شبیه‌سازی اثر جریان برشی سیال محیط کشت بر سلول‌های بنیادی با استفاده از داربست‌های مهندسی بافت سخت

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان

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

چکیده
اهداف: داربست به‌عنوان سازه نگهدارنده سلول از اهمیت ویژه‌ای در مهندسی بافت استخوان برخوردار است. قرارگیری داربست در محیط کشت دینامیک، مانند بیوراکتور نفوذی، نقش پارامترهای مکانیکی از قبیل تنش برشی و فشار هیدرودینامیک را پررنگ‌تر می‌کند. از سویی دیگر، این پارامترهای مکانیکی به شدت متاثر از طرح داربست هستند. در این پژوهش به بررسی تاثیر طرح داربست استخوانی بر نحوه‌ عملکرد تحریک‌های مکانیکی و پیش‌بینی سرنوشت سلول‌های بنیادی مزانشیمی پرداخته می‌شود.

مواد و روش‌ها: با استفاده از ابزار شبیه‌‌سازی کامپیوتری و روش‌های اجزای محدود، پنج داربست استخوانی (با نام‌های جیروید، جیروید پرتخلخل، دیاموند، IWP و داربست با شیب اندازه تخلخل) مبتنی بر توابع ریاضی سطوح ضمنی طراحی شدند و در محیط کشت دینامیک شبیه‌سازی‌شده تحت عبور جریان سیال با سرعت‌های ورودی ۱، ۱۰، ۲۵، ۵۰ و ۱۰۰ میکرومتر بر ثانیه قرار گرفتند. تجمع سلول‌ها روی داربست‌های جیروید و IWP به‌صورت یک لایه به ضخامت ۵/۸ میکرون در نظر گرفته شد.

یافته‌ها: با توجه به نتایج به‌دست‌آمده، داربست با طرح دیاموند بهترین عملکرد را از منظر یکنواختی تنش‌های ایجادشده به خود اختصاص داد. در حضور لایه‌ سلولی، تنش فون مایسز به میزان ۶۰ و ۵۰مگاپاسکال به‌ترتیب در داربست‌های جیروید و IWP به دست آمد که تمایز استخوانی را تسهیل خواهد نمود.

نتیجهگیری: استفاده از داربست با شیب اندازه تخلخل موجب اعمال تنش‌های متفاوت در بخش‌های مختلف داربست می‌شود و این امر در مورد کاربردهای نوین داربست‌های استخوانی برای ایجاد تمایز‌های سلولی مختلف به‌طور همزمان بسیار مفید است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


Subramony SD, Su A, Yeager K, Lu HH. Combined effects of chemical priming and mechanical stimulation on mesenchymal stem cell differentiation on nanofiber scaffolds. J Biomech. 2014;47(9):2189-96. [Link] [DOI:10.1016/j.jbiomech.2013.10.016]
Nik AB, Vahidi B. The effect of bone scaffold gradient architecture design on stem cell mechanical modulation: A computational study. 22nd Iranian Conference on Biomedical Engineering (ICBME), 25-27 November, 2015, Tehran, Iran. Piscataway: IEEE; 2015. pp. 309-13. [Link]
Bakhshian Nik A, Vahidi B, Moradkhani M. Effects of scaffold architecture on efficiency of mechanical stimulations of mesenchymal stem cells under fluid flow. 11th Congress on Stem Cell Biology & Technology. Royan International Twin Congress on Reproductive Biomedicine and Stem Cells Biology & Technology; 2015 Sep 2-4, Iran: Tehran. [Persian] [Link]
Wu Sh, Liu X, Yeung KW, Liu Ch, Yang X. Biomimetic porous scaffolds for bone tissue engineering. Mater Sci Eng R Rep. 2014;80:1-36. [Link] [DOI:10.1016/j.mser.2014.04.001]
Giannitelli SM, Accoto D, Trombetta M, Rainer A. Current trends in the design of scaffolds for computer-aided tissue engineering. Acta Biomater. 2014;10(2):580-94. [Link] [DOI:10.1016/j.actbio.2013.10.024]
Karande TS, Ong JL, Agrawal CM. Diffusion in musculoskeletal tissue engineering scaffolds: Design issues related to porosity, permeability, architecture, and nutrient mixing. Annal Biomed Eng. 2004;32(12):1728-43. [Link] [DOI:10.1007/s10439-004-7825-2]
Yeatts AB, Choquette DT, Fisher JP. Bioreactors to influence stem cell fate: Augmentation of mesenchymal stem cell signaling pathways via dynamic culture systems. Biochimica Biophys Acta. 2013;1830(2):2470-80. [Link] [DOI:10.1016/j.bbagen.2012.06.007]
Dabagh M, Jalali P, Butler PJ, Tarbell JM. Shear-induced force transmission in a multicomponent, multicell model of the endothelium. J R Soc Interface. 2014;11(98):20140431. [Link] [DOI:10.1098/rsif.2014.0431]
Will J, Detsch R, Boccaccini AR. Structural and biological characterization of scaffolds. In: Bandyopadhyay A, Bose S, editors. Characterization of biomaterials. Amsterdam: Elsevier; 2013. pp. 299-310. [Link] [DOI:10.1016/B978-0-12-415800-9.00008-5]
Chen Y, Schellekens M, Zhou Sh, Cadman J, Li W, Appleyard R, et al. Design optimization of scaffold microstructures using wall shear stress criterion towards regulated flow-induced erosion. J Biomech Eng. 2011;133(8):081008. [Link] [DOI:10.1115/1.4004918]
Melchels FP, Bertoldi K, Gabbrielli R, Velders AH, Feijen J, Grijpma DW. Mathematically defined tissue engineering scaffold architectures prepared by stereolithography. Biomaterials. 2010;31(27):6909-16. [Link] [DOI:10.1016/j.biomaterials.2010.05.068]
Abbasi F, Ghanian MH, Baharvand H, Vahidi B, Eslaminejad MB. Engineering mesenchymal stem cell spheroids by incorporation of mechanoregulator microparticles. J Mech Behav Biomed Mater. 2018;84:74-87. [Link] [DOI:10.1016/j.jmbbm.2018.04.026]
Vaez Ghaemi R, Vahidi B, Sabour MH, Haghighipour N, Alihemmati Z. Fluid-structure interactions analysis of shear‐induced modulation of a mesenchymal stem cell: An image‐based study. Artif Organs. 2016;40(3):278-87. [Link] [DOI:10.1111/aor.12547]
Alihemmati Z, Vahidi B, Haghighipour N, Salehi M. Computational simulation of static/cyclic cell stimulations to investigate mechanical modulation of an individual mesenchymal stem cell using confocal microscopy. Mater Sci Eng C. 2017;70(Pt 1):494-504. [Link] [DOI:10.1016/j.msec.2016.09.026]
Yoo DJ. Computer-aided porous scaffold design for tissue engineering using triply periodic minimal surfaces. Int J Precis Eng Manuf. 2011;12(1):61-71. [Link] [DOI:10.1007/s12541-011-0008-9]
Gibson LJ, Ashby MF. Cellular solids: Structure and properties. 2nd Edition. Cambridge: Cambridge University Press; 1999. [Link]
Van De Velde K, Kiekens P. Biopolymers: Overview of several properties and consequences on their applications. Polym Test. 2002;21(4):433-42. [Link] [DOI:10.1016/S0142-9418(01)00107-6]
Woodruff MA, Hutmacher DW. The return of a forgotten polymer-polycaprolactone in the 21st century. Prog Polym Sci. 2010;35(10):1217-56. [Link] [DOI:10.1016/j.progpolymsci.2010.04.002]
Eshraghi Sh, Das S. Mechanical and microstructural properties of polycaprolactone scaffolds with one-dimensional, two-dimensional, and three-dimensional orthogonally oriented porous architectures produced by selective laser sintering. Acta Biomater. 2010;6(7):2467-76. [Link] [DOI:10.1016/j.actbio.2010.02.002]
Zhao F, Vaughan TJ, Mcnamara LM. Multiscale fluid-structure interaction modelling to determine the mechanical stimulation of bone cells in a tissue engineered scaffold. Biomech Model Mechanobiol. 2015;14(2):231-43. [Link] [DOI:10.1007/s10237-014-0599-z]
Yu H, Tay CY, Leong WS, Tan SC, Liao K, Tan LP. Mechanical behavior of human mesenchymal stem cells during adipogenic and osteogenic differentiation. Biochem Biophys Res Commun. 2010;393(1):150-5. [Link] [DOI:10.1016/j.bbrc.2010.01.107]
Zeng X, Li Sh. Multiscale modeling and simulation of soft adhesion and contact of stem cells. J Mech Behav Biomed Mater. 2011;4(2):180-9. [Link] [DOI:10.1016/j.jmbbm.2010.06.002]
Ribeiro AJ, Tottey S, Taylor RW, Bise R, Kanade T, Badylak SF, et al. Mechanical characterization of adult stem cells from bone marrow and perivascular niches. J Biomech. 2012;45(7):1280-7. [Link] [DOI:10.1016/j.jbiomech.2012.01.032]
Sengers BG, Taylor M, Please CP, Oreffo RO. Computational modelling of cell spreading and tissue regeneration in porous scaffolds. Biomaterials. 2007;28(10):1926-40. [Link] [DOI:10.1016/j.biomaterials.2006.12.008]
Blecha LD, Rakotomanana L, Razafimahéry F, Terrier A, Pioletti DP. Mechanical interaction between cells and fluid for bone tissue engineering scaffold: Modulation of the interfacial shear stress. J Biomech. 2010;43(5):933-7. [Link] [DOI:10.1016/j.jbiomech.2009.11.004]
Norato JA, Wagoner Johnson AJ. A computational and cellular solids approach to the stiffness-based design of bone scaffolds. J Biomech Eng. 2011;133(9):091003. [Link] [DOI:10.1115/1.4004994]
Yang Y, El Haj A. Enhancement of mechanical signals for tissue engineering bone. In: Ashammakhi N, Reis RL, editors. 2nd Volume. Topics in Tissue Engineering. Oulu: University of Oulu; 2005. [Link]