Summary
我们设计了一种新型的机械负荷生物反应器可应用于单轴或双轴机械应变移植到关节软骨缺损的软骨生物复合材料之前。
Abstract
我们设计了一个装载装置，其能够应用到用于移植的组织工程生物复合材料的单轴或双轴的机械应变。而该设备主要作为生物反应器，模仿的固有机械株作用的同时，还配备测力传感器，用于提供力反馈或机械测试的构造。该设备主体工程化软骨的结构，以双轴机械负荷负荷剂量（幅度和频率）非常精确和紧凑，足以容纳一个标准组织培养箱内。它装载样品直接在组织培养板，多个板的大小与系统兼容。该设备已设计使用精确制导激光应用组件制造。双向轴向载荷是由两个正交的阶段来完成。该阶段有50 mm的行程范围内，并独立驱动，由步进电机驱动器，控制一个闭环的步进电机驱动器，具有微步的能力，使步长小于50nm。聚砜加载压板被耦合到双向轴向移动平台的。变动的阶段控制由雷神实验室先进定位技术（APT）软件。步进电机驱动器是用软件来调整负载独立并同时剪切和压缩的频率和振幅参数。具有一个双向为0.1μm的可重复性以及分辨率为20nm，翻译的位置精度小于3μm，在整个50毫米的行程通过线性光学编码器提供位置反馈。这些编码器提供必要的位置反馈信号来驱动电子装置，以确保真正的纳米定位能力。为了提供检测力反馈联系和评估加载响应，精密微型称重传感器之间的位置加载压板舞动克平台。称重传感器具有很高的精度为0.15％，0.25％满量程。
Introduction
我们设计了一个加载的生物反应器，能够制作用于移植的组织工程生物复合材料进行单轴或双轴的机械应变。这个装置的设计主要作为生物反应器的工程关节软骨的替代，它也可以用于其他的承重在人体内的组织。我们在这个生物反应器设计的动机源于Drachman女士和寇罗夫1，谁做出的开创性观察异常形成的关节软骨由于没有运动瘫痪鸡胚。同样，体育锻炼是必不可少的正常的肌肉和骨骼的发展。符合这个概念，许多研究小组调查了不同的模式的物理刺激，在体外培养细胞生物材料复合生物材料和组织植2-7调制生化和机械性能。功能性组织工程的概念涉及在体外使用的机械刺激，以提高组织的功能特性， 即 ，使组织承受预期在体内的应力和应变8,9的机械性能。许多研究报告使用剪切和压缩机械负荷刺激工程化软骨关节关节结构。莫克等10表明，单独的机械负荷，即使在没有被认为是重要的生长因子诱导骨髓间充质干细胞的软骨形成。间歇性的机械负荷，例如在组织培养过程中的压缩或剪切中的应用已被证明能调节软骨和骨形成，然而，加载不同的最佳剂量测定与细胞和组织的性质11。
关节软骨的最重要的功能是内承受压缩力和剪切力的能力联合，因此它必须有高压缩和剪切模量。新软骨在体内关节软骨替换策略的失败的细分功能的机械强度和生理超微结构的工程化软骨已导致缺乏。尽管压缩和剪切已被广泛证明来调节和改善关节软骨的生物复合材料的机械强度，相结合的方式是罕见6,12-15。 16 Wartella和韦恩设计了一个生物反应器应用拉伸和压缩产生半月板软骨替换。瓦尔德曼15 等人设计了一个移动设备以应用在多孔聚磷酸钙基板的软骨细胞的压缩和剪切。边等 17展示了机械性能匹配的本地成年犬软骨细胞在体外培养凝胶和应用双轴机甲软骨anical加载（压缩变形和滑动触点负载）。
双轴机械负荷生物反应器的最初目的是由达尼埃尔楚在我们的实验室的总体目标，诱导组织工程软骨的形态适应构造导致更高的压缩和剪切模量，比现有的18。我们相信，这项研究将大大增加我们更广泛地了解如何可调制机械传导工程师临床相关组织。
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Protocol
1。装双轴生物反应器的设计
- 的生物反应器采用由Thor实验室（牛顿，MA）制造的精确引导的激光应用工程化组织施加单轴或双轴的机械应变，负荷剂量以极高的精度（振幅和频率）和各种各样的应用程序的两个阶段组织培养条件从单一到24孔板中（ 图1）。
- 双向轴向载荷是通过“两个TravelMax阶段（LNR50SE）。这些阶段被安装正交在XZ配置。水平阶段提供动态剪切运动，沿X轴振荡。垂直阶段提供动态压缩载荷沿Z轴振荡。这些阶段有一个50毫米的行程范围内，并独立驱动步进电机的致动器（DRV014），控制的一个闭环的步进电机驱动器（BSC102），具有微步进能力，使步长小于50nm以下。
- 该装置被安装在一个刚性的25厘米×30厘米×12.5毫米是作为一个平台，机器部件的组装和安装的组织培养板中使用的铝基板。可调的运动停止，用于锁定到位的组织培养板的铝基板。停止这些运动有微调螺丝，让手，否则无法实现精确对准。底板采用模块化设计，可以灵活放置停止这些运动以适应不同大小和形状的板（培养皿中主场迎战多孔板）。
- 一个定制加工的聚砜加载压板连接到双向轴向移动平台，通过精密加工的直角支架。被选择的聚砜材料由于其生物相容性，易于加工，易于消毒。
- 托尔实验室的先进定位技术（APT）软件控制的阶段变动。步进电机驱动器是我们在与软件的组合，允许独立并同时剪切和压缩的频率和振幅的调整负荷参数。
- ，附加到每个移动平台，并与软件集成的线性光学编码器提供位置反馈。编码器系统具有双向为0.1μm的可重复性以及分辨率为20nm，翻译准确度小于3μm，在整个50毫米的行程的位置。这些编码器提供必要的位置反馈信号来驱动电子设备，以确保真正的纳米定位功能直接读取的绝对位置。
- 为了提供所需的检测压板和样品之间的接触力反馈和评估加载响应，一个高精度的微型测力传感器（霍尼韦尔31型）加载板的移动平台（ 图2）之间的定位。称重传感器具有很高的精度0.15％至0.25％满量程。在显示单元（SC500）称重传感器还可以提供高达到小数点后5位的负载测量。此外，它有一个RS-232端口的计算机上允许进行数据采集。
2。小区种子琼脂糖构造
- 准备4％琼脂糖：添加0.8克琼脂糖到20毫升的DMEM（无添加剂）在50ml烧瓶中，煮沸，然后保持在70℃的烘箱中，直到使用。
- 调整细胞悬浮液的体积的期望的细胞接种密度为双倍。此悬浮液与等体积的4％w / v琼脂糖建立所需的接种密度在2％琼脂糖凝胶混合。
- 将细胞悬液和一个10毫升吸管在孵化器。
- 设立凝胶浇注系统。一个1.5毫米和0.75毫米隔板应放在一起，创建一个2.25毫米厚的凝胶。也可以使用其他尺寸的隔离板，以创建不同的凝胶厚度。凝胶注模系统是不是大到足以容纳这些板块toget她，所以他们必须牢固地贴在防止泄漏。
- 接下来的步骤是，包括：混合的细胞悬浮液与预先制备的琼脂糖凝胶和吸液管进入凝胶模在琼脂糖固化之前。从烘箱中取出液体的琼脂糖，其放置无菌的温度计。琼脂糖必须冷却到42-43°C与细胞混合前。热身的细胞悬浮液到37℃。一旦琼脂糖命中43℃，迅速吸取所需的金额，然后立即吸取细胞悬液和混合几次。然后立即吸取整个混合物倒入模具凝胶。
- 使凝胶固化10-15分钟，然后小心地倾斜到水平位置。
- 卸下顶部的玻璃板和活检冲床冲磁盘。磁盘可以拿起一个小的无菌压舌板。根据我们的经验，9毫升凝胶是大到足以使一百多5毫米直径的光盘。
3。文化磁盘
4。固定机械装载样品
- 准备（未添加细胞悬浮液）4％的琼脂糖凝胶应该是薄的样品本身（在加载过程中，以防止干扰）。推荐厚度为1.5-1.9毫米（2.25毫米厚的样品）。
- 一旦胶凝，打孔直径16毫米磁盘的24孔板。在每个磁盘中，下冲头一个5 mm的样品孔，如果需要，冲头5毫米的孔的边缘上的吸移管被放置在媒体变更的磁盘。
- 一旦琼脂糖井已被制成，在24孔板中的地方，如在图3中示出。
- 一旦琼脂糖瓦特英语学习者在24孔板，按在每口井的拟合样本。样品应突出从琼脂糖井的顶部。
5。机械装载
- 消毒台板（ 图2）。
- 铝板固定传感器。安全加载压板/称重传感器/铝板组装阶段。
- 步进电机控制器（开关在背面）打开。
- 打开电脑，并打开“APT用户”程序（ 图4）。
- 左屏幕控制水平的步进电机。屏幕右侧垂直步进电机控制。在每个屏幕上，“图形控制”选项卡允许手动定位和“移动音序器”选项卡允许自动化。所有单位均为毫米。
- 转到“图形控制”选项卡，在两个屏幕上，按“首页/零”按钮。这两个步进电机为50毫米的范围内。按“首页/零”将发送两个步进电机零位（顶部和最右边的位置）。
- 编写e本样品装载删除一些媒体从每口井的24孔板中。不超过100毫升的媒体应留在每口井在加载过程中，以防止溢出。要确保有足够的介质以及保持留在样本覆盖。
- 需要注意的是孵化器被保持在低湿度条件下，以防止仪器故障。
- 广场24孔板中的生物反应器，仔细排队压板。
- 该板固定到生物反应器中，使用四个可调的运动定位器。为了使它更容易排队压板，左边的两个定位器已预先定位。拧紧右侧的两个定位器，所以该板块是安全的。确保排队板与前面齐平的生物反应器基地。
- 在“图形控制”选项卡中，具体步进电机位置可以手动点击的位置“框中输入。使用此功能来慢慢放低压板和水平移动板排队。 </ OL>
- 一旦压板接近与样品接触，开始把压板非常缓慢递增（0.1毫米），直到达到预定的起始位置（见第6部分）。
- 一旦达到起始位置，进入“移动音序器”选项卡，并加载所需的移动序列，按“负载”。然后点击“运行”开始。 （ 图5），请参见第7部分。写配料协议。
- 装完时，手动提高压板。如果，任何样品被卡住压板，小心翼翼地把它们放回适当的孔用无菌压舌板。
- 从生物反应器中取出24孔板，并更换介质。
- 小心地取下压板来自称重传感器，然后关闭仪器。
6。校准装入滚筒
，以确保适当的菌株应用于样本，每个压板必须仔细校准开始实验前。
- 手动将水平步进电机25毫米的位置。
- 压板小心地降低，直到它刚好接触生物反应器的基础上。称重传感器会显示增加的负载，在这一点上。请注意垂直步进电机（尽可能精确，因为所有的压缩应变测量这个值将被计算）的确切位置。
- 记录的位置。这个值将被用来写一个协议，根据样品的尺寸和所需菌株剂量。
7。写作配料协议
- ，可以同时或单独的生物反应器是能够施加压缩和剪切应变。三个主要参数必须决定：去皮压应变，动态应变幅度，加载频率。
- 甲皮应变施加，以防止从该样本的压板升空。
- 样品动态应变幅度和加载频率频率被选择。
在这项研究中，我们定义如下：压缩和剪切应变
双向配料协议示例
样品厚度：2.25毫米
皮株（压缩）：10％的样品厚度（0.225毫米）
动态应变幅度（压缩）：10％（+ / - 5％的样品厚度）
频率（压缩）：1赫兹
动态应变振幅（剪切）：25％的样品的厚度（0.5625毫米）：剪切应力是
施加在样品上水平移动的压纸卷筒。
频率（剪切）：0.5赫兹
典型的剂量方案是3小时，每天装载。
在这个例子中，动态和剪切载荷的同时施加而不是按顺序。我们相信这种模式更好的MIM集成电路的复杂加载环境中的人的膝盖。
- 一旦已经选择了一个定量给料协议，压缩移动序列程序必须被写入。
- 移动序列正是这听起来像，步进电机的位置将移动到指定的加速度和最高速度的列表。
- 计算所需的垂直位置的基础上加药协议和的压板校准值（从第6部分）。
- 滚筒1的计算举例如下：
| 校准值的差异 | 垂直位置 | |
| 滚筒校准值（触及生物反应器的底部） | 0毫米 | 29.7700毫米 |
| 滚筒样品接触（2.25毫米样品） | 4.4140毫米 | 25.3560毫米 |
| 圣雨（5％的厚度） | 4.3015毫米 | 25.4705毫米 |
| 应变（10％厚度） | 4.1890毫米 | 25.5810毫米 |
| 应变（15％厚度） | 4.0765毫米 | 25.6955毫米 |
- 一旦位置计算，实验与加速度和最高速度值，以获得正确的频率。应选择，相应的周期数（ 例如 10800个周期为3小时，在1 Hz）。
- 例如动态压缩移动序列计划（10％去皮压缩，10％的动态应变振幅，1赫兹）（ 图5）
- 动态剪切移动序列程序：应该选择的周期数，根据所需的频率和持续时间（ 例如 5,400周期为3个小时，在0.5赫兹）。
- 例如动态剪切移动序列计划（去皮压缩10％（25％的厚度），0.5625毫米动剪应变振幅0.5赫兹）（ 图5）。
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Representative Results
通过使用琼脂糖凝胶电泳后种子用20百万个细胞/毫升的软骨细胞和装置进行了测试在单轴（压缩）或双轴（压缩和剪切）机械性负荷的存在下培养。小学猪软骨细胞中分离出2-4月龄猪关节软骨。 5星毫米直径和1.5毫米厚的样品分别在2毫升定义的软骨细胞培养介质中高葡萄糖DMEM培养基（1％ITS +预混物，100Û单/ ml青霉素，100μg/ ml的链霉素，2 mM的L-谷氨酰胺，2.5微克/毫升的培养两性霉素B，50微克/毫升抗坏血酸，0.1mM非必需氨基酸（NEAA），0.4 mM的脯氨酸），在24孔培养板中，在37℃，5％CO 2。 10 -7 M地塞米松和10 ng / ml的TGF-β1提供的第10天的文化。样品装入3小时/天10-30天之间。单轴载荷的10％压缩的peak-to-peak幅度，1赫兹并装双轴（10％的厚度）为0.15mm的压缩和0.075毫米剪切的peak-to-peak幅度，1赫兹。动态应变幅度和加载频率选择的基础上发表的研究报告17,19。在结束30天的工程化软骨的生化和机械性能进行了评估。
本研究采用三组：1 - 无负荷控制，2 - 单轴压缩负荷，3 - 双轴（压缩和剪切）加载。的DNA内容和结构的湿重保持在经过30天的培养（P> 0.05），三组相似。 GAG含量最高组中遭到装双轴（第3组，与对照组相比，P <0.001），其次是单轴载荷组（第2组，P <0.05）（ 图6）。组2和组3中的GAG含量对应的固有软骨的48％和50％，分别。第3组导致比组1和2（P <0.01）显着较高量的胶原蛋白。第2组也有较厚的结构THAN组（P <0.01）。令人惊讶的是，均衡抗压的杨氏模量是最高的2组（单轴载荷，P <0.01），并有3和1组无显着差异。组2的杨氏模量对应于60.1％的天然猪软骨。
组织学分析表明，积极和均匀染色糖胺（阿尔辛蓝，番红O）和II型胶原蛋白（ 图7）。所有的基团染色阴性的I型胶原蛋白（图中未示出）。
综上所述，这些初步的结果表明，这种生物反应器成功应用压缩和双轴（压缩和剪切）工程化组织的长期培养过程中的机械负荷。在这项研究中显示双轴加载的蛋白多糖和胶原的沉积和组织工程软骨样品的厚度。单轴压缩增加蛋白多糖沉积和杨氏模量。
图1。双轴加载是通过对X-阶段（剪切）和Z的阶段（压缩），该图显示了一个特制的装载的阶段中的压纸卷筒，在24孔板上加载样品。加载参数的控制与计算机连接到步进电机18。
图2。左：聚砜加载模板设计的24孔培养板。右：加载压板附件装双轴生物反应器。
图3。在剪切载荷固定样本制备琼脂糖井固定结构以及机械负荷放置在琼脂糖。此图显示了1.5毫米厚的琼脂糖和2.25毫米厚的样品。
图4。图形用户界面控制装双轴装置。 点击这里查看大图 。
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图5。例如装双轴移动序列程序图形用户界面：动态压缩移动序列计划（10％去皮压缩，10％的动态应变振幅，1赫兹）和动态剪切移动序列计划（去皮压缩10％，25％动剪应变幅度，0.5赫兹）。 点击这里查看大图 。
图6。生化和机械测试结果（N = 6）。*** P <0.001，** P <0.01，P <0.05比1组（第2组：单轴压缩载荷，第3组：双轴压缩和剪切卸载控制。加载。
图7。组织学：阿尔辛蓝/核快红染色，番红O /快绿，II型胶原蛋白的免疫组化。
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Discussion
我们设计了一个装载装置，能够制作用于移植的组织工程构建施加单轴或双轴的机械应变。 在体外培养的工程生物复合材料作为生物反应器，或作为测试设备，该设备可以被用于描述的原生组织或其他治疗方法前，后的机械特性。该设备的主体设计的组织结构双轴机械负荷的负荷剂量（振幅和频率）以极高的精度和应用到各种各样的组织培养条件下，从单一的24孔板。
剪切载荷的应用提出了一套独特的挑战，这个系统的设计。为了最大限度地提高养分转移，个别井的24孔板结构最初潜水。这并不存在任何问题的动态压缩，为皮压应变保险样品压板接触不会丢失。当剪切应变的协议添加，但是，无侧限的样品沿滑动板的底部和一些丢失的与压盘接触。此外，在装双轴协议样本的趋势翻转过来，造成不一致加载。我们解决了这个问题，通过创建琼脂糖井固定在程序中所描述的样品。琼脂糖井允许一致的双轴样品不限制养分供应样品。
不同的压缩非常广泛研究的生物反应器，20,21，我们的设备是能够运用精确株在多个轴。这些轴可以独立控制。多轴载荷可以依次或同时应用。这是可以实现的第三Y轴在三维空间中，以更好地模拟体内条件，以提供机械加载。
而已经开发了其他多轴生物反应器的联合，以模仿机械环境，它们有大的局限性相比，我们的系统。剪切和压缩设备由弗兰克， 等设计。允许多达12个样品同时加载负载反馈，但是结构并不局限于或抵押6。涉及剪切应变在实验过程中，它是必不可少的固定构造，使他们不加载压板下滑动。滑动将导致不均匀和不一致的剪切载荷的试样。较新的生物反应器，如独特的“滚球”系统22,23和双轴刺激装置16，建立一个更为现实的和一致的装载环境，但是，它们只允许一个样本被加载一次。大样本进行必要的生化，机械，结构和组织学分析，高水平的信心是必不可少的。此外倚重，“滚动球”系统缺乏力反馈，在长期体外培养结构发展的重要措施。它还允许的压纸试样的非接触式和试样超载，这将不可逆地损坏组织工程构建的预防。滑动接触生物反应器开发的卞， 等。最多允许四个构面同时被加载，但仍然缺乏这一宝贵的力反馈机制17。
当前的设置，使用24孔板允许24个样品的同时加载，加载压板的几何形状的修改是可能的更多的样本。加载压板新颖的设计提供了巨大的灵活性。所选材料是多孔聚砜，可消毒，并在潮湿和温暖的环境中培养的孵化器。这是很容易加工，使样品的几何形状和数字的各种要加载的同时LY。
总之，新的装双轴组织工程生物反应器，使长期在体外培养组织工程结构。装双轴增加蛋白多糖和胶原的沉积和组织工程软骨样品的厚度，但似乎并不显着影响工程软骨的机械性能，我们假设。单轴压缩增加蛋白多糖沉积和杨氏模量。我们认为，机械性负荷的不同的最佳剂量与细胞和组织的资产。胶原蛋白的结构和剂量装货未来的研究将让我们完全装双轴工程化组织的发展的影响进行评估。
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Disclosures
作者宣称，他们有没有竞争经济利益。
Acknowledgments
这项工作是支持研究与发展，RR＆D服务，美国退伍军人事务部，NIH COBRE 1P20RR024484 AR02128，NIH K24和国防W81XWH-10-1-0643系办公室。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| REAGENTS | |||
| DMEM, High glucose, pyruvate | Invitrogen | 11995 | |
| Agarose Type II | Sigma | CAS 39346-81-1 | |
| Penicillin Streptomycin Glutamine 100X | Invitrogen | 10378-016 | |
| ITS+ Premix | BD Biosciences | 354352 | |
| Pen Strep Glutamine | Invitrogen | 10378-016 | |
| Amphotericin B | Invitrogen | 041-95780 | |
| Ascorbic Acid | Sigma | A-2218 | |
| Nonessential Amino Acid Solution 100x | Sigma | M-7145 | |
| L-proline | Sigma | P-5607 | |
| Dexamethasone | Sigma | D-2915 | |
| Recombinant Human Transforming Growth Factor β1 | R&D Systems | 240-B-010 | |
| EQUIPMENT | |||
| Model 31 Load Cell (1000 g) | Honeywell | AL311 | |
| Model 31 Load Cell (1000 g) | Honeywell | AL311 | |
| Single Channel Display | Honeywell | SC500 | |
| 50 mm Linear Encoded Travelmax Stage with Stepper Actuator | Thorlabs | LNR50SE/M | |
| Two Channel Stepper Motor Controller | Thorlabs | BSC102 | |
| 50 mm Trapezoidal Stepper Motor Drive (2) | Thorlabs | DRV014 | |
| Adjustable Kinematic Locator (4) | Thorlabs | KL02 | |
| Precision Right Angle Plate | Thorlabs | AP90/M | |
| Vertical Mounting Bracket | Thorlabs | LNR50P2/M | |
| Solid Aluminum Breadboard | Thorlabs | MB3030/M | |
| Gel Casting System with 1.5 mm and 0.75 mm spacer plates | BioRad | #1653312 and #1653310 | |
| Disposable Biopsy Punch, 5 mm | Miltex, Inc. | 33-35 | |
| 16 mm hollow punch | Neiko Tools | ||
| Non-Tissue Culture Treated Plates, 24 Well, Flat Bottom | BD Biosciences | 351147 | |
| Ultra-Moisture-Resistant Polysulfone sheet for loading platens | McMaster-Carr | 86735k19 | Custom-machined |
References
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