figura 3A). Después de prudentes discusiones, el prototipo III fue distinguido como el modelo final para producir un raspador de celdas.
En particular, dado que la forma de las puntas podría afectar directamente el área libre de celdas en términos de bordes y tamaños, se diseñaron tres bocetos para la selección. El boceto tenía una parte superior afilada, que podía proporcionar bordes muy rectos; sin embargo, la interfaz de cultivo que permite la proliferación celular podría verse afectada si las puntas son demasiado afiladas (Figura 3B). El boceto II ofrecía una parte superior cuadrada, lo que podría evitar el deterioro de las placas de cultivo celular. Sin embargo, como la superficie de contacto entre la punta y la parte inferior de la placa de cultivo es cuadrada, es inestable cuando se usa (Figura 3B). El boceto III proporcionó una punta redondeada roma, evitando efectivamente los problemas anteriores (Figura 3C). Por lo tanto, se seleccionó como diseño final.
El diseño se optimizó en tres aspectos: el método de fijación del fijador, la esponja de cojín incorporada y la facilidad de agarre, respectivamente. En primer lugar, los métodos de fijación del producto esperados incluían pandeo40, mortaja y espiga41 y pivote42. Teniendo en cuenta el costo real de producción y la operatividad, se diseñó una garra debajo del fijador en forma de cruz para facilitar la sujeción del borde del pozo. Además, en la prueba de cicatrización de arañazos celulares, observamos que las puntas rebotaban después de tocar la pared cerca del final debido a la longitud fija y la dureza de las correderas, lo que afectaba al estado de arañazos. Por lo tanto, añadimos una esponja acolchadora al final de la corredera para estabilizar el movimiento de las puntas. (Figura 3A,C). Por último, se añadió una depresión superficial a la protuberancia para facilitar el agarre de la pinza.
Se construyó un modelo tridimensional utilizando el software de diseño 3D. Su representación se muestra en la Figura 4A. El diagrama explosivo elabora las estructuras internas detalladas del raspador de celdas, que muestra sus características necesarias discutidas anteriormente (Figura 4B). Además, para lograr el objetivo de deslizamiento suave de las puntas y los bordes rectos, se adopta la estructura de transmisión de potencia mecánica interna. Toda la unidad funcional del raspador de células está compuesta por la parte de control. En el trabajo real, la palanca de enlace dentro del raspador de celdas está conectada con el botón superior y el extremo se mueve hacia abajo después de aplicar presión para hacer que el extremo se doble. El resorte dentro de la corredera se libera para empujar las puntas para que se muevan. Finalmente, se detiene en la esponja con una hendidura estrecha para terminar el raspado y luego cambia a reiniciar cuando se usa nuevamente (Figura 5A). Además, la facilidad de aprendizaje y la operación conveniente son los criterios para que un biólogo mida la calidad del producto. Por lo tanto, para el diseño de apariencia del producto, el diseño de la superficie siguió el principio de simetría y pulcritud 43,44, distinguiendo y resaltando diferentes componentes a través de diferentes tonos de colores negro, blanco y gris (Figura 5A).
El raspador de celdas es superior al método de rascado de puntas en uso práctico
El producto físico del raspador de celdas se preparó utilizando el método de molienda y ensamblaje (Figura 5B). Como era de esperar, el raspador de celdas se integró de manera excelente con la placa de seis pocillos, con el soporte superior en forma de cruz encajando estrechamente en el borde de la placa, proporcionando una fuerte fijación (Figura 5C). Además, las puntas se ajustaban con precisión a la parte inferior de la placa de seis pocillos, lo que facilitaba la generación suave de áreas libres de células. Finalmente, el raspador de células se esterilizó en autoclave para probar si podía ser reutilizable. Como se muestra en los resultados de la Figura 5D, el raspador de celdas actual mantuvo la forma y el rendimiento físico originales incluso después de la esterilización en autoclave a menos de 121,3 °C durante 30 minutos.
El raspador de células superó al método de creación de heridas celulares existente en la prueba de referencia. Después de repetidas pruebas, el rascador de células mostró una alta estabilidad y reproducibilidad en la preparación de la herida, presentó una baja fluctuación en el área de cada herida y bordes casi rectos, con una desviación estándar del área libre de células de 483,73 y una desviación a borde recto de 5041,33 ± 2420,00. Por el contrario, el área de cada herida preparada por las puntas de pipeta mostró una mayor fluctuación, con una desviación estándar del área libre de células de 3905,80 y una desviación hacia el borde recto de 19562,33 ± 1068,39 (Figura 6A-C).
Finalmente, se evaluó el efecto sobre la viabilidad celular después de las heridas celulares (Figura 6D). Los resultados demostraron que 12 h después de la finalización de la herida celular, la viabilidad celular fue leve pero significativamente mayor en el grupo de raspadores celulares que en el grupo de puntas. Se llevó a cabo un ensayo EdU para confirmar aún más estos resultados y aclarar el impacto de diferentes métodos de preparación de heridas celulares en la proliferación celular, es decir, la replicación del ADN. Los resultados del ensayo EdU mostraron que el porcentaje de células proliferantes en el grupo raspador de células (24,41% ± 0,48) fue significativamente mayor que en el método de puntas (18,79% ± 1,46) después de 12 h (Figura 6E,F).
Estos datos atestiguan fuertemente que el actual generador de heridas celulares superó al método actual para crear heridas celulares en términos de estabilidad y reproducibilidad biológica. Tuvo un bajo impacto en la viabilidad y proliferación celular. Todas estas notables ventajas del generador de bobinado celular confirmaron su potencial para mejorar los ensayos actuales de wound celular al garantizar la fiabilidad y repetibilidad de los datos resultantes.

Figura 1: Análisis de las demandas de los usuarios. (A) El diagrama de Sankey presenta el flujo de trabajo de la investigación basada en cuestionarios para los experimentadores. (B) a (G) exhibir los resultados de los cuestionarios, incluidas las preguntas 1 a 6. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: Diseño del producto con colores y materiales utilizados. (A) Selección de colores. (B) Autoclave utilizado en experimentos biológicos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: Diseño de producto de estructuras detalladas. (A) Tres candidatos a prototipos de raspador de células. (B) Tres bocetos del diseño de la punta. (C) Plano de tres vistas del prototipo III seleccionado que presente su diseño general y los parámetros físicos y espaciales. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4: Modelo tridimensional renderizado y visualización de estructuras internas. (A) Renderizado del modelo tridimensional. (B) Diagrama explosivo que demuestre las estructuras internas del raspador de células propuesto. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5: Mecanismos de funcionamiento del raspador de células. (A) Los bocetos muestran cómo funciona el raspador de células. (B) Producto físico del raspador de células. (C) El raspador de celdas encaja en una placa de 6 pocillos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6: Validación experimental del raspador celular. (A) Las heridas celulares generadas por diferentes métodos y sus resultados de comparación agrupados se mostraron en (B) y (C), la barra de escala es de 100 μm. (D) Resultados de viabilidad celular. (E) y (F) Edu, la barra de escala es de 50 μm. Para la evaluación estadística se realizó la prueba t para la comparación agrupada, y el valor p original se ajustó mediante la prueba de Holm-Bonferroni para evitar resultados falsos positivos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| I) ¿Cuál de los siguientes es el problema más preocupante para usted en el experimento de rascado de celdas? |
| A) Sin bordes rectos |
| B) Anchura inestable |
| C) Proliferación lenta |
| D) Contaminación celular |
| E) Otros |
| II) ¿Qué herramientas utiliza para generar heridas celulares? |
| A) Puntas de pipeta (pase a la pregunta III) |
| B) Insertos de cultivo celular (pase a la pregunta IV-V) |
| III) ¿Por qué no eliges insertos de cultivo celular? |
| A) Viabilidad celular |
| B) No reutilizable |
| C) Costo |
| D) Otros |
| IV) ¿Por qué elegiste los insertos de cultivo celular? |
| A) Costo |
| B) Repetibilidad |
| C) Otros |
| V) ¿Cuáles cree que son los problemas más graves con los insertos de cultivo celular? |
| A) Estado de la célula |
| B) No reutilizable |
| C) Caro |
| D) Otros |
| E) Satisfecho |
| VI) Si existiera una herramienta de rascado barata, reutilizable (esterilizable en autoclave) y altamente reproducible, ¿qué tan dispuesto estaría a comprarla y usarla? |
| A) Muy dispuesto |
| B) Dispuesto |
| C) No estoy seguro |
| D) Renuente |
Tabla 1: El cuestionario utilizado en este estudio consta de seis preguntas destinadas a comprender las situaciones que los biólogos encuentran durante los ensayos de cicatrización de heridas celulares.