تحلیل عددی تأثیر ساختار سه بعدی داربست بر توزیع فاکتورهای مکانیکی در سطح داربست استخوانی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان

1 گروه مهندسی علوم زیستی دانشکده علوم و فنون نوین دانشگاه تهران

2 دانشیار گروه مهندسی علوم زیستی دانشکده علوم و فنون دانشگاه تهران

چکیده
ارزیابی پاسخ سلول به تحریکات مکانیکی در فضای آزمایشگاهی همواره به‌عنوان یکی از موضوعات مهم در راستای دستیابی به کنترل رفتار سلول در محیط کشت شناخته می‌شود. در بررسی تحریک‌های مکانیکی سلول در داربست استخوانی یکی از پارامترهای مؤثر ریز ساختارهای داربست از جمله اندازه و شکل حفرات است. با توجه به اینکه امکان کنترل این پارامترها در فضای آزمایشگاه بسیار پیچیده است بر همین اساس، در پژوهش حاضر با استفاده از مدلسازی عددی به بررسی تاثیر ساختار داربست بر فاکتورهای مکانیکی ناشی از جریان سیال نوسانی در داربست پرداخته شده است. در این پژوهش، به ارزیابی داربست‌های با شکل حفرات مکعبی، کروی و هگزاگونال با طول حفرات 300، 350، 400، 450 و 500 میکرومتر پرداخته شده است. نتایج حاصل از مدل دینامیک سیالات محاسباتی نشان می‌دهد که داربست‌ها با شکل حفرات کروی و مکعبی با طول حفرات 500 میکرومتر و داربست با شکل حفرات هگزاگونال با طول حفرات 450 میکرومتر دارای تنش برشی در بازه 1/0 – 10 میلی پاسکال در سطوح مختلف خود هستند که این بازه از تنش برشی مناسب برای تمایز سلول بنیادی به سلول استخوانی است، علاوه بر این، نتایج حاصل از توزیع جریان سیال در این داربست‌ نشان می‌دهد که با توجه به دسترسی سیال به نواحی مختلف داربست حجم ناحیه مرده که محل مناسبی برای کشت سلول نیست دراین داربست کاهش یافته است، دستاوردهای حاصل از این پژوهش می‌تواند در شرایط آزمایشگاهی برای دستیابی به شرایط بهینه کشت سلول بنیادی در راستای تمایز به سلول استخوانی استفاده گردد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


1. Moradkhani, M., Vahidi, B. & Ahmadian, B. Finite element study of stem cells under fluid flow for mechanoregulation toward osteochondral cells. J Mater Sci: Mater Med, 2021. 32 (7), P. 1-10.
2. Ali, D. and S. Sen, Permeability and fluid flow-induced wall shear stress of bone tissue scaffolds: computational fluid dynamic analysis using Newtonian and non-Newtonian blood flow models. Computers in Biology and Medicine, 2018. 99: p. 201-208.
3. Giannitelli, S., et al., Current trends in the design of scaffolds for computer-aided tissue engineering. Acta biomaterialia, 2014. 10(2).
4. Eghbali, H., et al., An experimental-numerical investigation on the effects of macroporous scaffold geometry on cell culture parameters. The International journal of artificial organs, 2017. 40(4): p. 185-195.
5. Hendrikson, W.J., et al., Influence of additive manufactured scaffold architecture on the distribution of surface strains and fluid flow shear stresses and expected osteochondral cell differentiation. Frontiers in bioengineering and biotechnology, 2017. 5: p. 6.
6. Boschetti, F., et al., Prediction of the micro-fluid dynamic environment imposed to three-dimensional engineered cell systems in bioreactors. Journal of biomechanics, 2006. 39(3): p. 418-425.
7. Malvè, M., D. Bergstrom, and X. Chen, Modeling the flow and mass transport in a mechanically stimulated parametric porous scaffold under fluid-structure interaction approach. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2018. 96: p. 53-60.
8. Zhao, F., T.J. Vaughan, and L.M. Mcnamara, Multiscale fluid–structure interaction modelling to determine the mechanical stimulation of bone cells in a tissue engineered scaffold. Biomechanics and modeling in mechanobiology, 2015. 14(2): p. 231-243.
9. Zhao, F., T.J. Vaughan, and L.M. McNamara, Quantification of fluid shear stress in bone tissue engineering scaffolds with spherical and cubical pore architectures. Biomechanics and modeling in mechanobiology, 2016. 15(3): p. 561-577..
10. Chen, G., et al., Responses of MSCs to 3D scaffold matrix mechanical properties under oscillatory perfusion culture. ACS applied materials & interfaces, 2017. 9(2): p. 1207-1218.
11. Zadpoor, A.A., Bone tissue regeneration: the role of scaffold geometry. Biomaterials science, 2015. 3(2): p. 231-245.
12. Zhao, F., T.J. Vaughan, and L.M. McNamara, Quantification of fluid shear stress in bone tissue engineering scaffolds with spherical and cubical pore architectures. Biomechanics and modeling in mechanobiology, 2016. 15(3): p. 561-577.
13. Vaughan, T., M. Haugh, and L. McNamara, A fluid–structure interaction model to characterize bone cell stimulation in parallel-plate flow chamber systems. Journal of The Royal Society Interface, 2013. 10(81): p. 20120900.
14. Vaez Ghaemi, R., et al., Fluid–Structure Interactions Analysis of Shear‐Induced Modulation of a Mesenchymal Stem Cell: An Image‐Based Study. Artificial Organs, 2016. 40(3): p. 278-287.
15. Abbasszadeh Rad, A. and B. Vahidi, The Effect of the Kind of Attachment of Primary Cilium to Cell in Its Response to the Fluid Flow: A 3D Computational Simulation. Journal of Solid and Fluid Mechanics, 2018. 8(1 #HD00105): p. -.
16. Pritchard, P.J. and J.W. Mitchell, Fox and McDonald's introduction to fluid mechanics. 2016: John Wiley & Sons.
17. Rad, A.A. and B. Vahidi, A finite elements study on the role of primary cilia in sensing mechanical stimuli to cells by calculating their response to the fluid flow. Journal of Computational Applied Mechanics, 2016. 47(1): p. 35-44.
18. Abbasszadeh Rad, A.H. and B. Vahidi, The Effect of the Kind of Attachment of Primary Cilium to Cell in Its Response to the Fluid Flow: A 3D Computational Simulation. Journal of Solid and Fluid Mechanics, 2018. 8(1): p. 203-213.
19. Olivares, A.L., et al., Finite element study of scaffold architecture design and culture conditions for tissue engineering. Biomaterials, 2009. 30(30): p. 6142-6149.
20. Murphy, C.M., et al., Cell-scaffold interactions in the bone tissue engineering triad. Eur Cell Mater, 2013. 26(4): p. 120-132.
21. Murphy, C.M., et al., Mesenchymal stem cell fate is regulated by the composition and mechanical properties of collagen–glycosaminoglycan scaffolds. Journal of the mechanical behavior of biomedical materials, 2012. 11: p. 53-62.
22. McCoy, R.J., C. Jungreuthmayer, and F.J. O'Brien, Influence of flow rate and scaffold pore size on cell behavior during mechanical stimulation in a flow perfusion bioreactor. Biotechnology and bioengineering, 2012. 109(6): p. 1583-1594.