Eindige element modellering van een cellulair elektrisch micromilieu
18 mei 2021
Dit artikel presenteert een strategie voor het bouwen van eindige-elementenmodellen van vezelige geleidende materialen die zijn blootgesteld aan een elektrisch veld (EF). De modellen kunnen worden gebruikt om de elektrische input te schatten die cellen die in dergelijke materialen zijn gezaaid, te schatten en de impact te beoordelen van het veranderen van de materiaaleigenschappen, structuur of oriëntatie van de steiger.
Deze methode helpt bij het voorspellen van de elektrische micro-omgeving van een cel die op een vezelsteiger zit, zoals de extracellulaire matrix. Er zijn twee belangrijke voordelen die voortvloeien uit insilico-modellering. De voorspelling van experimentele omstandigheden is 3D, terwijl optimalisatie wordt ingeschakeld door het gemak van parameterverandering.
Elektrische stimulatie helpt de regeneratie van meerdere weefsels. Dit model in vergelijkbare insilico-modellen zal helpen bij het optimaliseren van de stimulatieparameters. Open om te beginnen de COMSOL-software en selecteer leeg model.
Klik in modelbouwer met de rechtermuisknop op globale definities, selecteer parameters en voeg parameters toe volgens tabel één in het teksthandschrift. U kunt ze één voor één toevoegen of vanuit een tekstbestand laden. Klik in de modelbouwer onder globale definities met de rechtermuisknop op materiaal en selecteer leeg materiaal om materialen toe te voegen.
Als u materiaaleigenschappen wilt toevoegen, gaat u naar de instellingen van het nieuw toegevoegde materiaal, vouwt u materiaaleigenschappen uit en selecteert u elektrische geleidbaarheid op basiseigenschappen. Druk op het plussymbool om de eigenschap toe te voegen. Herhaal dit proces voor relatieve permittiviteit.
Vul de huidige materiaaleigenschappen in, volgens tabel twee uit het teksthandschrift. Klik vervolgens met de linkermuisknop op component toevoegen op het tabblad Start en selecteer 3D om een nieuw componentknooppunt toe te voegen aan de modelbouwer. Nogmaals, klik met de rechtermuisknop op geometrie, klik met de linkermuisknop op reeks invoegen.
Dubbelklik vervolgens op het volledige model en selecteer de juiste volgorde. Klik onder het huidige componentknooppunt in de modelbouwer met de rechtermuisknop op materialen en selecteer materiaalkoppeling. Associeer materialen voor elk onderdeel in deze volgorde, omringende substantie, lagen en kernen.
Vouw op het tabblad Instellingen voor de omringende stof de selectielijst uit om mediaselectie te kiezen. Vouw de koppelingsinstellingen uit en kies het juiste materiaal zoals cultuurmedia in de vervolgkeuzelijst. Als u de domeinen in het cultuurmediablok wilt zien, activeert u de transparantieknop op het tabblad Afbeeldingen.
Configureer de andere materiaalkoppelingen op dezelfde manier. Klik in de modelbouwer met de linkermuisknop op de huidige component, selecteer natuurkunde toevoegen, vouw vervolgens de AC/DC-module uit om de elektrische stroommodule te selecteren en klik op toevoegen aan component. Als u randvoorwaarden wilt definiëren, selecteert u de XY-weergave op het tabblad Afbeeldingen.
Ga opnieuw naar de modelbouwer, klik met de rechtermuisknop op het knooppunt voor elektrische stromen en selecteer grond. Houd vervolgens de selectieschakelaar voor de grensselectie actief. Klik met de linkermuisknop op het hoogste omringende stofvlak evenwijdig aan het XZ-vlak en voeg grens vijf toe in het selectievak voor de grens.
Klik in de modelbouwer met de rechtermuisknop op het elektrische stroomknooppunt en selecteer de terminal. Houd de grensselectie actief, klik met de linkermuisknop op het laagste omringende stofvlak evenwijdig aan het XZ-vlak en voeg ook grens toe in het selectievak van de grens. Selecteer vervolgens door de terminalselectie uit te breiden een spanning in de vervolgkeuzelijst van het terminaltype en vul V nul in voor spanning.
Onder globale definities in modelbouwer, linker klik parameters en verander de parameter theta in de gewenste vezel oriëntatie hoek voor simulatie. Vouw het componentenknooppunt voor elk onderdeel in de modelbouwer uit, klik vervolgens met de rechtermuisknop op geometrie en selecteer alles bouwen. Klik met de linkermuisknop op het hoofdknooppunt van het model in de modelbouwer en open het tabblad Studie toevoegen.
Selecteer stationaire studie en klik met de rechtermuisknop op studie toevoegen. Klik onder de nieuw toegevoegde studie met de linkermuisknop op stap één, vouw studie-extensies uit, vink het vak adaptieve mesh-verfijning aan en klik op berekenen om de verfijnde mesh te verkrijgen. Klik met de linkermuisknop op het hoofdknooppunt van het model in de modelbouwer en open het tabblad Studie toevoegen, selecteer stationaire studie en klik met de rechtermuisknop op studie toevoegen.
Klik onder de nieuw toegevoegde studie met de linkermuisknop op stap één, vouw meshselectie uit en selecteer de mesh die is gegenereerd in de adaptieve mesh-verfijningsstudie. Ga verder door met de rechtermuisknop op de rekenknop te klikken. Klik met de rechtermuisknop op het resultatenknooppunt in de modelbouwer en selecteer 3D-plotgroep om instellingen te bewerken.
Wijzig het label om de laaddichtheid op te laden en selecteer de set parametrische studiegegevens door de gegevensset uit te vouwen in de vervolgkeuzelijst. Schakel vervolgens in de kleurenlegende de selectievakjes voor legenda's weergeven in en toon maximum- en minimumwaarden. Nogmaals onder het resultatenknooppunt klikt u met de rechtermuisknop op de geladen dichtheid om het volume te selecteren en gaat u verder met het bewerken van het tabblad Instellingen.
Vouw het tabblad Gegevens uit, selecteer vervolgens uit bovenliggende en vul EC in. RHOQ in het expressievak. Controleer het vak handmatig kleurbereik op het tabblad Bereik en stel het minimum en maximum in op respectievelijk min 0,3 en 0,3. Vouw kleuren en stijl uit en stel kleuren in op kleurentabel en kleurentabel om te zwaaien.
Schakel het vak kleurlegende en het kleurbereik symmetrieën in. Klik met de rechtermuisknop op volume- en modelbouwer en selecteer filter. Ga naar het tabblad Instellingen en vul de logische expressie voor opname in.
Klik met de linkermuisknop om de resultaten in het grafische venster te visualiseren. In deze analyse worden vijf verschillende geometrische complexiteitsfasen weergegeven die het simulatieresultaat hebben beïnvloed. Een mesh die te grof is, kan relevante informatie verbergen.
Met behulp van de adaptieve mesh verfijning wordt een mesh met kleinere elementen verkregen, omdat dit nodig is voor nauwkeurige resultaten. Op verschillende niveaus van complexiteit voor het vezelige matte model werd de sterkte van het elektrische veld beïnvloed door de uitlijning van de vezels met betrekking tot de potentiële gradiënt. Bovendien heeft de vezeluitlijning onder een hoek van elektrische potentiële gradiënt invloed op de ruimte geladen dichtheid in omringende celkweekmedia.
In de steigervezeloriëntatiestudie werden de voorspellingen van het RNC-model van de studietoestand geïllustreerd wanneer vezels parallel of loodrecht op het elektrische veld stonden. De laaddichtheid en stroomdichtheid werden beïnvloed door steigervezeluitlijning ten opzichte van het elektrische veld. Dit protocol kan worden gebruikt om de impact van parameterveranderingen op de laaddichtheid rond een vezelsteigersegment te onderzoeken.
Het is belangrijk om te onthouden dat door modelparameters, zoals gegevens of materiaaleigenschappen, te wijzigen, het resulterende laaddichtheidsbereik aanzienlijk kan veranderen. Voor de beste visualisatie moet het bereik zodanig worden geoptimaliseerd dat maximale variabiliteit in de geladen dichtheid kan worden waargenomen.
Overzicht
Deze studie presenteert een methode voor het voorspellen van de elektrische micro-omgeving van cellen op vezelige scaffolds met behulp van eindige-elementenmodellering. De aanpak maakt optimalisatie van de parameters voor elektrische stimulatie mogelijk om weefselregeneratie te verbeteren.
Belangrijkste onderdelen van de studie
Wetenschappelijk vakgebied
- Biofysica
- Tissue Engineering
- Elektrofysiologie
Achtergrond
- Elektrische stimulatie kan weefselregeneratie bevorderen.
- Eindige-elementenmodellen kunnen de elektrische velden rondom scaffolds simuleren.
- In silico modellering biedt voordelen bij het voorspellen van experimentele condities.
- Parameterwijzigingen kunnen eenvoudig in simulaties worden geïmplementeerd.
Doel van de studie
- Om een eindige-elementenmodel te ontwikkelen voor vezelachtige geleidende materialen.
- Om de elektrische input te schatten die cellen in deze materialen ontvangen.
- Om de impact van scaffold-eigenschappen op de verdeling van het elektrische veld te beoordelen.
Gebruikte methoden
- Gebruik van COMSOL-software voor het bouwen van het model.
- Integratie van materiaaleigenschappen zoals elektrische geleidbaarheid.
- 3D-modellering om elektrische velden en ladingsdichtheid te visualiseren.
- Adaptieve mesh-verfijning om de nauwkeurigheid van de simulatie te verbeteren.
Belangrijkste resultaten
- De elektrische veldsterkte wordt beïnvloed door de uitlijning van de vezels ten opzichte van de potentiaalgradiënt.
- De ladingsdichtheid en stroomdichtheid variëren afhankelijk van de oriëntatie van de vezels van het scaffold.
- Adaptieve mesh-verfijning verbetert de nauwkeurigheid van de simulatieresultaten.
- Parameterwijzigingen hebben een significante invloed op het resulterende bereik van de ladingsdichtheid.
Conclusies
- Het ontwikkelde model helpt bij het begrijpen van de elektrische micro-omgeving rondom vezelscaffolds.
- Het biedt een kader voor het optimaliseren van elektrische stimulatie in tissue engineering.
- Toekomstige studies kunnen deze methode gebruiken om verschillende scaffoldconfiguraties te onderzoeken.
Veelgestelde vragen
Industriële relevantie voor management
Eindige-elementenmodellering van cellulaire elektrische micro-omgevingen stelt biofarmaceutische R&D in staat om elektrische stimulatieparameters voor weefselregeneratietherapieën te voorspellen en te optimaliseren. Deze in silico benadering overbrugt de kloof tussen in vitro experimentele condities en in vivo fysiologische relevantie door de ladingsverdeling in complexe biomateriaalsteigers te simuleren. De methode ondersteunt de mechanistische risicoreductie bij de ontwikkeling van electroceutica door te kwantificeren hoe de architectuur van de steiger de blootstelling van cellen aan elektrische velden beïnvloedt.
Strategische Toepassingen in Biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Onderzoeken hoe de oriëntatie van steigervezels de sterkte van het elektrische veld en de ladingsdichtheid rondom cellen moduleert, om mechanistische hypothesen over electroceutische werkingsmechanismen te valideren.
- Operationele waarde: Het mogelijk maken van snelle parameter-sweeps van materiaaleigenschappen en geometrie om de risico's bij target-engagement te verminderen zonder uitgebreide empirische screening.
Screening & assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Het genereren van kwantitatieve, ruimtelijk opgeloste voorspellingen van ladingsdichtheid en stroomdichtheid als functionele read-outs voor de compatibiliteit tussen steunstructuur en elektrische stimulatie.
- Operationele waarde: Het standaardiseren van simulatieprotocollen tussen teams door gebruik te maken van adaptieve mesh-verfijning om reproduceerbare micro-omgevingsmodellering met een hoge getrouwheid te waarborgen.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Het vaststellen van ziekterelevante systeemcontinuïteit door in vitro vezelige PEDOT-PSS-scaffolds te vergelijken met in vivo collageen ECM onder identieke elektrische stimulatiecondities.
- Operationele waarde: Het ondersteunen van de voorspellende betrouwbaarheid bij de identificatie van lead-verbindingen door mens-relevante architecturen van de extracellulaire matrix te simuleren vóór preklinische validatie.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode kan worden geïntegreerd in vroege discovery-workflows door 3D-voorspellingen te leveren van cellulaire elektrische micro-omgevingen, dieten als basis dienen voor hypothesetoetsing en de gereedheid van assays voor electroceutische screeningscampagnes.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetoetsing over hoe de microstructuur van het scaffold de cellulaire elektrotonische koppeling en downstream signaleringspaden beïnvloedt.
- Screening: Maakt assay-gereedheid mogelijk door gestandaardiseerde, kwantificeerbare outputs van de ladingsdichtheidsverdeling onder gedefinieerde parameters van elektrische stimulatie.
- Analytics: Levert metingen van de volumetrische ladingsdichtheid (EC.RHOQ) en stroomdichtheid die een vergelijkende analyse van scaffold-ontwerpen mogelijk maken over gradiënten van vezeloriëntatie en materiaaleigenschappen.
- Translationeel Onderzoek: Verbindt fundamentele ontdekkingen met preklinische continuïteit door methodologische equivalentie aan te tonen tussen in vitro scaffolds en de in vivo extracellulaire matrix onder elektrische stimulatie.
- Enterprise Reuse: Vestigt een herbruikbaar computationeel platform voor het evalueren van diverse geleidende biomaterialen in programma's voor tissue engineering en de ontwikkeling van elektroceutica.
Operationele en zakelijke impact
- Wetenschappelijke waarde: Vermindert mechanistische ambiguïteit in electroceutische mechanismen door de architectuur van het scaffold te koppelen aan kwantificeerbare veranderingen in de elektrische micro-omgeving van de cel.
- Operationele waarde: Verbetert de reproduceerbaarheid en schaalbaarheid van studies naar elektrische stimulatie via gestandaardiseerde protocollen voor eindige-elementenmodellering.
- Strategische waarde: Verbetert go/no-go-beslissingen in het beheer van de electroceutische portfolio door functionele resultaten te voorspellen voorafgaand aan resource-intensieve empirische validatie.
- Impact op de portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering van scaffold-materiaalcombinaties mogelijk op basis van gesimuleerde efficiëntie van de ladingsoverdracht naar doelcellen.
Overwegingen bij de implementatie
- Vereist expertise in biofysische modellering, eindige-elementenanalyse en principes van elektrische weefseltechnologie.
- Afhankelijk van toegang tot multiphysics-simulatiesoftware (bijv. COMSOL) en high-performance computing voor adaptieve mesh-verfijning.
- Necessiteert standaardisatie tussen teams van bibliotheken met materiaaleigenschappen en geometrische definities voor consistente voorspellingen van de micro-omgeving.
- Omvat aanpassingen bij de vertaling van vereenvoudigde vezelsteigermodellen naar complexe, heterogene natuurlijke extracellulaire matrices.
- Beperkt door de nauwkeurigheid van de input-materiaaleigenschappen en randvoorwaarden, die de voorspelde ladingsdichtheidsbereiken direct beïnvloeden en empirisch gevalideerd moeten worden.
