התפתחות הנדסת עצמות

הנדסת רקמות התפתחה כגישה טרנספורמטיבית לטיפול במגבלות של גרפטים מסורתיים של העצם - כולל autografts ו Allografts - על ידי יצירת חיים, תחליף עצמות פונקציונלי במעבדה.מרכז למאמץ זה הוא ה- bioreactor, מערכת תרבות דינמי המתפתחת שהתפתחה מזרימות פשוטות לתחום הפלטפורמות מתוחכמות, מבוקרות מחשב המסוגלות לתמוך בדרישות המורכבות של היווצרות העצם לאורך העשור, חוקרים את שיטות עיבוד אלה של שיטות עיבוד קליניות יותר, ואסטרטגיות מתקדמות של חומרים מתקדמים יותר, מתקדמות של חומרים מתקדמים של חומרים מתקדמים של חומרים מתקדמים של סימולציה קלינית, וטכנולוגיות מעבדה מתקדמת יותר, וטכנולוגיות מעבדה מתקדמת יותר, אשר התפתחו בכיוון של חומרים מתקדמים של חומרים מתמטיים מתקדמים של חומרים מתקדמים של חומרים מתקדמים של סוללות מעבדה מתקדמת יותר, אשר התפתחו בכיוון של חומרים מתמטית של חומרים מתקדמים של חומרים מתקדמים של חומרים מתמטיים מתקדמים של חומרים מתקדמים יותר, אשר התפתחו מתחום אוטומציה של שיטות בקרה קלינית, אשר התפתחו מתחום אוטומציה של שיטות בקרה קלינית, אשר התפתחו מתחום אוטומציה פשוטה של מערכות בקרה קלינית, אשר התפתחו מתחום אוטומציה פשוטה של שיטות בקרה קלינית, כדי להתמקד יותר, כדי להתמקד יותר, כדי להתמקדות של שיטות בקרה קלינית מתקדמת יותר, כדי להתמקדות של שיטות בקרה קלינית מתקדמת יותר, כדי להתמקדות של מערכות בקרה קלינית

בליבתו, הביולוגי של ההיתוך מתייחס לאתגר בסיסי ב-FLT:0 [3-ממדי] תרבות הרקמות (3D) LT:1: להבטיח כי תאים עמוק בתוך הפיגום מקבלים חמצן הולם וחומרים מזינים, בעוד שמוצרים מטבוליים הוסרו ביעילות.על ידי מתן זרם קבוע, מבוקר של טמפרטורות בינוניות באמצעות הנפיחות הפיתול, מחקה את התחבורה המשולבת המתרחשת בתכונות מכניות יותר, רקמות יותר, לעומת זאת, כלומר, לעומת זאת, לעומת זאת, רק לאחר שעדיין לא פחות ממין, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, יש צורך בתכונות מכניות יותר ויותר ממין, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, יותר ויותר ממין, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, שיפור יעיל יותר ויותר ממין, עם התפתחותיות גבוהה יותר, בהשוואה לשילוב של התפתחותית, עם התפתחותן של התפתחותית, בהשוואה לחיקוי מכניות יותר ויותר מקודמותרפיון שעדיין גבוהה יותר, לאחר שעדיין גבוהה יותר, בהשוואה לאפקטים, בהשוואה לאפקטים, לעומת זאת, לעומת זאת, בהשוואה לאפקט

הבנה של פרווזיו ביופרקטורים: מכניזם ורגולל

העיקרון הבסיסי של ביולוגי היתוך הוא פשוט: מדיום תרבותי מושעה דרך זרע ⁇ ⁇ עם תאים אוסטיאוגניים (בדרך כלל mesenmal תאי גזע או osteoblasts) את הזרם ניתן לכוון או קורנלי, axially, או דרך נתיב מותאם אישית, בהתאם לגיאומטריה של הבניין.

פרמטרים מרכזיים המשפיעים על פיתוח רקמות כוללים:

  • (FLT:0)Flow RateFLT:1: Determines the Shear הלחץ שחוו תאים, אשר יכול לעורר את הגוון האוסטיאוגני, אך חייב להיות מאוזן כדי למנוע נזק תאים.
  • (ב) [15] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ :0) מתח אוקסיג'ן (Oxygenמתי) 1:1: פרווזיה יכולה לשמור על תנאים נורנולוגיים עמוקים בתוך הנבל, למנוע ערפיליות היפותקסיות.
  • (ב) ⁇ 0Medium VeveFLT:1: חידוש מתמשך של חומרים מזינים מאפשר תרבות ארוכת טווח ללא שינויים בתקשורת ידנית.

גורמים אלה משפיעים באופן קולקטיבי על האופן שבו תאי גזע מתחייבים לשושלת האוסטאוגנית, מייצרים סוג קולגן I, ומינרלים את הממטריקס. בהשוואה לתרבויות סטטיות או ספיןנר, ביולוגיים של היתוך הוכחו להניב פעילות משמעותית גבוהה יותר alkaline phosphatase, סידן deposition, ומודולוס דחיסה - כל הסמן של רקמת העצם פונקציונלית.

גישות חדשניות בעיצוב ביולוגי

שילוב מיקרו-השפעהי

אחת ההחידושים המשפיעים ביותר הייתה שילוב של ערוצי מיקרו-השפעה לתוך תא הביולוגי.על ידי רשתות הנדסה של ערוצים בקנה מידה מיקרון, החוקרים יכולים לשלוט בדיוק בדפוסי זרימה וחלוקות לחץ מקומיות. לדוגמה, מערכות היתוך מיקרו-השפעהיפטיות מאפשרות יצירת אזורים ⁇ של חמצן או צמיחה, אשר יכולים לכוון דפוסים מרחביים של אוסטנסיה.

גישות מיקרו-השפעהיות גם להפחית את הצריכה הבינונית ומאפשרות הקרנה גבוהה של תנאים מרובים במקביל.פלטפורמות עם ערוצים עצמאיים מרובים יכול לבדוק יצירות שונות של פיגומים, תותבות תאים, או שערי זרימה בו זמנית, תוך שיפור תהליך האופטימיזציה.עיצובים אחרונים שילבו רשתות מיקרו-השפעה ישירות לתוך פיגומים מודפסים תלת-ממדיים, יצירת ממשק חלק בין ה-פעמי זרימת ה-המבנה ומבנה הקידוד.

עיצובים מודולריים ו Scalable

מגמה נוספת היא המעבר לכיוון ביולוגיים מודולריים שניתן לאסוף למערך או לדרג עבור מבנים גדולים יותר.מודולריות מציעה גמישות: מערכת משאבה אחת יכולה לנהוג תאים עצמאיים רבים, כל אחד המכיל סוג אחר של הפיגום או קו תאים ספציפי לחולה.זה חשוב במיוחד עבור בדיקות טרום קליניות, שבו יש להעריך תנאים ניסיוניים רבים בתנאים זהים.

מערכות היתוך סקאלי פותחו גם כדי להתאים פגמים העצם של גדלים רלוונטיים קלינית - למשל, פגמים פלח בפטמור או tibia. תאים גדולים אלה דורשים הנדסה זהירה כדי לשמור על הפצה אחידה של זרימה אחידה בכל נפח רב-ההשפעה. דינמיקה נוזל Computational נוזל דינמי (CFD) סימולציות משמשות יותר ויותר לתכנון inlet /out Geometries וזרימה למזער את אזורי מת ולהבטיח כיורבתים של תהליכי תאורה חלופיים, אפילו ממריצים, אשר מעדיפים את אחד של כיוון זרם יחידי של עיצובים.

קובצי ה-Biomimetic Scaffolds Optimized for Perfusion

בעוד מחקרים רבים של היתוך השתמשו הפיגפיים של ה- Shelf כמו עצם decellized או פולימרים סינתטיים, דור חדש של פיגומים ביומטיים תוכנן במיוחד עבור תרבות ההיתוך.

  • (FLT:0) נפוצויות היררכיות:1: מקרופורים (100–500 מיקרומטר) עבור חדירה תא וזרימה, המחוברת על ידי מיקרו-פולס (1-10 μm) שלוכדים תאים ומחקים lacunae.
  • (ב) ⁇ :0) אדריכלות מרדורד (FLT:1): פורוזיות יורדת מן החיצוני לאזורים פנימיים, משכפלת את קליפת המוח הצפופה יותר ויותר עצם טרמפולרית.
  • (FLT:0) ציפויים ביואקטיביים 1FLT: hydroxyapatite, סידן פוספט, או עצם חלבון מורגנטי (BMP) ציפויים אשר משפרים את אוסטאוסטינפוריות ולקדם מינרליזציה ממטריקס תחת זרימה.
  • (FLT:0) חומרים גרפיים FLT:1: שילובים של פולימרים (למשל, PLGA, PCL) עם קרמיקה (β-TCP, hydroxyapatite) אשר מאזן שיעור ההשפלה עם כוח מכני.

כאשר אלה פיגומים ממוקמים ביולוגי של היתוך, הזרם לא רק מספק חומרים מזינים, אלא גם חל על כיר מכני כי סינרגיז עם טופוגרפיה של השפע להנחות את ההיערכות התא ואת ארגון ECM. חלק מחקרים דיווחו כי השילוב של היתוך וכימיה פיגמומית ביומטית יכול לגרום לגוון אוסטאוגני אפילו בהיעדר תוספי אוסטאוגני - צעד מבטיח לקראת פרוטוקולים מעשיים יותר.

פיקוח ובקרה טכנולוגיות

חיישנים חכמים ו-Time Feedback

ביולוגים מסורתיים פועלים כמערכות פתוחות, שבו הפרמטרים התרבותיים נקבעים על פי חישובים ראשוניים ונשארים קבועים לאורך תקופת התרבות.גישה זו מתעלמת מהשינויים הדינמיים המתרחשים כתאים מתרבים ומשלימים – עלייה בצריכת חמצן, סחף pH והתנגדות זרימה עולה.

סוגי חיישן נפוצים כוללים:

  • (FLT:0 חיישנים חמצן אופטיים של חמצן: Integrated into the Cell Wall or put in the scaffold, הם מודדים חמצן מומס באמצעות ריצוף פלואורגנציה.
  • (FLT:0 חיישנים PH חיישניםFLT:1): PHD אלקטרורדיים מיניאוסטריים או סרטים צבעוניים לעקוב אחר חומציות עקב ייצור לקטטה, המאפשר התאמה אוטומטית של קצב החנק בינוני או זרימה.
  • (FLT:0) חיישנים בלחץ וחיישנים (FLT:1): לעקוב אחר ההתנגדות על פני השפע, אשר עולה כי ECM מצטבר ו pores להיות מוזנח חלקית.זה מספק אינדיקציה מוקדמת של הזדווגות רקמות.
  • (FLT:0) הדמיה לא פולשנית 1FLT: קוהרנטיות אופטית (OCT) או בדיקות אולטרסאונד ניתן לשלב כדי לדמיין צמיחה רקמות מבלי להפריע סטריליות.

חיישנים אלה מזינים נתונים למערכת בקרה שיכולה לשנות באופן דינמי מהירות המשאבה, תערובת גז או הרכב בינוני.לדוגמה, אם רמות החמצן נופלות מתחת לסף, קצב זרימת הדם ניתן להגדיל או את הלחץ החלקי של אספקת הגז ניתן להעלות.

אוטומציה ואינטליגנציה מלאכותית

הגבול הבא בשליטה ביולוגית של היתוך הוא השימוש באינטליגנציה מלאכותית (AI) ואלגוריתמי למידת מכונה כדי לייעל את תנאי התרבות. במקום להסתמך על משוב מבוסס הסף פשוט, מודלים של בינה מלאכותית יכולים לנתח זרמי נתונים רב-תחומיים - פרמטרים זרימה, פלטי חיישן, תמונות מיקרוסקופיות - כדי לחזות את אסטרטגיית ההתערבות האופטימלית.לדוגמה, רשת עצבית המוכשרת על נתונים תרבותיים יכולה להתאים את המשטר הזרמה למקסימום את פעילות אל-פוחיות בעודו.

מערכות אוטומטיות גם להפחית את העבודה ידנית הקשורה תרבות רקמות בקנה מידה גדול.נשק רובוטי יכול להתמודד עם מודולים ביולוגיים מרובים, ביצוע חילופי מדיה סטריליים, דגימה, או העברות פיגומים ספוגים בשילוב עם הדמיה אוטומטית, מערכות אלה יכולות לרוץ במשך שבועות עם התערבות אנושית מינימלית, מה שהופך אותם מתאימים לסביבות ייצור שבו יעילות ועקביות הן משותקות.

מערכות פידבק סגורות: מהנתונים ועד החלטות

בהתבסס על החיישן ו- AI מתקדם, כמה קבוצות מחקר יישמו ביולוגיים סגורים לחלוטין של היתוך בשימוש ב-FLT:0 Model Modelive control (MPC)BuildFLT:1. במערכת MPC, מודל חישובי של תהליך צמיחת הרקמות משמש לחיזוי מצבים עתידיים (למשל, צפיפות תאים צפויה ב -24 שעות) בהתבסס על מעשי בקרה ובקרה עכשוויים ובקרתיים לאחר מכן, בחר שינויים ברמת החמצן הרצויה, ולאחר מכן, כדי להשיג את רמות ה- 21 שלבים הרצויים של תהליך החמצן הרצויים, ולאחר מכן, כדי להבטיח את רמות ה- 21 ואילך, ולאחר מכן, ולאחר מכן, ולאחר מכן, כדי להבטיח שינויים הרצויים של תהליך ה- לאחר מכן, כדי לייעלות של תהליכי בקרה בינונית של תהליך ה- לאחר מכן, כדי לייעלות, כדי להבטיח שינויים הרצויה של תהליך החמצן הרצויה, על פני רמת ה- 21 ואילך, על פני רמת ה- לאחר מכן, כדי לייעלות, כדי לייעלות של תהליך ה- 21 ואילך, כדי להבטיח שינויים הרצויה של תהליך של תהליך של תהליך ה- 21 ואילך, על פני רמת ה- 21 של מעקב של מעקב של מעקב של מעקב אחר כך, על פני רמת ה-ידי שינוי של תהליך ה-ידי שימוש ב-

מערכות אלה עדיין בשלב המחקר, אך הוכיחו תוצאות מרשימות. במחקר אחד, ההיתוך הנשלט על ידי MPC מיוצר מבנים עם 30% כוח דחיסה גבוה יותר ומינרליזציה אחידה יותר בהשוואה לתרבויות קבועות.כפי שהגדלת כוח חישובי ומודלים הופכים מדויקים יותר, כך שגישות סגירה-פרלופ צפויים להיות סטנדרטיות במעבדות מתקדמות של רקמות.

חידוש סינרגיות עם טכנולוגיות אחרות

3D Bioprinting ו-Perfusion Bioreactors

bioprinting 3D יש מהפכה ייצור פיגומים על ידי מתן מיקום מדויק של תאים, biomaterials, וגורמים צמיחה. כאשר מבנים bioprinted אלה הם מאוחר יותר בוגר ביולוגי היתוך, השילוב הוא חזק במיוחד. המדפסת יכול ליצור פעום עם ערוצי מיקרו-ערוצים משובצים המשמשים נתיבי זרימה מוגדרים מראש, להבטיח כי ההיתוך מגיע לכל אזור, יתר על ידי הדפסה ביולוגית מאפשר שילוב של תאים סרטניים אלה לאחר מכן, כלומר, לאחר מכן, כגון צינורות קריטיים, אשר משמש כדי ליצור תאים קריטיים.

העבודה האחרונה הדגים את בניית העצם המוטבעת המכילה ביו-בקים בלתי-מפוסים וערוצים שניתן היה להעלותם במשך 28 ימים, המבנים הנובעים הראו מינרליזציה נרחבת והקמת רשתות vascular פרימיטיביות.הסינרגיה בין הביוגרף והפיוזיום צפויה להאיץ את התפתחותו של FLT:0vasized העצם LTsplevesFalration for a 1:1-II.

מערכות Co-Culture עבור וחילוניות

העצם הוא רקמת רבת-תכליתית, והנדסת רקמות מוצלחות חייב לטפל בצורך באסטומיוזיס מהירה בין המיקרו-שקע של הבניין לבין הזרם המארח. Perfusion bioreactors הם אידיאליים עבור תאים אוסטיאוגניים משותפים עם תאים אנדוגניים עם תאים אנדוגניים או הפרוגנרטורים שלהם. על ידי ראיית שני סוגי תאים על קשקשים ולשלוט זרימה, החוקרים יכולים לקדם את התאים דמויי של רשתות ממות בתוך ריצוף עצמי בתוך רשתות ממות.

תנאי ההיתוך חייבים להיות מכוונים בזהירות כדי לאזן את הרגישות הלחץ של תאים ריריים (אשר דורשים רמות מתון כדי להתאים וליצור צינורות) עם הצרכים של osteoblasts (אשר להגיב היטב ל Shear גבוה יותר) כמה מחקרים השתמשו בגישה תרבות quential: הראשון כתמי קצה מתחת לזרימה נמוכה כדי לאפשר היווצרות צינורות ראשונית, ולאחר מכן הציג תאים osteogenic ולהגדיל את זרימתם לפירוק של תאים מסגסוגת החיה, וכתוצאה מכך, וכתוצאה מכך, וכתוצאה מכך, שילובים במהירות של תאים ממין.

דינמי מכני Stimulation

העצם הוא רקמת רגישות מכנית, ואת הביולוגי האידיאלי צריך לשכפל לא רק זרימה נוזלית אלא גם עומסי דחיסה ו Tenile מנוסים vivo. רבים ביולוגי היתוך עכשיו לשלב עכשיו:0 מ"מ מכניקה מודולים טעינה מודולים FLT:1 שיכול ליישם דחיסה מחזורית, bending, או מתח לבנות בו זמנית עם היתוך.

לדוגמה, ביולוגי היתוך עם piston actuated pneumatly יכול ליישם תקופות יומיות של זן דחיסה מחזורית (1-10% ב 1 הרץ) בעוד שזורם באופן רציף.מחקרים באמצעות מערכות כאלה מדווחים על ביטוי גבוה יותר של sialoprotein העצם, osteocalcin, ו Runx2 בהשוואה ל- perfusion לבד.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות התקדמות מרשימה, כמה אתגרים נותרו לפני הביולוגיה של ההיתוך יכול להפוך לכלים סטנדרטיים עבור הנדסה של עצמות קליניות.הצד העיקרי הוא ה-FLT:0calability ו-ManufacturabilityFLT:1 של המערכות האלה. â € ¢ end גדול הנוכחי הם לעתים קרובות בנוי מותאם אישית, יקר, ודורש מומחיות מיוחדת לפעול.

אתגר נוסף הוא התחזוקה ארוכת טווח של סטריליות ותפקוד על תקופות תרבות מורחבות (שבועות עד חודשים) חיישנים יכולים לסחף או להיות מופרעים, משאבות יכולות להיכשל, ואת הסיכון של זיהום גדל עם כל התערבות.הפיתוח של מחסניות ביולוגיות חד פעמיות, חד פעמיות עם חיישנים משולבים וממשקים סטריליים הוא כיוון מבטיח להפחית את הבעיות האלה.

לבסוף, התרגום של עצם מודבקת בדוגמניות בעלי חיים לחולים אנושיים דורש הוכחה חזקה של בטיחות, יעילות, ואימונו-זמינות. מחקרים בעלי חיים גדולים עם פגמים גדולים קריטיים הם הכרחיים להוכיח כי מבנים הבוגרים בהיתוך יכולים להשיג איחוד העצם ויציבות מכנית. ניסויים קליניים מוקדמים מתחילים להופיע עבור סוגים פשוטים יותר של רקמות, וסביר להניח כי העצם תמשיך להיות הטכנולוגיה הביו-סביר להניח כי הוא בוגר.

מסקנה

גישות חדשניות ל- פיזור ביולוגים השתנו באופן יסודי מה אפשרי בהנדסת רקמות העצם.על ידי שילוב דיוק מיקרו-השפעהי, חישה חכמה, שליטה המונעת על ידי AI, פיגומים ביומטיים, וסינרגיות עם טעינה ביולוגית ומכנית, החוקרים מסוגלים כעת ליצור מבני עצמות שמקיפים את המבנה והתפקוד של רקמות ילידיות אלה הם מעבר שדה מוחשי לטכנולוגיות מתקדמות יותר ויותר, כאשר הן יכולות ליצור השתלות מציאות ביולוגית מתקדמת יותר ויותר, אשר ממשיכה לייצר באופן עקבית, אשר הופכת להיות מסוגלות, באופן עקבי יותר ויותר, אשר הופכת לכדי שינוי ביולוגי.

(ב) לקריאה נוספת, חקרו משאבים מהמכון הלאומי של Biomedical Imaging ו- BioengineeringigineeringmentFLT:1, ביקורות אחרונות בFLT:2ScienceDirectofLT 3, ו-FLT:4 דייוויס Tissue Engineering LabFLT:5 עבור מחקר חדשני על מערכות תרבות ההיתוך.