Vascular Tound Maturation için Bioreactor Design Optimizasyonu

Vascular Graft Development'daki Biyoreactors'un Orta Rolü

Vascular doku mühendisliği, koroner arterleri gibi uygulamalar için uygun bir şekilde sağlam bir kan gemisi yedekleri üretmek için ilham verici, periferik vasküler onarım ve hemodiiyaliz için arter erişim.Daha fazla bilgilendirici tasarım ve hücre kaynağı önemli bir dikkat alırken, bu yapıtlar, son greperatif tasarımların klinik implantasyon için katı gereksinimleri karşıladığını belirler.A bioreactor, izodizisyonlu bir cihazdır.

Kan damar doku maturasyon karmaşıklığı biyoreactors'un yerli hemodinamik çevrenin önemli yönlerini yeniden yarattığını talep ediyor.Kan gemileri in vivo fotosatile baskı, döngüsel boşluk, ve ışıklı hear stresin kandan korunmasında, endotel hücre phenotype, düzgün kas ve elastin fiberleri. Bioreactors, bu uyaranları kontrollü, rezulileri kontrol eden, rerodal stresle çoğaltırken, endotelyal hücreyi düzenlemektedir.

Araştırmacılar, basit statik kültür flasks'tan sadece sabit bir yapı ile karmaşık perfüzyon sistemlerine kadar çeşitli biyoreaktör tasarımları geliştirdiler. Bu sistemlerin evrimi, mechanobiology of vaskülar geliştirmenin büyüyen bir anlayışını yansıtıyordu. Erken statik kültürler ince, mekanik olarak zayıf dokular çünkü difüzyonel taşımalar sadece kalın bir yapıdaki metabolik talepleri destekleyemez.

Bu makalenin amacı, bu teknolojileri cerrahi süite çevirmek için aşılması gereken başlıca faktörleri incelemektir. Tartışma, akış dinamikleri, mekanik yükleme, oksijen ve besin teslimiyetleri ve otomasyon sistemlerinin entegrasyonuna odaklanacaktır.

Bioreactor Optimizasyonu için kritik parametreler

Her biyoreactor sistemi rekabet talepleri dengelemek zorundadır: Gelişen dokuya zarar vermeden önce maturasyon teşvik etmek için yeterli mekanik uyarı sağlamak; oksijen ve besinleri tek bir sıvı dinamiği ortamı sağlamak; ve tekrarlanan örnekleme ve ayarlama izin verirken sterilite sağlamak.

Akış dinamiği ve Shear Stres

Bir damar biyoreactor içindeki akış rejim doğrudan endotel hücre hayatta kalma, hizalama ve bariyer işlevi etkiler. Laminar akansajörde kontrollü bir hear stresi ile (10-20 dyn/cm2 for artal endothelium) bir quiescent, atheroprotecter endive endotelyal endoteliyel defektif uçabilir ve aşırı derecede yüksek hear stresi, bir nüksoz veya hücre dekolmanı veya felci, apoptoz veya felsepsiyonunu engelleyebilir.

Akış dinamikleri, sabit ve çıkış geometrisini tahmin etmek için dikkat gerektirir ve son zamanlardaki birçok tasarım, transmural akışlarını (hazırdaki atıkların) bir araya getirmesine izin veren sabit akışlar (CFD) simülasyonları, yapılı kas hücreleri içinde ve duvarının etrafındaki ek mekanik cütürüller öngörür.

Pulsatile akışı, hedef gemi sitesini (tipik olarak 1-2 Hz for artal uygulamalar için), daha ileri uçotal fonksiyonu ve ECM organizasyonunu geliştirir. Dalga formu -systolic upstroke, diastolic dezenformasyon ve pul basıncı amplitüdül - arter veya venous koşulları çoğaltmak için ayarlanır. Bazı gelişmiş biyoreactors, akarsiyonel olarak akış oranını ve pulbi frekansına göre hızlanır.

Cyclic Mekanik

Medya katmanındaki kas hücreleri, her kalpli döngü boyunca döngüsel bir şekilde yayılmaya maruz kalıyor. Bu mekanik yükleme hücre çoğalmasını düzenleyen yol yolları, hizalama ve ECM sentezleri içinde düşmesi gerekir. Biyoreactors, daha yüksek bir içsel mandrel veya inşa edilen yapıların lumenlerini hızlandırarak genellikle daha yüksek sular için kullanılabilir.

Genişleme parametrelerinin optimizasyonu, frekans, amplitüd, görev döngüsü ve günlük süre içerir. Araştırmalar sürekli olarak uzatılmış olan, ECM yeniden modelleme ve hücre egzozunu önlemeye izin veren diğer bazı yenilikçi tasarımları ile, yapıdaki mekanik özellikleri doğru zamanda ölçmek için, iki eksenli veya multi aksiyel yükleme daha yakından takip etmek ve daha organize bir dokuya izin vermek için daha yakın bir şekilde sabit bir şekilde sabit bir şekilde geri yüklemeye olanak sağlar.

Oksijen ve Nutrient Teslimat

Mühendisli damar dokuları, özellikle de klinik olarak ilgili kalınlıkları (>1 mm), difüzyon-kanık oksijen taşımalarından muzdariptir. Aktif perfüzyon olmadan, oksijen konsantrasyonu yüzeydeki hipoklar ile birkaç yüz mikrometre içinde elde edilir.

Oksijen teslimatını optimize etmek, oksijen basıncının hücrelere yakın olarak dengelenmesini içerir. Hiperoxia (çok yüksek oksijen) reaktif oksijen türlerini ve hasar hücreleri üretebilir, hipositasyon kapasitesinin yüksek akış oranları olmadan 40 ila 120 mmHg'ye kadar, bazı biyoreactoratörlerin, perfluorokarbon emülleri veya hemoglobin bazlı oksijen taşıyıcıları gibi, oksijenli devreleri azaltmak için oksijenli yüksek akış hız oranlarının arttırılmasına neden olur.

Sorma teslimatı, özellikle de glikoz ve amino asitler, yarıkır ve orta değişim frekansına kadar akış hızı ve orta değişim frekansına yakın bir şekilde yapılır. Taze ortalıkta sürekli perfüzyon, stabil metabolit konsantrasyonları korumak ve maturasyon aşamasında, serum ve yüksek kalorili atık ürünlerine sahipken, eCM sentezlerini yansıtacak şekilde ayarlanabilir.

Bioreactor için malzeme seçimi

Biyoreactor odasını inşa etmek için kullanılan malzemeler, borular, ve sensörler biyolojik olarak uyumlu olmalıdır, non-cytotoxic ve tekrarlanan sterilizasyon döngülerine dayanabilmeli (otoklavuz, hidroksit veya kumarlama) Polysulfone, p Polikarbonat ve tıbbi-grad silikonu sert bileşenler için yaygın seçimlerdir, termoplastik elastomerler çevrimleri ısıtacak şekilde kullanılır.

Sörtücükler için, malzemeler doğal polimerlerden (collagen, fibrin, decellularized ECM) sentetik biyodegradlı polimerlere (poliglycolic asit, policaprolactone, poliurethane) Erişilebilir malzemeler arasındaki arayüz, UV-sigaralı malzemelerden elde edilen birçok tasarımda kullanılabilirliği veya özel olarak kullanılabilirliği artırmak için gerekli olan diğer baskıları azaltmak için gerekli olabilir.

Heparin veya diğer biyoaktif kaplamalarla yüzey modifikasyonu, biyoreactor devrelerinin kan veya plazma içeriyorsa trombosit miktarını azaltabilir. Ancak, çoğu in vitro uygulamalar için, poli(pili glycol) gibi basit olmayan kaplamalar, özel olmayan protein adsorpsiyonunu önlemek ve temiz bir ortamı korumak için yeterlidir.

Vascular Tound Maturation için Gelişmiş Biyoreactor Yapıları

İlk damar biyoreactors üretimi, kontrol edilen mekanik yüklemeyi veya son on yılda, çeşitli gelişmiş konfigürasyonları ortaya çıkarmak için etkili olsa da, temel fizibiliteyi göstermek için her biri belirli sınırlamaları ele almak için tasarlanmıştır.

Dual-Compartment Perfüzyon Sistemleri

Bu biyoreactors, luminal ve abluminal akış yollarını ayırıyor, dış yüzeyi karıştırırken dış oda tıkayın ve medyasal ve maceralı kas hücreli nüfuslar için farklı medya kompozisyonlarının kullanımını sağlıyor. Tipik bir tasarımda, iki oda arasında askıya alındı: İç oda, iç oda, dışsal bir membranı dışsal yüzeyi karıştırmadan destekletir.

Bu tür sistemlerin optimizasyonu, bölmelerin arasındaki akış oranlarının, inlet ve çıkış rezervuarlarının veya gemi duvarının parçalanmasından kaçınmak için dengelemeye odaklanır. Transmural basınç farkı, istenen bir değere (örneğin, 80-120 mmHgg for artal koşullu) girişini sağlayarak, iç mekan ve dışsal rezervuarların göreceli yüksekliklerini ayarlamak veya bağımsız pompalar kullanarak da bağımsız pompalar kullanarak.

Çok-Construct ve High-Throughput Bioreactors

Alan klinik çeviriye doğru hareket ettiği gibi, birden çok damarlı greft üretme yeteneği aynı anda kritik hale gelir. Yüksek kontraksiyon biyoreactors serisini paralel olarak, her biri bağımsız veya paylaşılan akış kontrolü ile ilgili olarak, bu sistemler tüm yapıların aynı çevresel koşullara tabi tutma yeteneği azalır, doğrudan karşılaştırmalara izin verir.

Araştırma ortamında, küçük arterlere benzer boyutlarla minimografiler (ayrıca "organ-on-a-çip" sistemleri) ilaç tarama ve mekanik çalışmalar için geliştirilmiştir. Bu mikrofluidik cihazlar, küçük arteratörler için kanal oluşturmak için daha iyi biyoreactors oluşturmalarına benzer boyutlar oluşturmak için.

Tümleşik Mekanik Testleri ile Biyoreactors

Geleneksel olarak, mühendisin teknesinin mekanik özellikleri sadece kültür sonunda değerlendirildi, yıkıcı testlerin yapılması ve vitreus biyoreactor tasarımları, gerçek zamanlı olarak tahrip edici mekanik değerlendirmelere izin veren sensörleri ve eylemcileri içerir. Örneğin, bir baskı sensörü, bir kamera parçalarına daha fazla yükseltilebilirken, lumen baskısını kaydedebilir.

Bazı sistemler, ultrason veya optik koherens tomografi (OCT) gemisi duvar kalınlığını görüntülemek için kullanır, lumen çapında ve ECM organizasyonunu birden fazla zaman noktasında optimize eder. Bu görüntüleme yöntemlerine göre manuel müdahaleye ve gerileme ihtiyacının azaltılması için teknik olarak zorlanır.

Gerçek Zaman İzleme ve Geri Bildirim Kontrolü

Biyoreactor koşullarının optimizasyonu, yalnızca anahtar parametrelerin kültürü bozmadan ölçülebileceğinin farkındadır. Geleneksel off-line örnekleme (örneğin, şekeri ve enctate analizi için orta geri çekilme) sadece bir anlık ve konteamine riskini sağlar. Gerçek zamanlı izleme teknolojileri hızla gelişmiştir ve damar biyoreactors'u kapalı-loop kontrolüne entegre etmek için entegre edilebilir.

Biyoreactor odasında gömülü optik sensörler pH'yı ölçebilir, oksijeni ve ısıyı orta ile doğrudan temassız şeffaf pencereler yoluyla ölçebilir. Fiber- oksijen sensörleri, örneğin, floresansiyona dayalı basınç sensörlerine dayanmaktadır ve tekrarlanan elektrokimyasal sensörler akış yolunda sabitlenebilir ve devre dışı bırakabilirler ve çıktıları orta akış hızını veya kompozisyonu ayarlamak için kullanılabilir.

Geri bildirim kontrol algoritmaları basit orantılı olarak-integral-derivative (PID) kontrol cihazları, gelecekteki ihtiyaçlarını tahmin eden daha gelişmiş model-önleyici kontrolörler için, oksijen tüketimi oranı (konsol ve çıkış oksijen gerilimi arasındaki farkdan hesaplanan) azaltılırsa, kontrol cihazı hipoksitleri artırmak için akış veya oksijen gerilimi artırmak için daha ileri düzeydedir.

Gerçek zamanlı izleme entegrasyonu, veri yönetimi ve sinyal işlemedeki zorluklara yol açıyor. Bioreactors, depolamalı, analiz edilmeli ve son doku kalitesi ile ilişkili olarak, uzaktan izleme ve veri girişinin ortak olmasına izin veren son biyoreactors ile ilişkilendirilebilir.

Klinik Uygulamaya Geniş ve Translating

Laboratuvar ölçekli biyoreactors'lardan klinik kullanım için üretim ölçekli sistemlere geçiş, çeşitli pratik konuları ele almak gerektirir. Birincisi, biyoreactor, sterillik için doğrulanabilirlik, çok-çok tutarlılık için doğrulanabilir ve izlenebilirlik için uygulanabilir.Dönetici biyoreactor bileşenleri (örneğin, küvet ve odalar) geçiş ve yasal onayın riskini azaltır. İkincisi, sistem, tümleşik kullanımlar için uygulanan malzemeler dahil olmak zorundadır.

Üçüncüsü, biyoreactor farklı gemi boyutları ve uzunlukları karşılamalıdır, çünkü klinik ihtiyaçlar koroner greftlerden (3-4 mm çapında, 10-20 cm uzunluk) aortalara (>2 cm çapında) kadar uzanır ve böylece değişebilir odalar ve kandanozlar oksijen teslim edilmesi gibi kritik fonksiyonlar için gerekli olabilir.

Düzenlemeler ayrıca biyoreactor tasarımını da etkiliyor. ABD Gıda ve İlaç Yönetimi (FDA) ve Avrupa Tıp Ajansı (EMA), biyoreactor ortamının iyi uyumlu olmasını ve bu işlem için herhangi bir değişiklikin ürün kalitesini sağlamak için doğrulandığını ve biyoreaktör tasarımının bu koşullardaki hücrelerin değiştirilmesi ve akmasını ve kullanılmasını beklemekte.

Son olarak, biyoreactor sisteminin maliyeti henüz klinik fayda tarafından haklı çıkarılmalıdır.Mevcut sistemler pahalı (birimde binlerce dolar), ölçeklenmiş üretim ve 3D baskılı parçaların kullanımı (örneğin, trombozlar için sigorta geri ödemesi) azaltılabilir.

Future rotası ve Gelişen Teknolojiler

Biyoreactor tasarımı damar doku mühendisliği için alan hızla gelişmektedir. Çeşitli gelişmekte olan teknolojiler doku maturasyonunu daha da optimize etmeye ve klinik çeviriyi hızlandırmaya söz veriyor.

[FONT:0)Organ-on-a-çip ve mikrofiziksel sistemler[[Dönetici: 1) tam ölçekli biyoreactors'a taşınmadan önce en uygun kültür koşullarını ekrana çıkarmak için giderek daha fazla kullanılır. Bu mikrosistemler karmaşık bir hücre tipini, akışını ve çevrimsel hatları tekrarlayabilir.

[FONT:0)Biorektör hesaplama modelleme[[Dönetici:0) Başka bir büyüme alanıdır. Multifizik modelleri çift sıvı dinamikleri, toplu taşıma ve mekaniksel, indüklenen pluripotent hücrelerine dayanan doku geliştirme sonuçlarını tahmin edebilir.Bu tür modeller, optimizasyon için gerekli olan deneysel denemelerin sayısını azaltabilir ve hastaya özgü bir kültür protokolleri tasarlayabilir. Örneğin, bir model, bir kişinin hastanın hücreleri (örneğin, indüklenen pluripotent kök hücreler) farklı baskı protokollerine cevap verebilir.

[FONT:0]Wireless ve aküless sensörler[Dönetici:0)[Dönetici:0) Telsiz ve aküsüz sensörler[Dönetici: 0,4,0) fiziksel bağlantılara ihtiyaç duymadan biyoreactor içinde parametreleri izlemek için geliştirilmektedir, bu sensörler kondüktör veya biyoreactor duvarlarında yerleştirilebilir.

[FONT:0) İndüklenmiş pluripotent kök hücre (iPSC)-derk damar hücreleri [[Dönetici 1), ivme kazanıyor ve biyoreactors, bu hücrelerin maturasyonunu desteklemek için adapte edilmelidir, bu genellikle birincil hücrelerden farklı büyüme faktörlerini ve mekanik cuları gerekir. iPSC-derived pürüzsüz kasif hücreler, örneğin, daha plastik olabilir ve belirli bir şekilde uzun süreli kültür gerektirir.

Son olarak, Prodüksiyon ve katkı üretimi ile birlikte (FLT:1) bir araya gelir, biyoküresel ve biyoreaktör kültürü birlikte evlenmiş, baskı ve perfüzyon arasındaki süreyi azaltır ve basılı bir şekilde basılır.Bu entegrasyon, basılı mimarinin erken saatlerde muhafaza edilmesini sağlar.

Daha fazla okuma için dış kaynaklar, biyoreactor tasarımı üzerine kapsamlı bir inceleme içerir:0) Bioteknolojide [Döntilmişler: 1) [Dönemli:2).DOI bağlantı[Döneticileri) ve dokuya yönelik ([Döneticileri) modellemek için pratik bir kılavuz ([Döneticileri [Dönemli) bağlantı[Düzüğün [Düzüğün 3.

Biyoreactor tasarımı, mühendislik, hücre biyolojisini ve malzemeleri bilimini birleştiren çok disiplinli bir çabadır. Her parametre - Akış yolunun geometrisinden, optik doku mühendisliğinin temel gereksinimlerine ayarlanır - gerçek algılanma, değişkenlik ve düzenleyici onayda kalırken, son iki yılda yapılan ilerlemeler, optimize edilmiş biyoreptörlerin temel taşıyacaklardır.