Modellazione agli elementi finiti di un microambiente elettrico cellulare
18 maggio 2021
Questo documento presenta una strategia per la costruzione di modelli agli elementi finiti di materiali conduttivi fibrosi esposti a un campo elettrico (EF). I modelli possono essere utilizzati per stimare l'input elettrico che le cellule seminate in tali materiali ricevono e valutare l'impatto della modifica delle proprietà, della struttura o dell'orientamento del materiale costitutivo dell'impalcatura.
Questo metodo aiuta a prevedere il microambiente elettrico di una cellula seduta su un'impalcatura di fibre, come la matrice extracellulare. Ci sono due vantaggi principali che derivano dalla modellazione insilico. La previsione delle condizioni sperimentali è 3D, mentre l'ottimizzazione è abilitata dalla facilità di modifica dei parametri.
La stimolazione elettrica aiuta la rigenerazione di più tessuti. Questo modello in modelli insilico simili aiuterà l'ottimizzazione dei parametri di stimolazione. Per iniziare, aprire il software COMSOL e selezionare il modello vuoto.
In Model Builder, fare clic con il pulsante destro del mouse sulle definizioni globali, selezionare i parametri e aggiungere i parametri in base alla tabella uno nel manoscritto di testo. Puoi aggiungerli uno per uno o caricarli da un file di testo. Nel generatore di modelli in base alle definizioni globali, fare clic con il pulsante destro del mouse sul materiale e selezionare il materiale vuoto per aggiungere i materiali.
Per aggiungere le proprietà del materiale, vai alle impostazioni del materiale appena aggiunto, quindi espandi le proprietà del materiale e seleziona la conduttività elettrica dalle proprietà di base. Premere il simbolo più per aggiungere la proprietà. Ripetere questo processo per una permittività relativa.
Compilare le proprietà attuali del materiale, secondo la tabella due del manoscritto di testo. Quindi, fai clic con il pulsante sinistro del mouse su aggiungi componente dalla scheda Home e seleziona 3D per aggiungere un nuovo nodo componente nel generatore di modelli. Anche in questo caso, fate clic con il pulsante destro del mouse sulla geometria, fate clic con il pulsante sinistro del mouse su Inserisci sequenza (Insert sequence).
Quindi fate doppio clic sul modello completo e selezionate la sequenza appropriata. Sotto il nodo del componente corrente nel generatore di modelli, fare clic con il pulsante destro del mouse su Materiali e selezionare il collegamento Materiale. Associare i materiali per ciascun componente in questo ordine, la sostanza circostante, i rivestimenti e le anime.
Nella scheda delle impostazioni per la sostanza circostante, espandere l'elenco di selezione per scegliere la selezione dei supporti. Espandi le impostazioni del collegamento e scegli il materiale appropriato come i supporti di coltura dall'elenco a discesa. Per visualizzare i domini all'interno del blocco dei supporti di coltura, attivare il pulsante di trasparenza nella scheda Grafica.
Configurare gli altri collegamenti ai materiali nello stesso modo. Nel generatore di modelli, fare clic con il pulsante sinistro del mouse sul componente corrente, selezionare Aggiungi fisica, quindi espandere il modulo AC/DC per selezionare il modulo di corrente elettrica e fare clic su Aggiungi al componente. Per definire le condizioni al contorno, selezionate la vista XY nella scheda Grafica.
Vai di nuovo al costruttore di modelli, fai clic con il pulsante destro del mouse sul nodo delle correnti elettriche e seleziona terra. Quindi, mantenere attivo l'interruttore di selezione per la selezione dei limiti. Fate clic con il pulsante sinistro del mouse sulla faccia della sostanza circostante più alta parallela al piano XZ e aggiungete il limite cinque nella casella di selezione del limite.
Nel generatore di modelli, fare clic con il pulsante destro del mouse sul nodo della corrente elettrica e selezionare il terminale. Mantenendo attiva la selezione del limite, fare clic con il pulsante sinistro del mouse sulla faccia della sostanza circostante più bassa parallela al piano XZ e aggiungere anche il limite nella casella di selezione del limite. Quindi, espandendo la selezione del terminale, selezionare una tensione nell'elenco a discesa del tipo di terminale e inserire V zero per la tensione.
In Definizioni globali in Model Builder, fare clic con il pulsante sinistro del mouse su parametri e modificare il theta dei parametri con l'angolo di orientamento della fibra desiderato per la simulazione. Espandere il nodo dei componenti per ogni componente nel generatore di modelli, quindi fare clic con il pulsante destro del mouse sulla geometria e selezionare Costruisci tutto. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse sul nodo radice del modello nel generatore di modelli e aprire la scheda Aggiungi studio.
Selezionare studio stazionario e fare clic con il pulsante destro del mouse su Aggiungi studio. Sotto lo studio appena aggiunto, fai clic con il pulsante sinistro del mouse sul primo passaggio, espandi le estensioni dello studio, seleziona la casella di perfezionamento della mesh adattiva e fai clic su Calcola per ottenere la mesh raffinata. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse sul nodo radice del modello nel generatore di modelli e aprire la scheda Aggiungi studio, selezionare Studio stazionario e fare clic con il pulsante destro del mouse su Aggiungi studio.
Sotto lo studio appena aggiunto, fare clic con il pulsante sinistro del mouse sul primo passaggio, espandere la selezione della mesh e selezionare la mesh generata nello studio di perfezionamento adattivo della mesh. Procedere facendo clic con il pulsante destro del mouse sul pulsante di calcolo. Fare clic con il pulsante destro del mouse sul nodo dei risultati nel generatore di modelli e selezionare il gruppo di plottaggio 3D per modificare le impostazioni.
Modificare l'etichetta in densità di carica e selezionare il set di dati di studio parametrico espandendo il set di dati dall'elenco a discesa. Quindi, nella legenda dei colori, seleziona le caselle per mostra legende e mostra valori massimi e minimi. Sempre sotto il nodo dei risultati, fare clic con il pulsante destro del mouse sulla densità caricata per selezionare il volume e procedere alla modifica della scheda delle impostazioni.
Espandi la scheda dei dati, quindi seleziona da genitore e compila EC. RHOQ nella casella dell'espressione. Selezionare la casella dell'intervallo di colori manuale dalla scheda Intervallo e impostare il minimo e il massimo rispettivamente su meno 0,3 e 0,3. Espandi la colorazione e lo stile e imposta la colorazione sulla tabella dei colori e la tabella dei colori su wave.
Selezionare la casella della legenda dei colori e l'intervallo di colori delle simmetrie. Fare clic con il pulsante destro del mouse su Generatore di volumi e modelli e selezionare filtro. Vai alla scheda impostazioni e inserisci l'espressione logica per l'inclusione.
Fate clic con il pulsante sinistro del mouse sul pulsante di stampa per visualizzare i risultati nell'area grafica. In questa analisi vengono visualizzate cinque diverse fasi di complessità geometrica che hanno influenzato il risultato della simulazione. Una mesh troppo grossolana può nascondere informazioni rilevanti.
Utilizzando il perfezionamento adattivo della mesh, si ottiene una mesh con elementi più piccoli, in quanto è necessaria per risultati accurati. A diversi livelli di complessità per il modello opaco fibroso, la forza del campo elettrico è stata influenzata dall'allineamento delle fibre rispetto al gradiente potenziale. Inoltre, l'allineamento della fibra angolato al gradiente potenziale elettrico influisce sulla densità carica dello spazio nei mezzi di coltura cellulare circostanti.
Nello studio sull'orientamento delle fibre dell'impalcatura, le previsioni del modello RNC dello stato dello studio sono state illustrate quando le fibre erano parallele o perpendicolari al campo elettrico. La densità di carica e la densità di corrente sono state influenzate dall'allineamento delle fibre dell'impalcatura rispetto al campo elettrico. Questo protocollo può essere utilizzato per studiare l'impatto delle variazioni dei parametri sulla densità di carica attorno a un segmento di impalcatura in fibra.
È importante ricordare che modificando i parametri del modello, come i dati o le proprietà del materiale, l'intervallo di densità di carica risultante può cambiare in modo significativo. Per una migliore visualizzazione, l'intervallo deve essere ottimizzato in modo tale da poter osservare la massima variabilità nella densità carica.
Panoramica
Questo studio presenta un metodo per prevedere il microambiente elettrico delle cellule su scaffold fibrosi mediante modellazione agli elementi finiti. L'approccio consente l'ottimizzazione dei parametri di stimolazione elettrica per potenziare la rigenerazione del tessuto.
Componenti Chiave dello Studio
Ambito Scientifico
- Biophysica
- Ingegneria dei tessuti
- Elettrofisiologia
Sfondo
- La stimolazione elettrica può promuovere la rigenerazione dei tessuti.
- I modelli a elementi finiti possono simulare i campi elettrici intorno agli scaffold.
- La modellizzazione in silico offre vantaggi nella previsione delle condizioni sperimentali.
- Le variazioni dei parametri possono essere facilmente implementate nelle simulazioni.
Scopo dello studio
- Sviluppare un modello agli elementi finiti per materiali conduttivi fibrosi.
- Stimare l'input elettrico ricevuto dalle cellule in questi materiali.
- Valutare l'impatto delle proprietà dell'impalcatura sulla distribuzione del campo elettrico.
Metodi Utilizzati
- Utilizzo del software COMSOL per la creazione del modello.
- Incorporazione delle proprietà dei materiali, come la conducibilità elettrica.
- Modellazione 3D per visualizzare i campi elettrici e la densità di carica.
- Raffinamento adattivo della mesh per migliorare l'accuratezza della simulazione.
Risultati principali
- L'intensità del campo elettrico è influenzata dall'allineamento delle fibre rispetto al gradiente di potenziale.
- La densità di carica e la densità di corrente variano in base all'orientamento delle fibre del scaffold.
- Il perfezionamento adattivo della mesh migliora l'accuratezza dei risultati della simulazione.
- Le variazioni dei parametri influiscono in modo significativo sull'intervallo risultante di densità di carica.
Conclusioni
- Il modello sviluppato contribuisce alla comprensione del microambiente elettrico attorno ai supporti fibrosi.
- Fornisce un quadro di riferimento per l'ottimizzazione della stimolazione elettrica nell'ingegneria tissutale.
- Studi futuri potranno utilizzare questo metodo per esplorare diverse configurazioni di supporto.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
La modellizzazione agli elementi finiti dei microambienti elettrici cellulari consente alla ricerca e sviluppo biofarmaceutica di prevedere e ottimizzare i parametri di stimolazione elettrica per le terapie rigenerative dei tessuti. Questo approccio in silico colma il divario tra le condizioni sperimentali in vitro e la rilevanza fisiologica in vivo simulando la distribuzione delle cariche all'interno di impalcature biomateriche complesse. Il metodo supporta la riduzione del rischio meccanicistica nello sviluppo di elettroceutici quantificando come l'architettura dell'impalcatura influisca sull'esposizione cellulare ai campi elettrici.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo di Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Bersaglio
- Valore scientifico: Indagare come l'orientamento delle fibre del scaffold moduli l'intensità del campo elettrico e la densità di carica attorno alle cellule, al fine di validare ipotesi meccanicistiche nei meccanismi d'azione degli elettroceutici.
- Valore operativo: Consentire rapide analisi parametriche delle proprietà del materiale e della geometria per ridurre il rischio di mancato coinvolgimento del bersaglio, senza ricorrere a screening empirici estensivi.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Generare previsioni quantitative e risolte spazialmente della densità di carica e della densità di corrente come letture funzionali della compatibilità tra scaffold e stimolazione elettrica.
- Valore operativo: Standardizzare i protocolli di simulazione tra gruppi di lavoro mediante l'uso di un raffinamento adattivo della mesh per garantire una modellizzazione riproducibile e ad alta fedeltà del microambiente.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Stabilire la continuità del sistema rilevante per la malattia confrontando in vitro impalcature fibrose di PEDOT-PSS e matrice extracellulare (ECM) di collagene in vivo in condizioni identiche di stimolazione elettrica.
- Valore operativo: Sostenere la previsione nell'identificazione dei composti attivi simulando architetture della matrice extracellulare pertinenti all'uomo prima della validazione preclinica.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si integra nei flussi di lavoro della fase iniziale di scoperta fornendo previsioni tridimensionali dei microambienti elettrici cellulari, che guidano la verifica di ipotesi e la preparazione dei saggi per campagne di screening di elettroceutici.
- Biologia della Scoperta: Supporta la verifica di ipotesi su come la microstruttura dell’impalcatura alteri l’accoppiamento elettronico cellulare e le relative vie di segnalazione.
- Screening: Consente la prontezza del saggio attraverso output standardizzati e quantificabili sulla distribuzione della densità di carica in condizioni definite di stimolazione elettrica.
- Analisi: Fornisce misurazioni della densità di carica volumetrica (EC.RHOQ) e della densità di corrente, che permettono un’analisi comparativa di progetti di impalcature lungo gradienti di orientamento delle fibre e di proprietà del materiale.
- Ricerca Translazionale: Collega la scoperta alla continuità preclinica dimostrando l’equivalenza metodologica tra impalcature in vitro e matrice extracellulare in vivo sotto stimolazione elettrica.
- Riutilizzo Aziendale: Stabilisce una piattaforma computazionale riutilizzabile per la valutazione di diversi biomateriali conduttivi nei programmi di ingegneria tissutale e di sviluppo di elettroceutici.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Riduce l'ambiguità meccanicistica nei meccanismi degli elettroceutici collegando l'architettura dello scaffold a modifiche quantificabili nel microambiente elettrico cellulare.
- Valore operativo: Migliora la riproducibilità e la scalabilità degli studi di stimolazione elettrica attraverso protocolli standardizzati di modellistica agli elementi finiti.
- Valore strategico: Migliora le decisioni di avanzamento o interruzione (go/no-go) nella gestione del portafoglio di elettroceutici prevedendo gli esiti funzionali prima della validazione empirica, spesso dispendiosa in termini di risorse.
- Impatto sul portafoglio: Consente una priorizzazione corretta in base al rischio delle combinazioni materiale-scaffold basata sull'efficienza prevista nella consegna di carica alle cellule bersaglio.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze specifiche in modellistica biofisica, analisi agli elementi finiti e principi di ingegneria tissutale elettrica.
- È dipendente dall'accesso a software di simulazione multifisica (ad esempio, COMSOL) e a sistemi di calcolo ad alte prestazioni per il perfezionamento adattivo della mesh.
- Necessita di una standardizzazione intersettoriale delle librerie delle proprietà dei materiali e delle definizioni geometriche per ottenere previsioni coerenti del microambiente.
- Comporta considerazioni di adattamento nel passaggio da modelli semplificati di scaffold fibrosi a matrici extracellulari native complesse ed eterogenee.
- È limitato dall'accuratezza delle proprietà dei materiali in ingresso e delle condizioni al contorno, che influenzano direttamente gli intervalli previsti di densità di carica e devono essere validate sperimentalmente.
