Modelagem de elementos finitos de um microambiente elétrico celular
18 de maio de 2021
Este artigo apresenta uma estratégia para a construção de modelos de elementos finitos de materiais condutores fibrosos expostos a um campo elétrico (EF). Os modelos podem ser usados para estimar a entrada elétrica que as células semeadas nesses materiais recebem e avaliar o impacto da alteração das propriedades, estrutura ou orientação do material constituinte do andaime.
Este método ajuda a prever o microambiente elétrico de uma célula sentada em um andaime de fibra, como a matriz extracelular. Existem duas principais vantagens que surgem da modelagem insílico. A previsão de condições experimentais é 3D, enquanto a otimização é habilitada pela facilidade de mudança de parâmetro.
A estimulação elétrica auxilia na regeneração de múltiplos tecidos. Este modelo em modelos insilicos semelhantes ajudará na otimização dos parâmetros de estimulação. Para começar, abra o software COMSOL e selecione o modelo em branco.
No construtor de modelos, clique com o botão direito do mouse em definições globais, selecione parâmetros e adicione parâmetros de acordo com a tabela um no manuscrito do texto. Você pode adicioná-los um por um ou carregá-los de um arquivo de texto. No construtor de modelos em definições globais, clique em material com o botão direito do mouse e selecione material em branco para adicionar materiais.
Para adicionar propriedades materiais, vá para as configurações do material recém-adicionado, em seguida, expanda as propriedades do material e selecione a condutividade elétrica das propriedades básicas. Pressione o símbolo de ação para adicionar propriedade. Repita este processo para relativa permissão.
Preencha as propriedades materiais atuais, de acordo com a tabela dois do manuscrito do texto. Em seguida, clique em adicionar componente da guia home e selecione 3D para adicionar um novo nó de componente no construtor do modelo. Novamente, clique à direita na geometria, clique à esquerda na sequência de inserção.
Em seguida, clique duas vezes no modelo completo e selecione a sequência apropriada. Sob o nó de componente atual no construtor do modelo, clique com o botão direito do mouse nos materiais e selecione o link do material. Inselecções materiais para cada componente nesta ordem, substância circundante, casacos e núcleos.
Na guia de configurações para a substância circundante, expanda a lista de seleção para escolher a seleção de mídia. Expanda as configurações do link e escolha o material apropriado, como mídia de cultura da lista de retirada. Para ver os domínios dentro do bloco de mídia de cultura, ative o botão de transparência na guia gráfica.
Configure os outros links materiais da mesma forma. No construtor do modelo, o componente atual do clique esquerdo, selecione adicionar física e, em seguida, expanda o módulo AC/DC para selecionar o módulo de corrente elétrica e clique em adicionar ao componente. Para definir as condições de limite, selecione a exibição XY na guia gráfica.
Vá para o construtor do modelo novamente, clique com o botão direito do mouse no nó das correntes elétricas e selecione o solo. Em seguida, mantenha o interruptor de seleção para a seleção de limites ativo. Clique à esquerda na face mais alta da substância circundante paralelamente ao plano XZ e adicione o limite cinco na caixa de seleção de limites.
No construtor do modelo, clique com o botão direito do mouse no nó de corrente elétrica e selecione o terminal. Mantendo a seleção de limites ativa, clique à esquerda na face da substância circundante mais baixa paralelamente ao plano XZ e adicione limite também na caixa de seleção de limites. Em seguida, expandindo a seleção do terminal, selecione uma tensão na lista de dropdown do tipo terminal e preencha V zero para tensão.
Em definições globais no construtor de modelos, parâmetros de clique esquerdo e alterar a do parâmetro para o ângulo de orientação de fibra desejado para simulação. Expanda o nó de componentes para cada componente no construtor do modelo e, em seguida, à direita, clique em geometria e selecione construir tudo. Clique à esquerda no nó raiz do modelo no construtor do modelo e abra a guia de estudo adicionar.
Selecione o estudo estacionário e clique com o botão direito do mouse para adicionar estudo. Sob o estudo recém-adicionado, clique à esquerda no passo um, expanda as extensões do estudo, verifique a caixa de refinamento de malha adaptativa e clique em computação para obter a malha refinada. Clique à esquerda no nó raiz do modelo no construtor do modelo e abra a guia de estudo adicionar, selecione o estudo estacionário e clique direito em adicionar estudo.
No estudo recém-adicionado, clique à esquerda no primeiro passo, expanda a seleção de malha e selecione a malha gerada no estudo de refinamento de malha adaptativa. Continue clicando com o botão com o botão com base. Clique com o botão direito do mouse no nó de resultados no construtor de modelos e selecione grupo de gráficos 3D para editar configurações.
Altere o rótulo para aumentar a densidade de carga e selecione o conjunto de dados de estudo paramétrico expandindo o conjunto de dados da lista suspensa. Em seguida, na legenda de cores, verifique as caixas para mostrar lendas e mostrar valores máximos e mínimos. Novamente sob o nó de resultados, clique com o botão direito do mouse na densidade carregada para selecionar volume e proceder à edição da guia configurações.
Expanda a guia de dados e selecione entre os pais e preencha a CE. RHOQ na caixa de expressão. Verifique a caixa de faixa de cores manual a partir da guia de intervalo e defina o mínimo e o máximo para menos 0,3 e 0,3, respectivamente. Expanda a coloração e o estilo e defina a coloração para a tabela de cores e a tabela de cores para acenar.
Verifique a caixa de legendas de cores e a gama de cores de symmetrias. Mouse com o botão direito do mouse de volume e construtor de modelos e selecione filtro. Vá para a guia de configurações e preencha a expressão lógica para inclusão.
Clique à esquerda no botão plot para visualizar resultados na janela gráfica. Nesta análise, são exibidos cinco diferentes estágios de complexidade geométrica que influenciaram o resultado da simulação. Uma malha muito grossa, pode esconder informações relevantes.
Utilizando o refinamento de malha adaptativa, uma malha com elementos menores é obtida, pois é necessária para resultados precisos. Em diferentes níveis de complexidade para o modelo fosco fibroso, a força do campo elétrico foi influenciada pelo alinhamento das fibras em relação ao potencial gradiente. Além disso, o alinhamento de fibras em ângulo de gradiente potencial elétrico impacta a densidade de espaço carregada nos meios de cultura celular circundantes.
No estudo de orientação da fibra do andaime, o estudo afirma que as previsões do modelo RNC foram ilustradas quando as fibras eram paralelas ou perpendiculares ao campo elétrico. A densidade de carga e a densidade atual foram influenciadas pelo alinhamento da fibra do andaime em relação ao campo elétrico. Este protocolo pode ser usado para investigar o impacto das mudanças de parâmetros na densidade de carga em torno de um segmento de andaime de fibra.
É importante lembrar que, mudando os parâmetros do modelo, como dados ou propriedades materiais, a faixa de densidade de carga resultante pode mudar significativamente. Para melhor visualização, o intervalo deve ser otimizado para que a variabilidade máxima na densidade carregada possa ser observada.
Visão Geral
Este estudo apresenta um método para prever o microambiente elétrico de células em scaffolds fibrosos utilizando modelagem por elementos finitos. A abordagem permite a otimização dos parâmetros de estimulação elétrica para potencializar a regeneração tecidual.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Biofísica
- Engenharia de Tecidos
- Elefisiologia
Antecedentes
- A estimulação elétrica pode promover a regeneração tecidual.
- Modelos de elementos finitos podem simular os campos elétricos ao redor de scaffolds.
- A modelagem in silico oferece vantagens na previsão de condições experimentais.
- Alterações de parâmetros podem ser facilmente implementadas em simulações.
Objetivo do Estudo
- Desenvolver um modelo de elemento finito para materiais condutores fibrosos.
- Estimar a entrada elétrica recebida pelas células nesses materiais.
- Avaliar o impacto das propriedades do andrógeno na distribuição do campo elétrico.
Métodos Utilizados
- Utilização do software COMSOL para a construção do modelo.
- Incorporação de propriedades dos materiais, como condutividade elétrica.
- Modelagem 3D para visualizar campos elétricos e densidade de carga.
- Refinamento adaptativo da malha para aumentar a precisão da simulação.
Resultados Principais
- A intensidade do campo elétrico é influenciada pelo alinhamento das fibras em relação ao gradiente de potencial.
- A densidade de carga e a densidade de corrente variam conforme a orientação das fibras do suporte.
- A refinamento adaptativo da malha melhora a precisão dos resultados da simulação.
- Alterações nos parâmetros afetam significativamente a faixa resultante de densidade de carga.
Conclusões
- O modelo desenvolvido auxilia na compreensão do microambiente elétrico ao redor de scaffolds fibrosos.
- Ele fornece uma estrutura para otimizar a estimulação elétrica na engenharia de tecidos.
- Estudos futuros podem utilizar este método para explorar diversas configurações de scaffolds.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
A modelagem por elementos finitos de microambientes elétricos celulares permite que a pesquisa e desenvolvimento biofarmacêutico preveja e otimize parâmetros de estimulação elétrica para terapias de regeneração tecidual. Essa abordagem in silico preenche a lacuna entre as condições experimentais in vitro e a relevância fisiológica in vivo, simulando a distribuição de carga em scaffolds biomateriais complexos. O método auxilia na redução de riscos mecanicistas no desenvolvimento de eletroceuticais ao quantificar como a arquitetura do scaffold influencia a exposição celular a campos elétricos.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvos
- Valor Científico: Investigar como a orientação das fibras do suporte modula a intensidade do campo elétrico e a densidade de carga ao redor das células, a fim de validar hipóteses mecanicistas nos mecanismos de ação de eletroceuticos.
- Valor Operacional: Permitir varreduras rápidas de parâmetros de propriedades do material e geometria para reduzir riscos no engajamento do alvo, sem necessidade de triagem empírica extensiva.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Valor Científico: Gerar previsões quantitativas e com resolução espacial da densidade de carga e densidade de corrente como parâmetros funcionais para a compatibilidade entre scaffolds e estimulação elétrica.
- Valor Operacional: Padronizar protocolos de simulação entre equipes utilizando refinamento adaptativo de malha para garantir modelagem reprodutível e de alta fidelidade do microambiente.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Valor Científico: Estabelecer continuidade do sistema relevante para doenças por meio da comparação de scaffolds fibrosos de PEDOT-PSS in vitro e matriz extracelular de colágeno in vivo sob condições idênticas de estimulação elétrica.
- Valor Operacional: Apoiar a confiança preditiva na identificação de compostos ativos ao simular arquiteturas de matriz extracelular relevantes para humanos antes da validação pré-clínica.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O método se integra aos fluxos de trabalho de descoberta inicial ao fornecer previsões tridimensionais dos microambientes elétricos celulares que orientam a verificação de hipóteses e a preparação de ensaios para campanhas de triagem eletroceutical.
- Biologia do Descobrimento: Apoia a verificação de hipóteses sobre como a microestrutura do suporte altera o acoplamento eletrotônico celular e as vias de sinalização downstream.
- Triagem: Permite a preparação para ensaios por meio de saídas padronizadas e quantificáveis da distribuição de densidade de carga sob parâmetros definidos de estimulação elétrica.
- Análise: Fornece medidas volumétricas de densidade de carga (EC.RHOQ) e densidade de corrente que permitem análise comparativa de desenhos de suportes ao longo de gradientes de orientação de fibras e propriedades do material.
- Pesquisa Translacional: Conecta a descoberta à continuidade pré-clínica, demonstrando equivalência metodológica entre suportes in vitro e matriz extracelular in vivo sob estimulação elétrica.
- Reutilização Empresarial: Estabelece uma plataforma computacional reutilizável para avaliação de diversos biomateriais condutivos em programas de engenharia de tecidos e desenvolvimento de eletroceuticais.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Reduz a ambiguidade mecanicista nos mecanismos eletroceuticais ao associar a arquitetura do suporte a alterações quantificáveis no microambiente elétrico celular.
- Valor Operacional: Melhora a reprodutibilidade e escalabilidade dos estudos de estimulação elétrica por meio de protocolos padronizados de modelagem por elementos finitos.
- Valor Estratégico: Aprimora as decisões de prosseguir ou não prosseguir no gerenciamento de portfólios eletroceuticais ao prever resultados funcionais antes da validação empírica, que exige grandes recursos.
- Impacto no Portfólio: Permite a priorização ajustada ao risco de combinações de materiais e suportes com base na eficiência simulada na entrega de carga às células-alvo.
Considerações sobre a Implementação
- Exige experiência em modelagem biofísica, análise de elementos finitos e princípios de engenharia elétrica de tecidos.
- Depende do acesso a software de simulação multifísica (por exemplo, COMSOL) e computação de alto desempenho para refinamento adaptativo de malha.
- Necessita padronização entre equipes das bibliotecas de propriedades dos materiais e definições de geometria para previsões consistentes do microambiente.
- Envolve considerações de adaptação ao traduzir modelos simplificados de scaffolds de fibras para matrizes extracelulares nativas complexas e heterogêneas.
- Limitado pela precisão das propriedades dos materiais de entrada e condições de contorno, que influenciam diretamente as faixas previstas de densidade de carga e devem ser validadas empiricamente.
