$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Analizowanie żądań użytkowników dotyczących narzędzi do generowania ran komórkowych
Obecna eksperymentalna metoda generowania ran komórkowych wymaga dalszego ulepszenia w celu rozwiązania wielu problemów, które zagrażają odtwarzalności biologicznej, solidności, ekonomicznemu zużyciu i doświadczeniu użytkownika w zakresie gojenia się ran komórkowych. Wykorzystaliśmy metodę twardej drabiny do analizy wymagań użytkowników zaangażowanych w eksperymenty biologiczne za pomocą kwestionariuszy29 (Rysunek 1A). Informacje zawarte w kwestionariuszu, takie jak imiona i nazwiska, zostały zanonimizowane w celu ochrony ich prywatności. Szczegółowe informacje na temat kwestionariusza przedstawiono w tabeli 1. W ciągu 6 tygodni badania dla 100 osób otrzymano 97 w pełni wypełnionych kwestionariuszy, wykluczono 3 podejrzane i nieważne kwestionariusze; Wskaźnik odpowiedzi wyniósł 97,00%.
Wyniki pokazują, że najbardziej kłopotliwymi problemami w testach gojenia się ran komórkowych były ząbkowane krawędzie (nie proste) oraz niestabilna szerokość lub obszary ran, stanowiące odpowiednio 55,67% i 29,90%. Były one znacznie wyższe niż w przypadku niższego tempa wzrostu komórek, zanieczyszczenia komórek i innych opcji (odpowiednio 3,09%, 5,15% i 6,19%) (p < 0,001, Rysunek 1B). Jeśli chodzi o dobór narzędzi do tworzenia ran, stosowanie końcówek do pipet było znacznie bardziej rozpowszechnione niż wkładek do hodowli komórkowych (Rysunek 1C). Wynikało to głównie z faktu, że wkładki do hodowli komórkowych są dość drogie i nie nadają się do ponownego użycia (Rysunek 1D), podczas gdy końcówki do pipet są tanie, wykazują eksperymentalną odtwarzalność (6,59%) i żywotność komórek (20,88%, Rysunek 1E). Co ważne, aż 69,23% użytkowników twierdziło, że cena wkładek do hodowli komórkowych przekraczała ich budżet (Rysunek 1D). Dla porównania, tylko 6 osób wybrało wkładki do hodowli komórkowych, z których tylko 16,67% uznało, że ich cena jest akceptowalna (Ryc. 1F). Wreszcie, jeśli chodzi o innowacyjne narzędzie do generowania ran komórkowych, 86,60% z nich było optymistycznie nastawionych, podczas gdy tylko mniej użytkowników było niechętnych (4,12%, Rysunek 1G).
Następnie przeanalizowano funkcje produktu, których użytkownicy pilnie potrzebowali30,31,32. Cechy te obejmowały proste rany, stabilną szerokość i obszar ran, wysoką powtarzalność i akceptowalną cenę. W związku z tym przeprowadzono kolejne działania projektowe.
Decyzja o zaprojektowaniu elementów i materiałów użytych do opracowania skrobaka komórkowego
Powyższe dane pokazują, że materiały laboratoryjne stosowane w rutynowych badaniach biologicznych muszą być ściśle sterylne, aby uniknąć zanieczyszczenia komórek33. Dlatego proponowany skrobak do komórek powinien być sterylny. Chociaż narzędzia jednorazowego użytku mogą być sterylizowane tlenkiem etylenu, koszt eksperymentu nieuchronnie wzrośnie34,35,36. Dlatego zamiast materiałów jednorazowych proponujemy zaprojektowanie skrobaka komórkowego z materiału wielokrotnego użytku o dużej tolerancji na sterylizację parą wodną pod wysokim ciśnieniem (121,3 °C), aby obniżyć koszty i zwiększyć elastyczność w przypadku zastosowania w różnych przypadkach37. Aby spełnić te wymagania, materiał użyty do budowy skrobaka komórkowego musi mieć określone cechy fizyczne i chemiczne, w tym odporność na ciepło, wysokie ciśnienie i korozję parą wodną.
Dla zamierzonego zastosowania skrobaka komórkowego, oprócz spełniania podstawowych funkcji, takich jak wykonywanie prostych krawędzi ran, powinien on również mieć atrakcyjny wygląd i kolor. Jeśli chodzi o modelowanie, biorąc pod uwagę obszary docelowe i zastosowania, ogólny styl powinien być odpowiedni dla laboratoriów. Wygląd nie powinien być zbyt ostentacyjny, aby utrudnić personelowi obserwowanie postępów w eksperymentowaniu. Co więcej, jego rozmiar powinien być odpowiedni dla płytek sześciodołkowych, a powierzchnia powinna mieć występ, aby pęseta mogła go stabilnie podnieść.
CMF w projektowaniu jest krytycznym aspektem projektowania produktu, wpływającym na estetykę i doświadczenie użytkownika. Wybór koloru wpływa na reakcję emocjonalną, wybór materiałów wpływa na funkcjonalność i zrównoważony rozwój, a wykończenie decyduje o odczuciach dotykowych i atrakcyjności wizualnej. Projektanci CMF harmonizują te elementy, biorąc pod uwagę trendy rynkowe i tożsamość marki, aby tworzyć produkty, które rezonują z użytkownikami.
Zgodnie z teorią CMF, trzy kluczowe czynniki, w tym kolor, materiał i proces wykończenia, zostały wzięte pod uwagę w celu określenia ich wpływu na funkcję i efekt wizualny24. W pierwszej kolejności przeprowadzono dobór kolorów. W tym kontekście kolor odnosi się do koloru wewnętrznego, który jest nieodłącznym kolorem przedmiotu lub substancji w standardowych warunkach oświetleniowych, pozbawionym wpływu zewnętrznych źródeł światła lub odbić. Biorąc pod uwagę, że płytka sześciodołkowa jest wykonana z PP o przezroczystej powierzchni, jako kolor wewnętrzny wybrano ciemnoszary. Ten wybór został dokonany z myślą o łatwej identyfikacji i obsłudze, ponieważ ciemnoszary zapewnia optymalny kontrast i widoczność po nałożeniu na inne kolory. Poza tym ciemnoszary jest mniej podatny na zniekształcenia kolorów w połączeniu z innymi kolorami, co również ma kluczowe znaczenie dla obserwacji. Podstawowe komponenty funkcjonalne zostały dodatkowo wyróżnione kolorem czarnym (Rysunek 2A).
Komercyjny system dopasowywania kolorów został wybrany jako standard wyboru kolorów ze względu na jego powszechną akceptację i zastosowanie w różnych branżach. Opierając się na zdolności firmy do odwzorowania spójnych kolorów na różnych nośnikach, wybrano ją do badania, ponieważ ma to kluczowe znaczenie dla zapewnienia dokładnego i spójnego odwzorowania kolorów.
Wybór materiału został przeprowadzony na podstawie wyżej wymienionych wyników kwestionariuszy. Obudowa i elementy skrobaka zostały wykonane z żaroodpornego tworzywa sztucznego, polipropylenu (PP), aby spełnić wymóg sterylizacji przez autoklawowanie, jak pokazano na Rysunek 2B. Stal wysokowęglowa nadaje się do produkcji sprężyn, ponieważ jest odporna na wysokie i niskie temperatury, odporna na korozję w środowisku laboratoryjnym. Do buforowania użyto gąbek o dużej gęstości i umieszczono je na końcu szkiełka.
Wreszcie, proces wykańczania został opracowany. Ponieważ skrobak do komórek jest często używany i łatwo ulega zanieczyszczeniu, a jakość powierzchni wpływa na sterylizację, gładka i błyszcząca powierzchnia jest preferowana dla skrobaka do komórek, ponieważ pomaga użytkownikowi szybko zidentyfikować źródło zanieczyszczenia i poradzić sobie z nim, dając poczucie czystości. Końcówki są częściowo szlifowane, aby uniknąć uszkodzenia dna szalki hodowlanej, co może wpłynąć na środowisko hodowli i spowodować ograniczenie proliferacji komórek38.
Projekt i prototyp skrobaka komórkowego
Na podstawie powyższych wyników zaprojektowano trzy prototypy skrobaka komórkowego (Rysunek 3A). Badania pokazują, że najczęściej używanymi ranami komórkowymi na płytkach hodowli komórkowych były rany w kształcie krzyża39, co znacznie różni się od prototypu I, w którym zastosowano rany prostokątne; w ten sposób prototyp I został uchylony (Rysunek 3A). Chociaż prototyp II i III mogły tworzyć obszary wolne od komórek w kształcie krzyża, szyna ślizgowa prototypu II była trudna do zamocowania w dyskach hodowli komórkowych, a jej infrastruktura była dość skomplikowana (Rysunek 3A). Po wnikliwych dyskusjach prototyp III został wyróżniony jako ostateczny model do produkcji skrobaka do komórek.
Zwłaszcza, że kształt końcówek może bezpośrednio wpływać na obszar wolny od komórek pod względem krawędzi i rozmiarów, zaprojektowano trzy szkice do wyboru. Szkic I miał ostrą górę, która mogła zapewnić bardzo proste krawędzie; jednak interfejs hodowli umożliwiający proliferację komórek może być osłabiony, jeśli końcówki są zbyt ostre (Rysunek 3B). Szkic II oferował kwadratową górę, która mogła uniknąć uszkodzenia płytek kultur komórkowych. Ponieważ jednak powierzchnia styku między końcówką a dnem płytki hodowlanej jest kwadratowa, jest ona niestabilna podczas jej używania (Rysunek 3B). Szkic III zawierał, zaokrągloną końcówkę, skutecznie unikającą powyższych problemów (Rysunek 3C). Dlatego został wybrany jako ostateczny projekt.
Projekt został zoptymalizowany pod trzema względami: odpowiednio metodą mocowania fixera, wbudowaną gąbką amortyzującą i łatwością chwytania. Po pierwsze, oczekiwane metody mocowania produktu obejmowały wyboczenie40, wpuszczanie i czop41 oraz pivoting42. Biorąc pod uwagę rzeczywisty koszt produkcji i operatywność, pod utrwalaczem w kształcie krzyża zaprojektowano pazur, aby ułatwić zaciskanie krawędzi studni. Dodatkowo w teście gojenia się zadrapań komórek zaobserwowaliśmy, że końcówki odbijały się od niego po dotknięciu ściany w pobliżu końca ze względu na stałą długość i twardość szkiełek, co wpływało na stan zarysowania. Dlatego na końcu zjeżdżalni dodaliśmy amortyzującą gąbkę, aby ustabilizować ruch końcówek. (Rysunek 3A,C). Na koniec do występu dodano wgłębienie powierzchniowe, aby ułatwić chwytanie pęsety.
Trójwymiarowy model został następnie skonstruowany przy użyciu oprogramowania do projektowania 3D. Jego renderowanie jest pokazane w Rysunek 4A. Wykres wybuchowy szczegółowo opisuje wewnętrzne struktury skrobaka komórkowego, który pokazuje jego niezbędne cechy omówione powyżej (Rysunek 4B). Dodatkowo, aby osiągnąć cel, jakim jest płynne przesuwanie końcówek i prostych krawędzi, przyjęto wewnętrzną mechaniczną strukturę przenoszenia mocy. Cała jednostka funkcjonalna skrobaka komórkowego składa się z części kontrolnej. W rzeczywistej pracy dźwignia łącząca wewnątrz skrobaka komórkowego jest połączona z górnym przyciskiem, a koniec przesuwa się w dół po przyłożeniu nacisku, aby wygiąć końcówkę. Sprężyna wewnątrz zamka jest zwalniana, aby popchnąć końcówki do ruchu. Na koniec zatrzymuje się na gąbce z wąską szczeliną, aby zakończyć skrobanie, a następnie przełącza się, aby zresetować po ponownym użyciu (Rysunek 5A). Co więcej, łatwość nauki i wygodna obsługa są kryteriami, które biolog musi mierzyć jakością produktu. W związku z tym, jeśli chodzi o wygląd produktu, układ powierzchni był zgodny z zasadą symetrii i schludności43,44, rozróżniając i podkreślając różne elementy za pomocą różnych odcieni czerni, bieli i szarości (Rysunek 5A).
Skrobak komórkowy jest lepszy od metody drapania końcówek w praktycznym zastosowaniu
Fizyczny produkt skrobaka komórkowego został przygotowany przy użyciu metody mielenia i montażu (Rysunek 5B). Zgodnie z oczekiwaniami, skrobak do komórek doskonale zintegrował się z płytką sześciodołkową, z górnym uchwytem w kształcie krzyża ściśle przylegającym do krawędzi płytki, zapewniając mocne mocowanie (Rysunek 5C). Co więcej, końcówki precyzyjnie przylegały do dna sześciodołkowej płytki, ułatwiając płynne tworzenie obszarów wolnych od komórek. Na koniec skrobak do komórek został poddany autoklawowaniu, aby sprawdzić, czy może być wielokrotnego użytku. Jak pokazano w Rysunek 5D, obecny skrobak komórkowy zachował oryginalny kształt i wydajność fizyczną nawet po autoklawowaniu w temperaturze poniżej 121,3 °C przez 30 minut.
Skrobak do komórek przewyższył istniejącą metodę tworzenia ran komórkowych w teście porównawczym. Po wielokrotnych testach drapak komórek wykazał wysoką stabilność i odtwarzalność w przygotowaniu rany, wykazywał niskie wahania w obszarze każdej rany i prawie proste krawędzie, z odchyleniem standardowym obszaru wolnego od komórek wynoszącym 483,73 i odchyleniem do prostej krawędzi 5041,33 ± 2420,00. W przeciwieństwie do tego, obszar każdej rany przygotowany przez końcówki pipet wykazywał większą fluktuację, z odchyleniem standardowym obszaru wolnego od komórek wynoszącym 3905,80 i odchyleniem do prostej krawędzi wynoszącym 19562,33 ± 1068,39 (Rysunek 6A-C).
Na koniec, oceniono wpływ na żywotność komórek po zranieniu komórek (Rysunek 6D). Wyniki wykazały, że 12 godzin po zakończeniu rany komórkowej żywotność komórek była nieznacznie, ale znacznie wyższa w grupie skrobaków komórkowych niż w grupie końcówek. Przeprowadzono test EdU w celu dalszego potwierdzenia tych wyników i wyjaśnienia wpływu różnych metod przygotowania ran komórkowych na proliferację komórek, tj. replikację DNA. Wyniki testu EdU wykazały, że odsetek proliferujących komórek w grupie skrobaków komórkowych (24,41% ± 0,48) był znacznie wyższy niż w metodzie końcówek (18,79% ± 1,46) po 12 godzinach (Rysunek 6E,F).
Te dane zdecydowanie potwierdziły, że obecny generator ran komórkowych przewyższa obecną metodę tworzenia ran komórkowych pod względem stabilności i biologicznej odtwarzalności. Miało to niewielki wpływ na żywotność i proliferację komórek. Wszystkie te niezwykłe zalety generatora uzwojeń komórek potwierdziły jego potencjał w zakresie poprawy obecnych testów ran komórkowych poprzez zapewnienie wiarygodności i powtarzalności uzyskanych danych.

Rysunek 1: Użytkownik domaga się analiz. (A) Wykres Sankeya przedstawia przebieg badań opartych na kwestionariuszach dla eksperymentatorów. (B) do (G) przedstawić wyniki kwestionariuszy, w tym odpowiedzi na pytania od 1 do 6. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Projekt produktu z użytymi kolorami i materiałami. (A) Wybór kolorów. (B) Autoklaw używany w doświadczeniach biologicznych. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Projektowanie produktów o szczegółowych strukturach. (A) Trzy prototypowe kandydatury skrobaka komórkowego. (B) Trzy szkice projektu końcówki. (C) Rysunek trójwidokowy wybranego prototypu III przedstawiający jego ogólny projekt oraz parametry fizyko-przestrzenne. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Renderowany trójwymiarowy model i wyświetlanie wewnętrznych struktur. (A) Render trójwymiarowego modelu. (B) Wykres wybuchowy przedstawiający wewnętrzne struktury proponowanej zgarniarki do komórek. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Mechanizmy działania skrobaka komórkowego. (A) Szkice pokazują, jak działa skrobak do komórek. (B) Produkt fizyczny zgarniacza komórek. (C) Skrobak do komórek mieści się w płytce 6-dołkowej. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6: Eksperymentalna walidacja skrobaka komórkowego. (A) Rany komórkowe wygenerowane różnymi metodami i ich pogrupowane wyniki porównania zostały pokazane w (B) i (C), podziałka wynosi 100 μm. (D) Wyniki żywotności komórek. (E) i (F) wyniki testu Edu, podziałka wynosi 50 μm. Do oceny statystycznej przeprowadzono test t dla porównania grupowego, a pierwotną wartość p dostosowano za pomocą testu Holma-Bonferroniego, aby uniknąć wyników fałszywie dodatnich. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
| I) Który z poniższych jest dla ciebie najbardziej kłopotliwy w eksperymencie z drapaniem komórek? |
| A) Brak prostych krawędzi |
| B) Niestabilna szerokość |
| C) Powolna proliferacja |
| D) Zanieczyszczenie komórek |
| e) Inne |
| II) Jakich narzędzi używasz do generowania ran komórkowych |
| A) Końcówki do pipet (przejdź do pytania III) |
| B) Wkładki do hodowli komórkowych (przejdź do pytania IV-V) |
| III) Dlaczego nie wybierasz wkładek do hodowli komórkowych? |
| A) Żywotność komórek |
| B) Nie nadaje się do wielokrotnego użytku |
| C) Koszt |
| d) Inne |
| IV) Dlaczego zdecydowaliście się Państwo na wkładki do hodowli komórkowych? |
| a) Koszt |
| B) Powtarzalność |
| C) Inne |
| V) Jakie są Twoim zdaniem najpoważniejsze problemy związane z wkładkami do hodowli komórkowych? |
| A) Stan komórki |
| B) Nie nadaje się do wielokrotnego użytku |
| C) Drogie |
| d) Inne |
| e) Zadowolony |
| VI) Gdyby istniało niedrogie, wielokrotnego użytku (autoklawowalne), wysoce powtarzalne narzędzie do drapania, jak chętnie byś je kupił i używał? |
| A) Bardzo chętny |
| b) Chętny |
| C) Nie jestem pewien |
| d) Niechętny |
Tabela 1: Kwestionariusz użyty w tym badaniu składa się z sześciu pytań, które mają na celu zrozumienie sytuacji, z jakimi spotykają się biolodzy podczas testów gojenia się ran komórkowych.