مدولاسیون مکانیکی سلول‎های بنیادی در راستای تمایز به سلول‎های غضروفی- استخوانی با استفاده از داربست‌های دارای سطوح ضمنی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 دانشیار، گروه مهندسی علوم زیستی، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

فرایند‎های تولید بافت‎های بیولوژیکی نیازمند یک بستر مصنوعی می باشد تا پاسخ سلولی به سیگنال‎های مکانیکی و شیمیایی را کنترل نماید. این حامی مصنوعی به‌نام داربست موسوم است. بررسی تاثیر هندسه‎ی داربست بر رژیم جریان سیال و همچنین تاثیر محل قرار گیری سلول‎ها در نقاط مختلف داربست بر روی تحریکات مکانیکی موثر بر سلول بنیادی از طرف جریان سیال از اهداف اصلی این پژوهش می‌باشد. برای این منظور، از داربست‎های دارای معماری حفرات با استفاده از سطوح ضمنی استفاده شد. با به‌کارگیری روش‌های اجزای محدود و برهمکنش سیال و سازه و حل به شیوه‎ی جفت شوندگی دو طرفه‎ی معادلات سیال و سازه، نتایج به‌دست آمده نشان داد که ریزساختار داربست و معماری حفرات آن تاثیر اساسی در بهبود دسترسی جریان سیال به نقاط مختلف داربست دارد. این اثر در کنار بهینه سازی شرایط تنش برشی و فشار هیدرودینامیکی در سطوح مختلف داربست، باعث افزایش رسانش اکسیژن و عوامل تغذیه‎ای به سلول‌ها می‌شود. همچنین، ارجحیت استفاده از داربست‎های HP و در اولویت بعدی داربست‎های Gyroid گزارش می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]     Melchels F.P., Tonnarelli B., Olivares A.L., Martin I., Lacroix D., Feijen J., Wendt D.J. and Grijpma D.W., The influence of the scaffold design on the distribution of adhering cells after perfusion cell seeding. Biomaterials, Vol. 32, No. 11, pp. 2878-2884, 2011.
[2]     Melchels F.P., Barradas A.M., van Blitterswijk C.A., de Boer J., Feijen J. and Grijpma D.W., Effects of the architecture of tissue engineering scaffolds on cell seeding and culturing. Acta Biomaterialia, Vol. 6, No. 11, pp. 4208-4217, 2010.
[3]      Melchels F.P., Bertoldi K., Gabbrielli R., Velders A.H., Feijen J. and Grijpma D.W., Mathematically defined tissue engineering scaffold architectures prepared by stereolithography. Biomaterials, Vol. 31, No. 27, pp. 6909-6916, 2010.
[4]     Guilak F., Cohen D.M., Estes B.T., Gimble J.M., Liedtke W., Chen C.S., Control of stem cell fate by physical interactions with the extracellular matrix. Cell Stem Cell, Vol. 5, pp. 17-26, 2009.
[5]     Guilak F. and Mow V.C., The mechanical environment of the chondrocyte: a biphasic finite element model of cell-matrix interactions in articular cartilage. Journal of biomechanics, Vol. 33, No. 12, pp. 1663-1673, 2000.
[6]     Verbruggen S.W., Vaughan T.J. and McNamara L.M., Fluid flow in the osteocyte mechanical environment: a fluid-structure interaction approach. Biomechanics and modeling in mechanobiology, Vol. 13, No.1, pp. 85-97, 2014.
[7]     Vaughan T.J., Haugh M.G. and McNamara L.M., A fluid-structure interaction model to characterize bone cell stimulation in parallel-plate flow chamber systems. Journal of The Royal Society Interface, Vol. 10, pp. 20120900:1-10, 2013.
[8]     Katzengold R., Shoham N., Benayahu D. and Gefen A., Simulating single cell experiments in mechanical testing of adipocytes. Biomechanics and modeling in mechanobiology, Vol. 14, No. 3, pp. 537-547, 2015.
[9]     Barreto S., Clausen C.H., Perrault C.M., Fletcher D.A. and Lacroix D., A multi-structural single cell model of force-induced interactions of cytoskeletal components. Biomaterials, Vol. 34, No. 26, PP. 6119-6126, 2013.
[10]   Barreto S., Perrault C.M. and Lacroix D., Structural finite element analysis to explain cell mechanics variability. Journal of the mechanical behavior of biomedical materials, Vol. 38. pp. 219-231, 2014.
[11]   Zhao F., Vaughan T.J. and Mcnamara L.M., Multiscale fluid-structure interaction modelling to determine the mechanical stimulation of bone cells in a tissue engineered scaffold. Biomechanics and modeling in mechanobiology, Vol. 14, No. 2, pp. 231-243, 2015.
[12]  Olivares A.L. and Lacroix D., Computational methods in modeling of scaffolds for tissue engineering. Studies in mechanobiology, tissue engineering and biomaterials. Book chapter. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 107-126, 2013.
[13]   Katzengold R., Shoham N., Benayahu D. and Gefen A., Simulating single cell experiments in mechanical testing of adipocytes. Biomechanics and modeling in mechanobiology, Vol. 14, No. 3, pp. 537-547, 2015.
[14]   Long M., Sato M., Lim C.T., Wu J., Adachi T. and Inoue Y., Advances in experiments and modeling in micro-and nano-biomechanics: a mini review. Cellular and Molecular Bioengineering, Vol. 4, No. 3, pp. 327-339, 2011.
[15]   Sun, Y., Chen, C.S., and Fu, J., Forcing Stem Cells to Behave: A Biophysical Perspective of the Cellular Microenvironment. Annual Review of Biophysics, Vol. 41, pp. 519-542, 2012.
[16]  Fridley K.M., Kinney M.A. and McDevitt T.C., Hydrodynamic modulation of pluripotent stem cells. Stem Stem Cell Research & Therapy, Vol. 3, No. 6, pp. 45:1-9, 2012.
[17]   Fox R.W., McDonald A.T. and Pritchard P.J., Introduction to fluid mechanics. Vol. 7. New York: John Wiley & Sons, 1985.
[18]   Lai W.M., Rubin D. and Krempl E., Introduction to continuum mechanics. Butterworth-Heinemann, 2009.
[19]   Donea J., Huerta A., Ponthot J.P. and Rodríguez-Ferran, A., Arbitrary Lagrangian–Eulerian Methods. Encyclopedia of Computational Mechanics, Chapter 14, pp. 1-25, 2004.
[20]   Zhao F., Vaughan T.J. and McNamara L.M., Quantification of fluid shear stress in bone tissue engineering scaffolds with spherical and cubical pore architectures. Biomechanics and modeling in mechanobiology, Vol. 15, No. 3, pp. 561-577, 2015.
[21]  Huang H., Kamm R.D. and Lee R.T., Cell mechanics and mechanotransduction: pathways, probes, and physiology. American Journal of Physiology-Cell Physiology, Vol. 287, No. 1, pp. C1-C11, 2004.
[22]  Bakhshian Nik A, Vahidi B. Simulation of the Effects of Shear Flow of the Culture Medium Fluid on Stem Cells using the Scaffolds of Hard Tissue Engineering. Modares Journal of Biotechnology. 2019;10(4):635-646