Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Ảnh hưởng tiềm năng của hình dạng đối với phân bố ứng suất cắt tại bề mặt giá đỡ
Tóm tắt
Các bể nuôi cấy tế bào được sử dụng như hệ thống nuôi cấy tế bào nhằm phát triển và duy trì các giá đỡ được kỹ thuật mô tạo ra, phục vụ như là các khuôn ba chiều (3D) cho việc cố định tế bào ban đầu và sự hình thành mô tiếp theo. Môi trường động lực học chất lỏng trong bể nuôi cấy được biết đến là có vai trò quan trọng trong việc tổng hợp các thành phần tế bào thông qua kích thích cơ học do dòng chảy tạo ra. Các mô hình động lực học chất lỏng tính toán (CFD) trong bể chứa chuyển động ngang chậm (STLV® Synthecon, Inc.) đã được mô phỏng dưới các điều kiện dòng Couette. Nghiên cứu hệ thống về ảnh hưởng của ứng suất cắt tại thành (WSS) đến hình dạng của giá đỡ đã bị hạn chế. Do đó, các mối tương quan định tính và định lượng trực tiếp đối với các giá trị WSS đã được thực hiện bằng cách phân tích và so sánh các phân bố giá trị WSS của hai hình dạng giá đỡ. Dưới các điều kiện dòng chảy thực nghiệm, các hình dạng đĩa và hình cầu dài thể hiện sự phân bố WSS khác nhau. Tuy nhiên, khi so sánh với các mô hình hình đĩa, vùng áp lực cao tĩnh của hình cầu đã giảm từ 60% đến 95%. Trong hình dạng hình cầu, sự gia tăng khoảng 40% trong mức độ tiếp xúc của ứng suất cắt với dòng chảy nằm trong khoảng từ 2 đến 3 dyn/cm2. Những giá trị này cho thấy rằng WSS có thể bị ảnh hưởng bởi hình dạng giá đỡ và chỉ thay đổi nhỏ theo vị trí trong Synthecon® STLV. Các nghiên cứu mô phỏng được đề xuất đã chứng minh tính linh hoạt của mô hình CFD trong việc đặc trưng hóa và định lượng các lực tác động đến thiết kế giá đỡ kỹ thuật mô.
Từ khóa
#Bể nuôi cấy tế bào #ứng suất cắt tại thành #hình dạng giá đỡ #động lực học chất lỏng tính toán #mô hình CFD.Tài liệu tham khảo
Begley C. M., Kleis S. J. (2000) The fluid dynamic and shear environment in the NASA/JSC rotating-wall perfused-vessel bioreactor. Biotechnol. Bioeng. 70(1):32–40
Begley C. M., Kleis S. J. (2002) RWPV bioreactor mass transport: earth-based and in microgravity. Biotechnol. Bioeng. 80(4): 465–476
Bettinger C. J., Weinberg E. J., Kulig K. M., Vacanti J. P., Wang Y., Borenstein J. T., Langer R. (2006) Three-dimensional microfluidic tissue-engineering scaffolds using a flexible biodegradable polymer. Adv. Mater. 18(2):165–169
Bilgen B., Sucosky P., Neitzel G. P., Barabino G. A. (2006) Flow characterization of a wavy-walled bioreactor for cartilage tissue engineering. Biotechnol. Bioeng. 95(6):1009–1022
Blackman B. R., Thibault L. E., Barbee K. A. (2000) Selective modulation of endothelial cell [Ca2+]; response to flow by the onset rate of shear stress. J. Biomech. Eng. 122: 274–282
Boschetti F., Raimondi M. T., Migliavacca F., Dubini G. (2006) Prediction of the micro-fluid dynamic environment imposed to three-dimensional engineered cell systems in bioreactors. J. Biomech. 39(3):418–425
Botchwey E. A., Pollack S. R., Levine E. M., Johnston E. D., Laurencin C. T. (2001) Bone tissue engineering in a rotating bioreactor using a microcarrier matrix system. J. Biomed. Mater. Res. 55(2):242–253
Botchwey E. A., Pollack S. R., Levine E. M., Johnston E. D., Laurencin C. T. (2004) Quantitative analysis of three-dimensional fluid flow in rotating bioreactors for tissue engineering. J. Biomed. Mater. Res. A 69(2):205–215
Computational Fluid Dynamics Research Corporation [CFDRC]. Multidisciplinary engineering solutions. CFD-ACE (U) User Manual. Huntsville, 2002, pp. 1–20.
Freed L. E., Langer R., Martin I., Pellis N. R., Vunjak-Novakovic G. (1997) Tissue engineering of cartilage in space. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94: 13885–13890
Freed L. E., Vunjak-Novakovic G. (1995) Cultivation of cell-polymer tissue scaffolds in simulated microgravity. Biotechnol. Bioeng. 46:306–313
Freed L. E., Vunjak-Novakovic G. (1996) Biomedical reactors: mixing patterns in oscillating and rotating vessels. J. Serb. Chem. Soc. 61(4–5):283–295
Gao H., Ayyaswamy P. S., Ducheyne P. (1997) Dynamics of a microcarrier particle in the simulated microgravity environment of a rotating-wall vessel. Microgravity Sci. Technol. 10(3):154–165
Goldstein A. S., Juarez T. M., Helmke C. D., Gustin M. C., Mikos A. G. (2001) Effect of convection on osteoblastic cell growth and function in biodegradable polymer foam scaffolds. Biomaterials 22(11):1279–1288
Hammond T. G., Hammond J. M. (2001) Optimized suspension culture: the rotating-wall vessel. Am. J. Physiol. Renal Physiol. 281: F12–F25
Langer R. (1999) Selected advances in drug delivery and tissue engineering. J. Control Release 62: 7–11
Langer R., Vacanti J. (1993) Tissue engineering. Science 260(5110):920–926
Lanza R. P., Langer R., Vacanti J. (2000) Principles of Tissue Engineering. Academic Press, San Diego, pp. 9–205
Martin I., Wendt D., Heberer M. (2004) The role of bioreactors in tissue engineering. Trends Biotechnol. 22(2):80–86
Neitzel G. P., Nerem R. M., Sambanis A., Smith M. K., Wick T. M., Brown J. B., Hunter C., Jovanovic I., Saini P., Tan S. (1998) Cell function and tissue growth in bioreactors: fluid mechanical and chemical environments. J. Jpn. Soc. Microgr. Appl. 15(Suppl. II):602–607
Obradovic, B., R. L. Carrier, G. Vunjak-Novakovic, L. E. Freed. Gas exchange is essential for bioreactor cultivation of tissue engineered cartilage. Biotechnol. Bioeng. 63(2), 197–205, 1999
Patankar, S. V. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow: Computational Methods in Mechanics and Thermal Science. Hemisphere Publishing Corporation, 1980, pp. 41–153
Patel A., Fine B., Sandig M., Mequanint K. (2006) Elastin biosynthesis: the missing link in tissue-engineered blood vessels. Cardiovasc. Res. 71(1):40–49
Porter B., Zauel R., Stockman H., Guldberg R., Fyhrie D. (2005) 3-D computational modeling of media flow through scaffolds in a perfusion bioreactor. J. Biomech. 39:543–549
Prakash S., Ethier C. R. (2001) Requirements for mesh resolution in 3d computational hemodynamics. J. Biomech. Eng. 123:134–144
Sachlos E., Czermuszka J. T. (2003) Making tissue engineering scaffolds work. Review on the application of solid freeform fabrication technology to the production of tissue engineering scaffolds. Eur. Cell Mater. 5:29–46
Saltzman W. M. (2004) Tissue Engineering, Principles for the Design of Replacements Organs and Tissues. Oxford University Press, New York, pp. 5–67
Shoufeng Y., Leong K. H., Du Z., Chua C. (2001) The design of scaffolds for use in tissue engineering part i traditional factors. Tissue Eng. 7(6):679–687
Shyy J. Y. (2001) Mechanotransduction in endothelial responses to shear stress: review of work in Dr. Chien’s laboratory. Biorheology. 38:109–117
Sucosky P., Osorio D. F., Brown J. B., Neitzel G. P. (2004) Fluid mechanics of a spinner-flask bioreactor. Biotechnol. Bioeng. 85(1):34–46
Vacanti J. P. (2003) Tissue and organ engineering: can we build intestine and vital organs? J. Gastrointest. Surg. 7(7):831–835
White F. M. (1974) Solutions of the Newtonian Viscous-flow Equations. Viscous fluid flow. McGraw-Hill, New York, pp. 110–112
Williams K. A., Saini S., Wick T. M. (2002) Computational fluid dynamics modeling of steady-state momentum and mass transport in a bioreactor for cartilage tissue engineering. Biotechnol. Prog. 18: 951–963