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JoVE Journal
Bioengineering

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JoVE Journal Bioengineering

Finite-Elemente-Modellierung einer zellulären elektrischen Mikroumgebung

Engineered Lung Tissues Prepared from Decellularized Lung Slices

Journal (Bioengineering)

Engineered Lung Tissues Prepared from Decellularized Lung Slices

Gene Expression Analysis of Endothelial Cells Exposed to Shear Stress Using Multiple Parallel-plate Flow Chambers

Journal (Bioengineering)

Gene Expression Analysis of Endothelial Cells Exposed to Shear Stress Using Multiple Parallel-plate Flow Chambers

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Finite-Elemente-Modellierung einer zellulären elektrischen Mikroumgebung

Article DOI: 10.3791/61928-v

May 18th, 2021 •

Miruna Verdes¹, Catherine Disney¹, Chinnawich Phamornnak¹, Lee Margetts², Sarah Cartmell^1,3

¹Department of Materials, Faculty of Science and Engineering, The University of Manchester, ²Department of Mechanical, Aerospace and Civil Engineering, Faculty of Science and Engineering, The University of Manchester, ³The Henry Royce Institute, Royce Hub Building, The University of Manchester

Chapters

Summary
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May 18th, 2021

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Dieser Artikel stellt eine Strategie zum Erstellen von Finite-Elemente-Modellen von faserigen leitfähigen Materialien vor, die einem elektrischen Feld (EF) ausgesetzt sind. Die Modelle können verwendet werden, um den elektrischen Input abzuschätzen, den Zellen, die in solchen Materialien ausgesät sind, erhalten, und die Auswirkungen der Änderung der Materialeigenschaften, der Struktur oder der Ausrichtung des Gerüsts zu bewerten.

Transcript

Diese Methode hilft, die elektrische Mikroumgebung einer Zelle vorherzusagen, die auf einem Fasergerüst sitzt, wie der extrazellulären Matrix. Es gibt zwei Hauptvorteile, die sich aus der insilico-Modellierung ergeben. Die Vorhersage experimenteller Bedingungen ist 3D, während die Optimierung durch die einfache Änderung der Parameter ermöglicht wird.

Elektrische Stimulation unterstützt die Regeneration mehrerer Gewebe. Dieses Modell in ähnlichen insilico-Modellen wird bei der Optimierung der Stimulationsparameter helfen. Öffnen Sie zunächst die COMSOL-Software und wählen Sie ein leeres Modell aus.

Klicken Sie im Modellgenerator mit der rechten Maustaste auf globale Definitionen, wählen Sie Parameter aus und fügen Sie Parameter gemäß Tabelle eins im Textmanuskript hinzu. Sie können sie nacheinander hinzufügen oder aus einer Textdatei laden. Klicken Sie im Modellgenerator unter globalen Definitionen mit der rechten Maustaste auf Material, und wählen Sie leeres Material aus, um Materialien hinzuzufügen.

Um Materialeigenschaften hinzuzufügen, gehen Sie zu den Einstellungen des neu hinzugefügten Materials, erweitern Sie dann Materialeigenschaften und wählen Sie elektrische Leitfähigkeit aus grundlegenden Eigenschaften. Drücken Sie das Pluszeichen, um eine Eigenschaft hinzuzufügen. Wiederholen Sie diesen Vorgang für die relative Permittivität.

Geben Sie die aktuellen Materialeigenschaften gemäß Tabelle zwei aus dem Textmanuskript ein. Klicken Sie anschließend auf der Registerkarte Start mit der linken Maustaste auf Komponente hinzufügen und wählen Sie 3D aus, um einen neuen Komponentenknoten im Modellgenerator hinzuzufügen. Klicken Sie erneut mit der rechten Maustaste auf die Geometrie, klicken Sie mit der linken Maustaste auf die Einfügesequenz.

Doppelklicken Sie dann auf das vollständige Modell und wählen Sie die entsprechende Sequenz aus. Klicken Sie unter dem knoten aktuelle Komponente im Modellgenerator mit der rechten Maustaste auf Materialien, und wählen Sie die Materialverknüpfung aus. Ordnen Sie Materialien für jede Komponente in dieser Reihenfolge zu, umgebende Substanz, Schichten und Kerne.

Erweitern Sie auf der Registerkarte Einstellungen für die umgebende Substanz die Auswahlliste, um die Medienauswahl auszuwählen. Erweitern Sie die Link-Einstellungen und wählen Sie das entsprechende Material wie Kulturmedien aus der Dropdown-Liste aus. Um die Domänen innerhalb des Nährmedienblocks anzuzeigen, aktivieren Sie die Schaltfläche Transparenz auf der Registerkarte Grafiken.

Konfigurieren Sie die anderen Materiallinks auf die gleiche Weise. Klicken Sie im Modellgenerator mit der linken Maustaste auf aktuelle Komponente, wählen Sie Physik hinzufügen aus, erweitern Sie dann das AC/DC-Modul, um das elektrische Strommodul auszuwählen, und klicken Sie auf Zur Komponente hinzufügen. Um Randbedingungen zu definieren, wählen Sie auf der Registerkarte Grafiken die Ansicht XY aus.

Gehen Sie erneut zum Modellbauer, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf den Knoten elektrische Ströme und wählen Sie Masse aus. Lassen Sie als Nächstes den Auswahlschalter für die Berandungsauswahl aktiv. Klicken Sie mit der linken Maustaste auf die höchste umgebende Substanzfläche parallel zur XZ-Ebene und fügen Sie Berandung fünf in das Berandungsauswahlfeld ein.

Klicken Sie im Modellbau mit der rechten Maustaste auf den Stromknoten und wählen Sie Klemme aus. Wenn Sie die Berandungsauswahl aktiv halten, klicken Sie mit der linken Maustaste auf die unterste umgebende Substanzfläche parallel zur XZ-Ebene und fügen Sie auch berandung in das Berandungsauswahlfeld ein. Wählen Sie dann durch Erweitern der Klemmenauswahl eine Spannung in der Dropdown-Liste Des Klemmentyps aus und geben Sie V Null für Spannung ein.

Klicken Sie unter globalen Definitionen im Modellgenerator mit der linken Maustaste auf Parameter und ändern Sie den Parameter Theta in den für die Simulation gewünschten Faserorientierungswinkel. Erweitern Sie den Komponentenknoten für jede Komponente im Modellgenerator, klicken Sie dann mit der rechten Maustaste auf Geometrie, und wählen Sie Alle erstellen aus. Klicken Sie im Modellgenerator mit der linken Maustaste auf den Modellstammknoten, und öffnen Sie die Registerkarte Studie hinzufügen.

Wählen Sie stationäre Studie aus, und klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Studie hinzufügen. Klicken Sie unter der neu hinzugefügten Studie mit der linken Maustaste auf Schritt eins, erweitern Sie Studienerweiterungen, aktivieren Sie das Kontrollkästchen Adaptive Mesh-Verfeinerung und klicken Sie auf Berechnen, um das verfeinerte Netz zu erhalten. Klicken Sie im Modellgenerator mit der linken Maustaste auf den Modellstammknoten, und öffnen Sie die Registerkarte Studie hinzufügen, wählen Sie stationäre Studie aus, und klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Studie hinzufügen.

Klicken Sie unter der neu hinzugefügten Studie mit der linken Maustaste auf Schritt eins, erweitern Sie die Netzauswahl und wählen Sie das in der Studie zur adaptiven Netzverfeinerung generierte Netz aus. Fahren Sie fort, indem Sie mit der rechten Maustaste auf die Schaltfläche Compute klicken. Klicken Sie im Modellgenerator mit der rechten Maustaste auf den Ergebnisknoten, und wählen Sie 3D-Plotgruppe aus, um die Einstellungen zu bearbeiten.

Ändern Sie die Bezeichnung in Ladungsdichte und wählen Sie den parametrischen Studiendatensatz aus, indem Sie dataset aus der Dropdown-Liste erweitern. Aktivieren Sie dann in der Farblegende die Kontrollkästchen für Legenden anzeigen und Maximal- und Minimalwerte anzeigen. Klicken Sie erneut unter dem Ergebnisknoten mit der rechten Maustaste auf geladene Dichte, um die Lautstärke auszuwählen und mit der Bearbeitung der Registerkarte Einstellungen fortzufahren.

Erweitern Sie die Registerkarte Daten, wählen Sie dann ein übergeordnetes Element aus und geben Sie EC ein. RHOQ im Ausdrucksfeld. Aktivieren Sie das Feld für den manuellen Farbbereich auf der Registerkarte Bereich und stellen Sie das Minimum und das Maximum auf minus 0,3 bzw. 0,3 ein. Erweitern Sie Farbgebung und Stil und legen Sie die Farbgebung auf Farbtabelle und Farbtabelle auf Welle fest.

Aktivieren Sie das Farblegendenfeld und den Farbbereich der Symmetrien. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf Volume- und Modellgenerator, und wählen Sie Filter aus. Wechseln Sie zur Registerkarte Einstellungen, und geben Sie den logischen Ausdruck für die Aufnahme ein.

Klicken Sie mit der linken Maustaste auf die Plotschaltfläche, um die Ergebnisse im Arbeitsfenster zu visualisieren. In dieser Analyse werden fünf verschiedene geometrische Komplexitätsstufen dargestellt, die das Simulationsergebnis beeinflusst haben. Ein zu grobes Netz kann relevante Informationen verbergen.

Mit der adaptiven Netzverfeinerung wird ein Netz mit kleineren Elementen erhalten, wie es für genaue Ergebnisse erforderlich ist. Bei unterschiedlichen Komplexitätsgraden für das fasermatte Modell wurde die Stärke des elektrischen Feldes durch die Ausrichtung der Fasern in Bezug auf den Potentialgradienten beeinflusst. Darüber hinaus beeinflusst die Faserausrichtung im Winkel zum elektrischen Potentialgradienten die raumgeladene Dichte in den umgebenden Zellkulturmedien.

In der Gerüstfaserorientierungsstudie wurden die RNC-Modellvorhersagen des Studienzustands veranschaulicht, wenn Fasern parallel oder senkrecht zum elektrischen Feld waren. Die Ladungsdichte und die Stromdichte wurden durch die Ausrichtung der Gerüstfaser relativ zum elektrischen Feld beeinflusst. Dieses Protokoll kann verwendet werden, um die Auswirkungen von Parameteränderungen auf die Ladungsdichte um ein Fasergerüstsegment zu untersuchen.

Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass sich durch die Änderung von Modellparametern wie Daten oder Materialeigenschaften der resultierende Ladungsdichtebereich erheblich ändern kann. Für eine optimale Visualisierung muss der Bereich so optimiert werden, dass eine maximale Variabilität der geladenen Dichte beobachtet werden kann.

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