Modélisation par éléments finis d’un microenvironnement électrique cellulaire

Cette méthode permet de prédire le microenvironnement électrique d’une cellule assise sur un échafaudage de fibres, tel que la matrice extracellulaire. Deux avantages principaux découlent de la modélisation insilico. La prédiction des conditions expérimentales est en 3D, tandis que l’optimisation est rendue possible par la facilité de changement de paramètre.

La stimulation électrique aide à la régénération de plusieurs tissus. Ce modèle dans des modèles insilico similaires aidera à l’optimisation des paramètres de stimulation. Pour commencer, ouvrez le logiciel COMSOL et sélectionnez le modèle vide.

Dans le générateur de modèles, faites un clic droit sur les définitions globales, sélectionnez les paramètres et ajoutez des paramètres en fonction du tableau un dans le manuscrit textuel. Vous pouvez les ajouter un par un ou les charger à partir d’un fichier texte. Dans le générateur de modèles, sous Définitions globales, cliquez avec le bouton droit sur matériau et sélectionnez Matériau vierge pour ajouter des matériaux.

Pour ajouter des propriétés de matériau, accédez aux paramètres du matériau nouvellement ajouté, puis développez les propriétés du matériau et sélectionnez la conductivité électrique parmi les propriétés de base. Appuyez sur le symbole plus pour ajouter une propriété. Répétez ce processus pour obtenir une permittivité relative.

Remplissez les propriétés actuelles du matériau, selon le tableau deux du manuscrit textuel. Ensuite, cliquez avec le bouton gauche sur Ajouter un composant dans l’onglet Accueil et sélectionnez 3D pour ajouter un nouveau nœud de composant dans le générateur de modèles. Encore une fois, faites un clic droit sur la géométrie, cliquez avec le bouton gauche sur insérer une séquence.

Double-cliquez ensuite sur le modèle complet et sélectionnez la séquence appropriée. Sous le nœud de composant actuel dans le générateur de modèles, cliquez avec le bouton droit sur Matériaux et sélectionnez le lien de matériau. Associez les matériaux pour chaque composant dans cet ordre, la substance environnante, les couches et les noyaux.

Dans l’onglet Paramètres de la substance environnante, développez la liste de sélection pour choisir la sélection du média. Développez les paramètres de lien et choisissez le matériel approprié comme les supports de culture dans la liste déroulante. Pour afficher les domaines dans le bloc de média de culture, activez le bouton de transparence dans l’onglet Graphiques.

Configurez les autres liens matériels de la même manière. Dans le générateur de modèles, cliquez avec le bouton gauche sur composant actuel, sélectionnez Ajouter une physique, puis développez le module AC/DC pour sélectionner le module de courant électrique et cliquez sur Ajouter au composant. Pour définir des conditions aux limites, sélectionnez la vue XY dans l’onglet Graphiques.

Accédez à nouveau au constructeur de modèles, faites un clic droit sur le nœud des courants électriques et sélectionnez la masse. Ensuite, maintenez le commutateur de sélection pour la sélection de frontière actif. Cliquez avec le bouton gauche de la souris sur la face de substance environnante la plus haute parallèle au plan XZ et ajoutez la limite cinq dans la zone de sélection de la frontière.

Dans le générateur de modèles, faites un clic droit sur le nœud de courant électrique et sélectionnez le terminal. Pour que la sélection de frontière soit active, cliquez avec le bouton gauche de la souris sur la face de substance environnante la plus basse parallèlement au plan XZ et ajoutez également une frontière dans la zone de sélection de frontière. Ensuite, en élargissant la sélection de bornes, sélectionnez une tension dans la liste déroulante type de borne et remplissez V zéro pour la tension.

Sous Définitions globales dans le générateur de modèles, cliquez avec le bouton gauche sur paramètres et remplacez le paramètre thêta par l’angle d’orientation de la fibre souhaité pour la simulation. Développez le nœud des composants pour chaque composant dans le générateur de modèles, puis cliquez avec le bouton droit sur la géométrie et sélectionnez tout générer. Cliquez avec le bouton gauche sur le nœud racine du modèle dans le générateur de modèles et ouvrez l’onglet Ajouter une étude.

Sélectionnez étude stationnaire et cliquez avec le bouton droit sur Ajouter une étude. Sous l’étude nouvellement ajoutée, cliquez avec le bouton gauche de la souris sur la première étape, développez les extensions d’étude, cochez la case d’affinement du maillage adaptatif et cliquez sur calculer pour obtenir le maillage affiné. Cliquez avec le bouton gauche sur le nœud racine du modèle dans le générateur de modèles et ouvrez l’onglet Ajouter une étude, sélectionnez Étude stationnaire et cliquez avec le bouton droit sur Ajouter une étude.

Sous l’étude nouvellement ajoutée, cliquez avec le bouton gauche de la souris sur la première étape, développez la sélection du maillage et sélectionnez le maillage généré dans l’étude d’affinement du maillage adaptatif. Continuez en cliquant avec le bouton droit de la souris sur le bouton de calcul. Cliquez avec le bouton droit sur le nœud de résultats dans le générateur de modèles et sélectionnez le groupe de tracés 3D pour modifier les paramètres.

Remplacez l’étiquette par densité de charge et sélectionnez l’ensemble de données d’étude paramétrique en développant le jeu de données dans la liste déroulante. Ensuite, dans la légende des couleurs, cochez les cases Afficher les légendes et Afficher les valeurs maximales et minimales. Toujours sous le nœud de résultats, cliquez avec le bouton droit sur densité chargée pour sélectionner le volume et modifiez l’onglet paramètres.

Développez l’onglet de données, puis sélectionnez l’un des parents et remplissez EC. RHOQ dans la zone d’expression. Cochez la case plage de couleurs manuelle dans l’onglet Plage et définissez le minimum et le maximum sur moins 0,3 et 0,3 respectivement. Développez la coloration et le style et définissez la coloration sur la table de couleurs et la table de couleurs sur l’onde.

Cochez la case légende des couleurs et la plage de couleurs des symétries. Cliquez avec le bouton droit sur volume et générateur de modèles, puis sélectionnez Filtrer. Accédez à l’onglet Paramètres et remplissez l’expression logique pour l’inclusion.

Cliquez avec le bouton gauche de la souris sur le bouton du tracé pour visualiser les résultats dans la fenêtre graphique. Dans cette analyse, cinq étapes de complexité géométrique différentes qui ont influencé le résultat de la simulation sont affichées. Un maillage trop grossier peut masquer des informations pertinentes.

En utilisant le raffinement adaptatif du maillage, un maillage avec des éléments plus petits est obtenu, car il est nécessaire pour des résultats précis. À différents niveaux de complexité pour le modèle mat fibreux, la force du champ électrique a été influencée par l’alignement des fibres par rapport au gradient potentiel. De plus, l’alignement de la fibre incliné vers le gradient de potentiel électrique a un impact sur la densité chargée d’espace dans les milieux de culture cellulaire environnants.

Dans l’étude d’orientation des fibres d’échafaudage, les prédictions du modèle RNC de l’état de l’étude ont été illustrées lorsque les fibres étaient parallèles ou perpendiculaires au champ électrique. La densité de charge et la densité de courant ont été influencées par l’alignement des fibres d’échafaudage par rapport au champ électrique. Ce protocole peut être utilisé pour étudier l’impact des changements de paramètres sur la densité de charge autour d’un segment d’échafaudage de fibre.

Il est important de se rappeler qu’en modifiant les paramètres du modèle, tels que les données ou les propriétés des matériaux, la plage de densité de charge résultante peut changer de manière significative. Pour une meilleure visualisation, la plage doit être optimisée de manière à ce qu’une variabilité maximale de la densité chargée puisse être observée.