מבוא לCartilage Tissue Engineering and Bioreactor Design

פגמים בקרטילה מטראומה, או דלקת מפרקים, או מצבים מולדים משפיעים על מיליונים ברחבי העולם, אך הפחמימות הילידים יש יכולת הפחתת הפיגור העצמי בשל האופי הvascular שלה ואת צפיפות התא הנמוכה שלה. הנדסת issue Engineering מציעה אלטרנטיבה מבטיחה על ידי שילוב תאים, פיגומים, ואת אותות ביואקטיביים כדי לשחזר את עקרונות הפחמימות התפקודיות של הגוף.

עקרונות יסוד של עיצוב ביולוגי עבור קרטלאז'

עיצוב ביולוגי יעיל עבור רקמת טרחוס דורש איזון גורמים רבים תלותיים.בניגוד תרבות תא מונושכבת, מבנים תלת-ממדיים דורשים ניהול זהיר של המיקרו-סביבון כדי לתמוך בכדאיות צ'נדרוציטים, ממטריקס נוסף (ECM) , ו- רקמותגציה.

בקרת הסביבה הביוכימיה

תאי קרטלאז (chondrocytes) רגישים ל- pH, ריכוז גלוקוז, ומתח חמצן. pH אידיאלי עבור chondrocyte חילוף החומרים נע בין 7.2 ל 7.4, עם רמות גלוקוז נשמר בין 1-4.5 גרם / L. מתח חמצן מתח הוא קריטי במיוחד; תכונות טיפוליות של cartilage Hypia (1–5% O2), אשר מקדם יציב chongenic phenotype.

⁇ מכנית

טעינה מכנית חיונית לפיתוח ותחזוקה של cartilage. in vivo, חוויות דחיסה מחזורית, Shear, ולחץ הידרוסטטי במהלך תנועה משותפת. bioreactors לשכפל את הכוחות האלה באמצעות אקטוטורים, piston, או מערכות זרימה נוזלית. הגודל (0.1-1 MPa), תדירות (0.1-1 הרץ), ומחזור של טעינה חייב להיות מותאם אישית כדי לחקות תנאים פיזיולוגיים ללא גרימת נזק, למשל, לדוגמה, לחץ דם מדויק, עם לחץ דם יחיד, הוא גורם לדחיסה 1 גרם לדחיסה של מחזורית לחץ דם בשלב הראשון, 000 גרם.

תחבורה וצמחים תזונתיים

Diffusion לבד אינו מספיק עבור מבנים גדולים (בדרך כלל >2 מ"מ עובי) Perfusion או ערבוב מערכות נדרשים כדי להבטיח משלוח אחיד של חמצן וחומרים מזינים לאורך הדינמיקה של נוזל Computational נוזל דינמי (CFD) מודלים מסייע לחזות תבניות זרימה לזהות אזורים של קיפאון או פיזור גבוה.

תאימות ואינטגרציה

הספידר משמש כתבנית זמנית של היווצרות רקמות.עיצוב ביולוגי חייב להכיל גיאומטריה פיגומה, תכונות מכניות, קינטיקה השפלה.חומרים נפוצים כוללים פולימרים טבעיים (collagen, חומצה היאלוירוקולית, אלג'ינאטה) ופולימרים סינתטיים (PLGA, PCL, PEG). Scaffolds חייב להיות ביו-תואמים, תמיכה בדבקות תאים, ו declass בדגימה חדשה של תאים (מולקולות) יכול לשלב צורות מכניות של תאים של תאים).

סוגים של bioreactors המשמשים בהנדסת קרטליג

במהלך שלושת העשורים האחרונים פותחו תצורה ביולוגית רבות, כל אחת מהן עם יתרונות ומגבלות ייחודיים לתרבות החוספס.הבחירה תלויה במטרה הספציפית של המחקר - בין אם ללמוד ביולוגיה יסודית, לייצר רקמות להשתלה או טיפולי מסך.

Spinner Flask Bioreactors

ספיננר flasks הם פשוטים, מעוררים מערכות שבו מבנים מושעה בינוניים ומועסים על ידי בר מעורר מגנטי.הם לשפר העברה המונית בהשוואה לתרבות סטטית והם קלים בקנה מידה.עם זאת, הם חסרים טעינה מכנית ישירה ויכולים ליצור heterogeneous Shear שדות.תאים מתאימים לפריפריה של מבנים נוטה להתרבות גבוהה יותר מאשר אלה בליבת, לפעמים מוביל לסיבוב צפוף עם קפסולת אחורית (מ"מ"מ) מתאים).

« « ביולוגיה מדכאת

ביולוגיים של קומפרסיום הם כוחות מחזוריים או סטטיים באמצעות צלחת או piston. הם בשימוש נרחב כי דחיסה היא העומס המכאני העיקרי ב cartilage articular.עיצוב שונה ממערכות לא-קליות פשוטות לעומסים רב-axis המסוגלים ליישם דחיסה משותפת או torated amplitude (2%), תדירות (0.1-1.5 ⁇ ) ו-Ricrepertemer מחקרים ב-Ricicicicic).

המונחים: bioreactors

ביו-סבירים מכניים כוח בינוני דרך ה- ⁇ ⁇ באמצעות משאבה, הבטחת אספקת מזון רציפה והסרת פסולת.הם בעלי ערך מיוחד עבור מבנים עבים (ו-gt;5 מ"מ) שבו diffusion אינו מספיק. Flow יכול להיות unidirectional, bidirectional, או oscillatory perfusion מחקה את המשאבה של הפעולה הסימבינציה במהלך תאים גמישים ועלולים להיות מטבוליים.

רוטט וול וסל ביופרקטורס

כלי קיר רוטינג (RWVs) פותחו בתחילה על ידי נאס"א למחקרים מיקרו-גרפיים.הם מורכבים מחדר צילינדרים המסובב סביב ציר אופקי, שמירה על מבנים שהושעה במדיום באמצעות כוחות צנטריפוגאלים וכבידה.התוצאה היא רקמת דלת-שר, סביבה דינמית שמשפרת את תערובת תזונתית ללא תאים מזיקים.

לחץ הידרוסטטי ביופרקטור

לחץ הידרוסטטי (HP) הוא אות מכני גדול במפרקים, שנוצר במהלך משקל הנושא. HP ביולוגיים ליישם לחץ קבוע או מחזורי (1–10 MPa) באמצעות תא חתומה מלא בינוני או גז. Chondrocytes להגיב HP על ידי הרחבת הדבקה של Ccrecan והתנגשות מחזורית 2, בעוד אנזימים קטביים (MMPs) משתמשים לעתים קרובות בשילובים יעילים יותר של צינורות MPa או לחץ דם.

אסטרטגיות אופטימיזציה להגדלת הצמיחה של קרטליג

אופטימיזציה של עיצוב ביולוגי היא תהליך של שילוב של פרמטרים פיזיים, כימיים וביולוגיים. להלן אסטרטגיות מפתח הנתמכות על ידי מחקר עדכני.

משטרים מכניים

הסוג, הגודל והמשך של טעינה מכנית חייבים להיות מותאמים לשלב ההתפתחותי של הרקמה. התרבות המוקדמת (ימי 0–7) עשוי להפיק תועלת מדחיסה דינמית נמוכה-מכירה כדי לקדם את התפשטות התאים וההתיישרות.שלבים ביניים (שבועות 2-4) יכולים לשלב זנים נוקשים יותר כדי לעורר דחיסה של ECM (שבועות 4-8) עשויים לדרוש טעינה מורכבת, כולל ארגון גמיש, לדוגמה, כלומר, כלומר, להפחתה של דחיסה יעילה, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, על ידי אלגוריתמית שתן (R) יעילה, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, על ידי אלגוריתמים של אלגוריתמים של אלגוריתמים של דחיסה (R).

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

היפותקסיה מבוקרת (1–3% O2) במהלך שלב התרבות הראשונית מקדם את הגוון chondrogenic ולהפחית את Hypertrophy. bioreactors יכול לשלב חיישני חמצן ותערובת גז כדי ליצור ⁇ s לחקות את הרקמות הילידים (גבוה יותר O2 על פני השטח, נמוך יותר באזור העמוק). Hypoxic preconing עבור 7-14 ימים לפני השתלת הוכח כדי לשפר את האינטגרציה של בעלי חיים (Flt) באופן מדויק יותר מדי, כלומר, 000 1D) הוא גורם נמוך מדי, 000 1D (Flt) הוא גורם).

משלוח ו Flow Dynamics

קצב זרימת הפריון, כיוון, ופולסיטיסטיים משפיעים על התנהגות התא. אוסוציאטור (לנוכח כיוון כל 30-60 דקות) משפר חדירה תזונתית ומדמיה תנועה משותפת.סימולציות CFD יכולות לייעל גיאומטריה קאמרית כדי למנוע אזורי החלמה.חלק מהביולוגיים משתמשים בערוצי מיקרו-fluidic בתוך השפע כדי לספק חומרים מזינים ישירות לתאים, צמצום מרחק דיפוזיה של AFalationerationeric.

אדריכלות מעובדת ונכסים חומריים

הנפיחות של הספידרבן, גודל הנקבוביות, ונוקשות משפיעים על תגובת התא.עבור chondrocytes, פיגומים עם pores 300-500 מיקרומטר ו 80-90% תמיכה בפורוזיות ECM Proposition וזרימה תזונתית. Gradientsedsss affolds - עם פועמים קטנים יותר על פני השטח ו pores גדול יותר הליבה - ארכיטקטורת לידה מולדת וארגון gicial יכול להיות משולב לאחרונה.

מעקב בזמן אמת ובקרת משוב

ניטור לא פולשני של pH, O2, גלוקוז, ונכסים מכניים הוא חיוני אופטימיזציה.ספקטרוסקופיה של ספקטרום אי- פולשני יכול להעריך צפיפות תאים וכדאיות. Ultrasound או coherence tomography (OCT) מאפשר הדמיה של בניית עובי וגניבה הומוגנית. כמה ביולוגיים מתקדמים משתמשים באלגוריתמים למידת מכונה כדי לחזות תנאים אופטימליים המבוססים על נתונים.

כיוונים עתידיים ואתגרים

למרות התקדמות משמעותית, עיצוב ביולוגי עבור הנדסת רקמות עדיין עומד בפני מכשולים. Scaling מבנים לגדלים רלוונטיים קלינית (למשל, אוסטאוכונדרית מלאה) נשאר קשה בשל מגבלות תחבורה המונית.אסקוליזציה בתוך הקרחוס ספציפי אינו נעדר בדרך כלל, אבל מבנים ספציפיים יותר עשויים לדרוש טכניקות טרום-דלקתיות או שימוש של צינורות חמצן.

שיקולים רגולטוריים גם בשפע.ביולוגיים המשמשים לייצור קליני של grafts טרחוס חייב לציית לפרקטיקה ייצור טובה (GMP), הדורשים sterilization, אוטומציה ותיעוד.ביולוגיים במערכת סגורה המפחיתים את הסיכון לזיהום הם מועדפים.השינוי לעבר רכיבי ביולוגיים מודולריים, חד-שימושיים מפחיתים את הפחתת החנקה וסימולציות.

לבסוף, מודלים חישוביים - שילוב דינמיקות נוזלים, מכניקה מוצקה, ונטינטיקה צמיחה תאים - יזרז אופטימיזציה ביולוגי על ידי מתן בדיקות וירטואליות של מאות פרמטרים לפני ניסויים פיזיים. Open-source עיצובים ופלטפורמות שיתופיות עשויים לדמוקרטיזציה גישה, המאפשרת יותר מעבדה לתרום להנדסת רקמות טרחוס.

מסקנה

אופטימיזציה עיצוב ביולוגי הוא מרכזי לייצור רקמת פחמימות פונקציונלית עבור תרופות רגנרטיביות. על ידי שליטה קפדנית בסביבה ביוכימית, טעינה מכנית, תחבורה המונית, ותכונות פיגומים, החוקרים יכולים להנחות chondrocytes כדי ליצור רקמות חזק, דמוי hyaline.מגוון של סוגים bioreactor הכרחי - מ ספיננרקסים במערכות לחץ הידרוסטטי - גמישות, אבל כל אחד מהם דורש מצוינות עד כדי לתקן את הפרמטרים של ניתוח יעיל של שיטות ריפוי קליני מתמשך, להמשיך לפתח, להמשיך לפתח שיטות בקרה אישית, להמשיך לפתח ויזואלית ניסיון, 000 ניסיון בפיתוח ויזואלית ניסיון בפיתוח ויזואלית טיפוליות טיפוליות.

(ב) ◄ .

  • (ב) [15] ויקרא ויקרא י"א, ויקרא י"א, א' (בראשית כ"ד, כ"ד) , [17] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ויקרא י"א: ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ,0) , .(א) , , et al. (2021) , בקרה ביולוגית הסתגלות באמצעות למידת מכונה עבור הנדסת רקמות טרחוס.
  • (ב) ,0)O'Connell, G.D. et al. (2020) עיצוב ביולוגי פרווז'יקטור עבור בנייה של קלחוס: סקירה.
  • (FLT:0) מאק, R.L. et al. (2018). הנדסת מכונות וביוטכנולוגיה עבור הנדסת רקמות פונקציונליות.