Biyoreactors doku mühendisliği alanında vazgeçilmez araçlar haline geldi, araştırmacılara, başarılı doku formasyonunu etkileyen birçok parametreyi sunmaları için tam olarak kontrol edilen bir ortam sunuyor, mekanik stres, tendonlar ve bağlar gibi temelsel engeller ve biyoreactors'un aksine, ekstra hücreli matrix (ECM) için temelsel olmayan fiziksel kuvvetler uygulamalarını güçlendirebilir ve sonuçta bu tür mekaniksel uygulamaları etkileyen temelsel yöntemlere ve uygulamaları temel olarak genişletebilir.

Mekanik Stresin Dokunuşunda Rolü

Tendons ve bağlar günlük hareket sırasında sürekli mekanik yükleme yapan son derece özel bir bağ dokulardır. sırasıyla kas ve kemik veya stabil eklemler arasındaki kuvvetlerle ilişkilendirir.Yerel mimarileri yoğun, paralel olarak kolajen fiberler, ağırlıklı olarak vücut olarak organize edilen bir işlemle karakterize edilir, bu mekanik ortamdaki hücreler dinamiktir - tendonlar ve bağlarda ve çatlakları uyarırlar - mechano hassastır: Sürekli olarak anlamlı ve mekanik olarak culere yanıt verir.

Mechanotransduction Pathways

Mekanik stres, mekanik kesme ile biyokimyasal sinyallere dönüştürülür. Anahtar oyuncular integrins, fotonlar ve klomatalizeler gibi hassaslar (MAPK) yol boyunca, Rho/ROCK yollarına bağlanır ve Wnt / akgözlülükler ilerleyici yol boyunca bu şekilde çalışır.

Hücre Kaynağı ve Mekanik Durumlandırma

Hücre kaynağı seçimi de mekanik stres uygulaması ile iç içe geçmişlerdir. Mesenchymal kök hücreler (MSCs) kemik iliğinden elde edilen, ajeneratif doku veya farbiliteli kablolar, multilineajerasyon potansiyeli nedeniyle karakterize edilir, ancak mekanik cular olmadan, MSCs, kemik veya kartilasyon gibi hedefsiz çizgilere ayırabilir.

ECM Yeniden Modelleme ve Dokunuş Güçlü

Hücre sinyalinin ötesinde, mekanik stres doğrudan ECM organizasyonunu etkiler ve yeniden modellemektedir. Tendons ve bağlar, ana dokudaki atromik düzenlemeden dolayı sertleştirici bir şekilde etkilenebilir.In statik kültürde, kolajen fiberler rastgele odaklı olma eğilimindedirler, çünkü transkriptolar yeni bir şekilde sıkıştırılır, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunurlar.

Mekanik Stimuli Türleri

Biyoreactors, bu güçlerin bir kombinasyonunu daha doğru bir şekilde simüle edebilir, her biri tendon ve bağ hücreleri üzerinde eşsiz etkiler. Üç birincil uyaranlar çekme baskı, kompresyon ve hear stresidir.

Çekme Strain

Baskı, ya da germe, tendonlar ve bağlar için en alakalı mekanik uyaran, birincil işlevin gerginlike direnmeye direnmektir. Biyoreactors, çekme genellikle dönüştürücü ve doku inşa etmek.Dörtücük boşluklar, yüksek çözünürlükte 4-10 kez sabitlenme, 0.1-1 Hz), görev döngüsü (türkçe) ve toplam süre boyunca, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte veya yüksek çözünürlükte.

Kompucu

Taklitler, tendon ve bağ fizyolojisinde daha az baskındır, ancak özellikle de tendonların bony pulleys (e.g., yuzginatus tendonu) veya ortak sıkıştırma bölgelerindeki gibi, transistörler veya pnömatik hareketleyiciler ile uygulanabilir.

Shear Stres

Shear stresi, hücrelerin veya doku yapılarındaki sıvı akıştan ortaya çıkar. Biyoreactors, bu perfüzyon yoluyla elde edilir - yükleyici veya etrafında meydana gelen göz ardı edilebilir sıvı akışlar yoluyla kültür ortamı. Shear stresi sadece besin ve çöpleri ve bağlar sağlar.In bioreactors, it is madems or the interstivityal flows through the sunak. Research shows that low levels of hear stress (0.1-1 dyn/cm2) can upregulate ECMs and cell can out of single pain.

Biyoreactors'da Mekanik Stres Uygulamak için Stratejiler

Mekanik stresi biyoreactor sistemine entegre etmek, mekanik tasarım, kontrol sistemi ve şüpheli mimarinin dikkatli bir şekilde dikkate alınması gerekir. Aşağıda, etkinlik belirleyen temel mühendislik parametreleri ile birlikte birkaç ortak strateji vardır.

Dinamik Yük sistemleri

Dinamik yükleme sistemleri tendon/ligament biyoreactors'un çalışmalarıdır. Genellikle mekanik bir eylemci (örneğin, lineer motor, pnömatik silindir veya adım motoru) bir araya gelerek, bir dizi veya doku inşasına ek olarak, diğer sondaki parametreler sabitlenir.

Yıkama Cihazları ve Membran Biyoreactors

Hücreler veya ince yapılar için, esnek bir membranın işe yaradığı cihazlara baskı yapılır. Hücreler elastik bir substrat üzerinde kültüre bağlıdır (örneğin, silikon veya poliurethane) bu yaklaşım, hücre mechanobiyolojisinin incelenmesi için yaygın olarak kullanılır.

Akışkan Sistemler ve Perfüzyon Biyoreactors

Perfüzyon biyoreactors sadece kütle taşımalarını artırmakla kalmaz, aynı zamanda oar stresi sunar. Bu sistemlerde, kültür ortamı sürekli olarak bir göz ardı edilebilir bir fikre sahip veya perfüzyona bağlı olarak (örneğin kanal geometrisi ve scaffold porosity), hear stres boyutunu belirler. For ve bağ mühendisliği için, perfüzyon sadece uzun süreli olarak oksijenli sensörleri ve matrisi korumak için daha iyileştirici ve matrisler sağlar.

Çok-Axial ve Kompleksi Yönlendirici Sistemleri

Yerli tendonlar ve bağlar sadece basit bir gerginlik değil, aynı zamanda torsion, bükme ve oar. Bu karmaşıklığı daha iyi çoğaltmak için, multi-aksiyel biyoreactors gelişmiştir.Örneğin, aynı anda yelsiyonel rotasyonlar ve torsional rotasyonlar üretebilecek bir sistem, Achilles'te bulunanlara benzer şekilde düzenlenmiştir. Başka bir yaklaşım, bağımsız olarak gerginlik ve sıkıştırmayı kontrol edebilecek esnek bir yükleme çerçevesini kullanır.

Mekanik Parametreleri İyileştirmek

Özel biyoreactor tasarımı ne olursa olsun, mekanik yükleme parametrelerini optimize etmek kritiktir. Aşağıdaki kılavuzlar yayımlanmış çalışmalara dayanmaktadır:

  • [FONT=0)Strain büyüklüğü:[Dönetici:% 4-10) Çevrimsel çekme basıncı yaygın olarak faydalıdır; daha düşük sular (<2%) may not elicit a response, while higher (>).
  • [FONT:0]Frequency:[DÜDÜT:1) 0,5-1 Hz (insan gait frekansı) yaygın olarak kullanılır; daha yavaş frekanslar etkilenebilir.
  • [FONT:0)Durasyon ve geri kalanı:[Dönder: 1) Intermittent yükleme (e.g., 1 saat, 1 saat kapalı veya 8 saat boyunca% 8 geri dönüşüm) genellikle hücre adaptasyonu nedeniyle sürekli yüklemeden daha iyi sonuçlar verir.
  • [FONT:0)Direction:[Dönetici:[Dönder:))) Uni aksiyel bir güç, kollektiflerin uzun eksende yaygınlaşmasına yol açıyor; bi aksiyel su daha karmaşık geometriler için kullanılabilir.
  • [FONT:0)Öyleleme:[Dönlendirme:[Dönlendirme:[Dönlendirme:[Dönlendirme:)) Zaman içinde (örneğin,% 2 ila 8 arasında 2-3 hafta) mimiks in vivo geliştirme ve doku hasarını önler.

Bu parametreler belirli hücre tipi, şüpheli materyale ve maturasyon aşamasına uygun olmalıdır. Yapın sertlik (en güç geri bildirim) gerçek zamanlı izleme (enjektif yükleme protokollerine kılavuz olabilir)).

Tendon ve Ligament Rejenerasyonuna Etkisi

Birçok çalışma, biyoreactors'ta mekanik stresin mühendis tendon ve bağ doku dokulara önemli ölçüde artmasını göstermiştir. Hücresel özellikler için kullanılan faydalar.

Geliştirilmiş Collagen Organizasyonu ve Kompozisyon

En tutarlı bulgulardan biri, döngüsel çekmenin yoğun, uyumlu bir kolajen fiberleri teşvik olmasıdır. Örneğin, MSC-seploz-GAG scaffolds kullanarak yapılan çalışmalar, iki haftalık dinamik yüklemeden sonra, kolajen fiberleri doğrudan yüksek basınç eksenine kadar uyumlu olduğunu göstermiştir, 2 katta 3 kat artış ile statik kontrollere kıyasla.

Geliştirilmiş Mekanik Özellikler

Biyoreactor-jektör genellikle yerel tendonların daha düşük kesimlerine yaklaşımı mekanik özellikler sergilemektedir.Bir dönüm noktasında, tavşan flexor tendonları statik kontroller için 1-2 MPactoralatorluk biyoreactor, 12 haftadan sonra yerel bir kesimin yüksek bir yüksekliğe ulaştı.Diğer gruplar, bu boşlukları hızlandırmaları için 5–15 MPa'nın son derece güçlü yanlarını bildirdi.

Hücreler Phenotype Bakım

Mekanik yükleme aynı zamanda farklılaştırılmış bir hücre phenotype korumaya yardımcı olur. Tenosits kültürü statik koşullar altında yavaş yavaş yavaş yavaş ongenici işaretleyicinin daha düşük seviyelerini kaybedebilir. aksine, hücreleri çevrimsel olarak genişletilmiş süreler için aktif kalacaktır.In contrast, the entity of Mechanical stress can restrict osteojenik veya korondr farklılığı kaybedebilir, ongen lineer lineerlere doğru onları yönlendirin.

Fitnes Entegrasyonu ve Performansı

Hayvan modellerinde implante edildiğinde, mekanik olarak şartlanmış bir hapşırmış tendonlar ve bağlar ev sahibi doku ile daha iyi entegrasyon sergiliyorlar. daha iyi neotendon oluşumu, inflamasyonu azaltır ve yük taşıma kapasitesi gelişmiştir.Örneğin, bir mekanik olarak şartlanmış Ahilles, tüm yaralanan bir klinik denemeler 6 ay içinde biyoreaktör veya EFLDrupları kullanarak sonuçlanır.

Future Yol ve Challenges

İlerlemeye rağmen, biyoreactor-mühendis tendonlar ve bağlar rutin klinik seçenekler haline gelir.

Yerli Mekanik Çevreyi Terkedmek

Mevcut biyoreactors genellikle basit döngü yükleme uygular, oysa yerli dokular karmaşık, geri dönemleri içeren stres kalıpları, yüksek eksenli patlamalar ve çok eksenli kuvvetler. Bu modelleri çoğaltabilecek sistemler geliştirmek - örneğin, programlanabilir yükleme profilleri veya situ sensörleri dahil etmek için - aktif bir araştırma alanı olarak.

Gerçek Zaman İzleme ve Geri Bildirim Kontrolü

Doku büyümesini optimize etmek için, biyoreactors içinde parametreleri izlemek gerekir, ECM deposition ve mekanik sertlik zamanında.Ing., ultrason, optik koherence tomografi) veya elektrik imkansızlığı, araştırmacıların gerçek zamanlı olarak yüklemelerine izin verir.

Scaling Up ve Klinik Çeviri

Çoğu biyoreactor çalışması küçük, laboratuvar ölçekli yapılar üzerinde yapılır (örneğin, 1-2 cm uzunluğunda). Klinik olarak ilgili greftler (örneğin, insan pateller tendonu yaklaşık 10 cm uzunluğundadır) ve perfüzyon kanallarının düzgün mekanik stres ve besleyebilmesi için biyoreaktörlerin zor olması gerekir.

Hasta-Specificization

Bireysel hastalar farklı anatomi, yaralanma kalıpları ve iyileştirici kapasitelere sahiptir. Future bioreactor sistemleri hasta-derived hücreleri (e.g., otologlu MSCs) dahil edebilir ve tıbbi görüntüleme (MRI veya CT) özel scaffold ve yükleme protokolleri tasarlayabilir. Bu kişiselleştirilmiş yaklaşım en üstlenen gresyon ve fonksiyonel iyileşmeyi sağlayabilir.

Standartlaştırma ve Düzenleme

Biyoreactor sistemleri araştırma grupları arasında yaygın olarak değişir, sonuçları karşılaştırmak veya en iyi uygulamaları kurmak zorlaşır. Biyoreactor performans için Endüstri standartları, şüpheli malzemeler ve kaliteli kontrol, klinik kullanım için düzenleyici onayı hızlandırmanız gerekir. ABD Gıda ve İlaç Yönetimi (FDA) dokuya rehberlik etmiştir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Mekanik stres, işlevsel tendon ve bağ dokusu mühendisliğinin temel taşıdır.Dönetici, boyut, frekans ve mekanik uyaranların süresi, biyoreactors, multi aksiyel yükleme, gerçek zamanlı izleme ve kişiselleştirilmiş kişiselleştirme, ancak yine de bir çalışma ile mümkün olan her türlü disiplinin cerrahiye karşı çıkması için potansiyel olarak daha fazla işbirliği yapması için hücrelere yol açabilir.