מכשירים אלקטרו-מכאניים לשילוב של קרטלאז מהנדס

האתגר של אינטגרציה קרטלאז'

פציעות של עורקים משפיעות על מיליוני אנשים ברחבי העולם, לעתים קרובות מוביל לכאב, ניידות מופחתת, ובסופו של דבר אוסטאוארתריטיס. בעוד שמבנה הפחמימות המופעל על ידי רקמת רקמות-מנועי-הנדסה-מנועיing מציע אלטרנטיבה מבטיחה להחלפה משותפת, ההצלחה הקלינית שלהם תלויה בגורם קריטי אחד: שילוב חלק עם הרקמות הילידים שמסביב.הממשק בין הכשלים המונדסים והטבעיים הטבעיים נשאר החוליים, לעתים קרובות בשל אסטרטגיה מכנית שאינה מספקת, למעט טיפול תרופתי (MCC) וחוויות פיזיות, כמו גם כן, כמו גם עם ליקויים, כימותרפיסטאונדפסת, כאשר הגמישות הגופנית, כמו גם את הגמישות הלא-מריצה לא מספיקות, עם הגמישות פיזית לא מספיקות, עם השלילית, כמו גם את הגמישות הלא-מריצה.

הבעיה הבסיסית היא כי חיפוי מהנדס גדל בתרבות סטטית חסר הארגון המבני ונכסים ביומכניים של רקמת Native.ללא אותות ביופיזיים מתאימים, צ'ונדרוציטים בתוך המבנה לייצר ECM מתפורר עם חוזק רב-קרקעי נחות ורקמות פרוטוגניות ישירות על ידי היווצרות תאים פונקציונליים, ft נכשל לעמוד בפני כוחות משותפים, המוביל ל fissuring, דלמנטום, או אובדן סימולציה מלאה של תאים מכניים.

תפקיד ה- Electromechanical Stimulation ב-Cartilage Engineering

גירוי אלקטרומיאני חל על שדות חשמליים מבוקרים וכוחות מכניים על מנת לספוגים מאוישים במהלך התרבות או לאחר השתלה.הרציונלי נובע מההתבוננות כי צ'ונדרציטים מקומיים נחשפים כל הזמן לעומסים דחוסים, מדגישים, ופוטנציאלים חשמליים אנדוגניים שנוצרו על ידי תנועה במהלך תנועה משותפת.

איך זה עובד

מכשירים לגירוי אלקטרומיאני פועלים על העיקרון של chondrocytes:0bidirectional איתותing FIRLT:1 ; הדופק החשמלי לשנות את הפוטנציאל transmembrane של chondrocytes, הפעלת ערוצי סידן ממוחזר מתח ו- downstream אותות משולבים כמו ERK ו- PI3K / Akt זה מקדם את הביטוי של chongenics כמו סימן ragic, ragic, cter, ragic, ferigic.

מכשירים מודרניים משלבים הן את המודולים בתוך מערכת ביולוגית יחידה, לעתים קרובות פועל בתצורה סגורה-loop.חיישנים משובצים בפרמטרים של המכשיר כגון גודל עומס, תדירות וכוח שדה חשמלי, להסתגל אותם בזמן אמת כדי לשמור על תנאים לגירוי אופטימלי.דיוק זה חיוני כי גירוי מוגזם או גרוע יכול לפגוע תאים או לייצר פיברטריאז ' במקום טיפול hyaline.

סוגים של מכשירים המשמשים

• (FLT:0) ממריצים חשמליים:FIRLT:1) אלה מספקים זרם ישיר (DC) או דופק שדות אלקטרומגנטיים (PEMF) באמצעות אלקטרודות שהוצבו במגע עם התרבות בינונית או ישירות על המבנה.תקני DC מייצרים שדה קבוע המנחה הגירה תאים וכיוון, בעוד מכשירים PEMF משתמשים בתקופות מנוחה כדי להשפיע על קולטנים ושטף אלקטרו-כימיקלים.
• (FLT:0) מעומסים מכניים:FLT:1ir אלה ליישם דחיסה סטטית או דינמית, מתח, או Shear דרך הידראולי, pneumatic דחיסה, או ממריצים מונעים מנועים. דינמי בתדרים רלוונטיים מבחינה פיזיולוגית (0.1-1 הרץ) וזנים (5-15%) הוכחו כדי לרסן את הסינתזה הפרוטגנטיבית והתנגשות.
• (FLT:0)מערכות משולבות: FLT:1 המכשירים המתקדמים ביותר משלבים גירוי חשמלי עם טעינה מכנית בתא יחיד.לדוגמה, ביולוגי עשוי לכלול צלחת דחיסה כי גם מתפקדת כאלקטרודה, או מערכת היתוך כי זוגות נוזל זרמו עשב עם שדה חשמל משולב אלה הם קריטיים לייצור מבנים שיכולים לעמוד מול הכוחות הרב-אקליים המורכבים בהווה הברך או מפרק הברך.

מכניזם ביולוגי תחת פיקוח אלקטרומיאני

הבנת המנגנונים התאיים והמולקולאריים שבאמצעותם גירוי אלקטרו-מכני משפר את שילוב הפחמימות הוא חיוני לאופטימיזציה של הפרמטרים של המכשיר ולעיצוב מערכות הדור הבא.האפקטים יכולים להיות מחולקים לשלושה תחומים מחוברים: השפעות שדה חשמליות, אפקטים מכניים של טעינה, ואינטראקציות סינרגיות.

תגובות סלולריות ל- Electric Fields

שדות חשמליים יישומיים משפיעים על התנהגות צ'ונדרוציטים באמצעות מנגנונים מרובים.FLT:0 [המנהלת של membrane deקוטבציהFLT:1 מפעילה ערוצי סידן מפורשים, המוביל ל-Sindcin influx ו- downstream copystreamalהפעלה. Calcium איתותת את הביטוי של מאטריקסלופרוטאינאמאזס (MMPs) ורקמות של מתכת (MPs) ומולקולות), כולל מטריקס) אשר משפיעות, כולל על מנת ליצור את הגורמים למולקולות של מגנטיות, אשר אחראים גם על מנת ליצור מטריקס חשמליות, כולל מטריקס, כולל מטריקס, כולל מטריקס, כולל מטריקס מטריקס מטריקס מטריקס, כולל מטריקס מטריקס מטריקס מטריקס מטריקס מטריקס מטריקס מטריקס .

שדות אלקטרומגנטיים נגועים (PEMF) קיבלו תשומת לב מסוימת בגלל יכולתם לחדור עמוק לתוך הרקמה מבלי לדרוש מגע אלקטרודה.טיפול PEMF מעלה את TGF-β ו BMP ב chondrocytes, שינוי האיזון כלפי פעילות אנבוליים. מחקרים קליניים באמצעות PEMF לתיקון טרחוס דיווחו על דלקת מופחתת ושיפור מילוי פגמים osteochondral, למרות ששילוב של מהנדסי מחקר פעיל נותר עם גירוי של קרנות PEMF.

טעינה מכנית ומטריקס Reמודל

טעינה מכנית היא הנהג העיקרי של ארגון ECM בקלואז 'הנדסה.בבבניות מונדסים, דחיסה דינמית מעוררת את הביטוי של סוג הקולגן II ו aggrecan תוך דיכוי הביטוי של סוג הקולגן I, סימן של fibrocartilage. משטר הטעינה חייב להיות מבוקר בקפידה: עומס יתר יכול לגרום להפחתה מריצה ומוות, בעוד שתחת הפחתה מספקת של דחיסות של 5.5%.

מתח Shear חשוב באותה מידה, במיוחד עבור מבנים המיועדים לתיקון אזורי שטח. Shear כוחות להתאים fibrils מקבילה על פני השטח ולקדם היווצרות של שכבת גבול עשירה סיכה המפחיתה חיכוך.מכשירים המשלבים כיס אוסטוריטוריון בנוסף לייצר מבנים עם ארגון דונמי שדומה יותר לאדריכלות של רכב לידים, שיפור עם אזורי שטח ועמוק של רקמות.

השפעות סינרגטיות משולבות של Stimulation

גירוי אלקטרומיאני הוא יותר מאשר סכום חלקיו.פריון חשמלי של צ'ונדרוציטים הופך אותם רגישים יותר לטעינה מכנית מאוחרת, תופעה המכונה FLT:0electromechanical sensitizationFLT:1 Calcium influx מ-Gircium מפעילה גלי חום אור של myosin, הגדלת המתח הציפלי ומספר של תאים דחוסים יותר מאשר דחיסות מכניות.

יתר על כן, הגירוי המשולב יוצר סביבה אקולוגית חיובית יותר לתיקון טרחוס.טעינה מכנית גורמת זרימה נוזלים בתוך הנבל, אשר משפר את התחבורה של ions וגורמים צמיחה.שדה החשמלי עוד יותר מכוון את זרימת זה באמצעות אפקטים אלקטרוקיגנטיים, שיפור ההומוגניות המרחבית של מריצה בממשק החריפה.

תכנון ושיקולים הנדסיים

תרגם גירוי אלקטרו-מכאי מספסל המעבדה ליישום קליני דורש שיקול זהיר של עיצוב המכשיר, ביו-גמישות חומרית ועוצמה תפעולית.יש לטפל באתגרים הנדסיים מרכזיים רבים כדי להבטיח כי מכשירים הם בטוח, יעיל ומעשי לשימוש בהגדרות כירורגיות או שיקום מרחוק.

אלקטרודה קונריגציות וחומרים

עיצוב אלקטרודה משפיע ישירות על הפצת השדה החשמלי ועל הסיכון לתופעות לוואי כגון אלקטרוליזה, שינויים ב- pH או שחרור יון מתכת.FLT:0Platinum-iridium ו- titanium אלקטרודותFLT:1 משמשים בדרך כלל עבור ההתנגדות קורוזית שלהם ויכולת הזרקת מטען גבוהה, אך הם יקרים ודורשים פרוטוקולים מוליכים פולימרים כגון חקירה גמישה, למרות שעדיין תחת לחץ דם גבוה, הוא עדיין נתון ליציבות ביולוגית.

מיקום אלקטרודה הוא קריטי. Monopolar תצורה לספק שדה אחיד אבל עשוי לגרום אפקטים קצה שבו השדה מרוכז, המוביל גירוי לא אחיד. Bpolar ו multi קוטבי מערךים לאפשר שליטה מרחבית של השדה, המאפשר גירוי ממוקד של ממשק graft-host. כמה מכשירים מתקדמים משלבים מערךים אלקטרודה שניתן להחליף באופן דינמי כדי להתאים את הגיאומטריה או לתקן עבור שדה הומוגניות מזוהה על ידי חיישנים בלתי מאוישים.

מערכות הפעלה מכניות

על פי חוק לספק עומסים מדויקים תוך שמירה על סטריליות וצריכת חשמל נמוכה עבור יישומים ניידים או מושתלים.FLT:0 (FLT:1) להציע כוח גבוה ורוחב פס, אך לייצר חום שיכול לפגוע בתרבויות רגישות לטמפרטורה.FLT:2Pneumatic Actumatic Actumatic Actumatic Actumatic Actumatic Actumatic Actumatic ActerFLT 3: הם פשוטים יותר כדי sterilize אבל דורשים משאבות ושישים כי הם קשים לייצר תבניות כוח לא פיזיולוגיות, אך לא פיזיולוגיות, כי הם עלולים קטנים, אך לא ניתן להפחית את דרישות פיזיולוגיות, כי הם עלולים למזעריות נמוכה כדי להפחית את דרישות פיזיולוגיות לדלקתיים, אך לא סדירות, אך לא סדירות, אך לא ניתן להפחית את דרישות מרפאות.

מערכות הידרוקוליות מספקות פשרה: הן יכולות לספק דחיסה סטטית ודינמית עם נאמנות גבוהה, ואת הנוזל הידראולי ניתן מבודד מן תא התרבות, צמצום הסיכונים זיהום.חידושים אחרונים כוללים את השימוש של FLT:0electroactive פולימרים פולימרים פולימרים הידראוליFLT:1 כי שינוי צורה כאשר שדה חשמל מוחל, ביעילות שילוב של גירוי חשמלי ומכני בפעולה יחיד אלה הם עדיין להבטיח חומרים משולבים באופן מלא.

מערכות בקרה ו- Feedback Loops

ניטור ובקרה בזמן אמת הם הכרחיים כדי להבטיח כי פרמטרים גירוי נשארים בטווחים בטוחים ויעילים. מערכות בקרה loop ControlofFLT:1 לשלב חיישנים לעקירה, כוח, אימפולס ו- pH, ולהתאים את משטר הגירוי בהתבסס על התגובה המקיפה של המבנה.לדוגמה, אם אימפולסים מצביעים על כך שהדחיסות התא גדלה, ניתן להפחית בהדרגה את הכוח החשמלי כדי למנוע גירוי יתר על ידי גירוי מכני (למשל, אם ניתן לבצע טיפול מכני) באופן דומה, אם ניתן לבצע טיפול מכני).

אלגוריתמי למידת מכונות מתחילים להיות מנוצלים כדי לייעל פרוטוקולי גירוי.על ידי ניתוח נתונים מאלפי ריצות תרבות, אלגוריתמים אלה יכולים לחזות את השילוב היעיל ביותר של תדירות, amplitude, מחזור חובה ועיוות מכני עבור סוג מסוים או אוכלוסיית תאים מאולתר המטופל.זה פותח את הדלת לגירויים מותאמים אישית הממקסמים תוצאות שילוב על בסיס אישי.

עדויות קליניות ורפואיות

הספרות המדעית מספקת ראיות גוברות ליעילות הגירוי האלקטרו-מכני בשיפור האינטגרציה הממוחשבת של ה-FLT:0 במחקרים vitro ReveFLT:1 באמצעות ביולוגיים הראו באופן עקבי כי מבנים שנחשפו לשילוב גירוי חשמלי ומכני מפגינים שיטות דחיסות גבוהות יותר, תוכן פרוטגנטיני יותר, ורשתות קולגן מאורגנות יותר בהשוואה לפקדים לא פתורים על ידי מחקר אלקטרו-קמי שהוכח של כ- 60% של תאים.

(FLT:0) מודלים אנמיאלייםFLT:1 , אישרו עוד את הממצאים האלה.במודלים של פגם ארנב אוסטיאוצנדרל, השתלת מבנים שהונחו מראש אלקטרו-מכנית הביאו לשיפור ציוני היסטולוגיים והצטברות גדולה יותר של גליקוזינוגליצרים בממשק בהשוואה לבנות תרבות תחת תנאים סטטיים.

(FLT:0Clinical TranslationFLT:1) הוא עדיין בשלבים המוקדמים שלו. קומץ של מחקרים פיילוט חקרו את השימוש גירוי אלקטרו-מכני שלאחר הניתוח בחולים העוברים השתלת chondrocyte או matrix-sted chondrocyte אסטרטגיות, בעוד שגודלי הדגימה הם קטנים, ראשוניים מצביעים על כך מטופלים שקיבלו גירוי חשמלי ממוקד בשילוב עם שיקום מבוקר (mechanicalload) נדרשים לאסטרטגיות טיפוליות טיפוליות מתקדמות יותר כדי לקבוע טיפוליות טיפוליות טיפוליות טיפוליות טיפוליות טיפוליות טיפוליות טיפוליות טיפוליות יותר, אך הן קריטיות יותר, אך הן הכרחיות יותר, אך הן קריטיות יותר, אך הן בדיקות טיפוליות, אך הן בדיקות טיפוליות, אך הן הכרחיות יותר, אך הן בדיקות טיפוליות, אך הן הכרחיות יותר, אך הן תוצאות ראשוניות יותר, אך הן תוצאות ראשוניות יותר, אך הן תוצאות ראשוניות, אך הן דורשות, אך הן בדיקות טיפוליות, אך הן בדיקות טיפוליות, אך הן בעלות ביצועים מבוקרות, הן הכרחיות יותר, אך הן יכולות לבדיקות טיפוליות, אך הן ספציפיות יותר, אך הן יכולות לבדיקות טיפוליות, הן יכולות לבדיקות טיפוליות, אך הן יכולות לבדיקות טיפוליות, אך הן יכולות לבדיקות טיפול

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות הפוטנציאל שלו, אימוץ נרחב של גירוי אלקטרו-מכני ניצב בפני כמה מהמכשולים.(FLT:0 פרמטר אופטימיזציה פרמטר אופטימיזציה של פרמטר פרמטר פרמטר סימולציה FLT:1 נשאר אתגר גדול כי השילוב האופטימלי של אותות חשמליים ומכניים משתנה עם חומר ספוג, מקור תאים, בניית גיאומטריה, ואנטומיה ספציפית לחולה.אין עדיין קונצנזוס על התדר האידיאלי, alitude, ומשך של גירוי עבור תרחישים שונים, וארוכי יותר, ולא קיים.

(FLT:0) ,ההתאמה הביו-זמנית והארוכותיות של LT:1) הם דאגות נוספות, במיוחד עבור מערכות השתלות או עונדות.חומרים המשמשים לאלקטרודות, חיישנים, ומבצעים חייבים להיות לא רעילים, סטריליים, ומסוגלים לתפקד במשך שבועות עם אלקטרוניקה איטית.

(FLT:0Scalability and CostFLT:1) הם מכשולים מעשיים.הביולוגיים המשמשים לתנאי מראש הם יקרים, מייגעים, ודורשים מומחיות מיוחדת לפעול.מכשירים ניידים לגירוי שלאחר הניתוח הם נגישים יותר אך עדיין מוגבלים פונקציונליות.כדי להשיג שימוש קליני נרחב, מכשירים חייבים להיות קומפקטיים, קל לשימוש, וזמין שיתוף פעולה בין מהנדסים, רופאים, גופי רגולציה נדרש כדי לייעל את תהליך התכנון והעיצוב.

(במבט קדימה, כמה מגמות מתעוררות מבטיחות לקדם את השדה:0Organ-on-a-chipveFLT:1 טכנולוגיה מאפשרת יצירת מודלים משותפים מיני-מעוריים שניתן להשתמש בהם כדי למסך פרמטרים במהירות לפני בדיקות קליניות.FLT:23Dprinting-FLT 3 עם חיישנים מוטבעים מאפשר ייצור של הפיגום עם יכולות גיאומטריה משולבת וגירומטריה.

מסקנה

מכשירים גירוי אלקטרומיאניים מייצגים אסטרטגיה רבת עוצמה לטיפול לאתגר המתמשך של שילוב זחלות ממונדס. על ידי רתום עקרונות מבוססים היטב של השפעות שדה חשמלי וטעינה מכנית, מכשירים אלה להנחות התנהגות תאים לקראת היווצרות של רקמת חזקה, מאורגנת שיכולה להתחבר ביעילות עם cartilage Native. הסינרגיה בין אותות חשמליים מכניים מניבה תוצאות שעולה על מה שיכולה להשיג לבד, במיוחד באזור שבו סביר להניח כי האינטגרציה מתרחשת האינטגרציה.

הנתיב מ- מעבדה הוכחה-of-תפיסה ליישום קליני שגרתי ידרוש מאמץ רב תחומי.התקדמות במדעי החומרים, אלקטרוניקה זעירה, בקרת אלקטרוניקה סגורה, ורפואה מותאמות אישית הם מתמזגים כדי להפוך גירוי אלקטרומיאני לנספח אפשרי לניתוחי תיקון טרחוס. כמו טכנולוגיות אלה בוגרות ונתונים קליניים גדולים יותר להיות זמין, גירוי אלקטרו-מכאי יקר הוא להיות מרכיב סטנדרטי של תופעות לוואי של טיפול תרופתי עבור מחלות קירור יותר.