Blog single photo

تصميم وبناء وتوصيف مفاعلات حيوية حيوية نانوية جديدة لتكوين العظم - Phys.org

تصميم أداة حقن القالب وتحليل ملء القالب باستخدام عمليات المحاكاة قبل التصنيع (أ) تم عرض طريقة عرض انفجرت لأداة العفن مع لوحة الثقافة لتوضيح المكونات الرئيسية لواجهة القالب ونظام الإخراج. (ب) يوضح تحليل ملء القالب الذي يقدر أن يستغرق تجويف جزء في الأداة 3.65 ثانية لملء تماما إعطاء جزء خال من العيوب. الائتمان: التقارير العلمية ، دوي: 10.1038 / s41598-019-49422-4              في الطب التجديدي ، يهدف العلماء إلى تطوير التقنيات التي يمكن أن تتحكم بشكل كبير في الالتزام بسلالة الخلايا الجذعية. على سبيل المثال ، يمكن أن يؤدي التنشيط الميكانيكي للخلايا الجذعية الوسيطة (MSCs) في المقياس النانوي إلى تنشيط مسارات النقل الميكانيكي لتحفيز تكوين العظم (نمو العظام) في ثقافة ثنائية الأبعاد وثلاثية الأبعاد. مثل هذا العمل يمكن أن يحدث ثورة في إجراءات الكسب غير المشروع العظمي عن طريق إنشاء مواد الكسب غير المشروع من مصادر ذاتية المنشأ أو مسببة للانسجة من MSCs دون تحفيز هذه الظاهرة كيميائيا. بسبب الاهتمام الطبي الحيوي المتزايد بمثل هذا التحفيز الميكانيكي للخلايا للاستخدام السريري ، يحتاج كل من الباحثين والأطباء إلى نظام مفاعل حيوي قابل للتطوير لتوفير نتائج قابلة للتكرار باستمرار. في دراسة جديدة نشرت الآن على "التقارير العلمية" ، صمم بول كامبسي وفريق من الباحثين متعددي التخصصات في أقسام الهندسة الطبية الحيوية والحوسبة والفيزياء والبيولوجيا الجزيئية وبيولوجيا الخلايا والأنظمة نظامًا جديدًا للمفاعلات الحيوية لتلبية المتطلبات الحالية.                                                       احتوت الأداة الجديدة على لوحة اهتزاز لعمليات التحلل الحيوي ، تمت معايرتها وتحسينها من أجل اهتزازات النانومتر عند 1 كيلو هرتز ، ووحدة إمداد الطاقة لتوليد سعة اهتزاز تبلغ 30 نانومتر ، بالإضافة إلى أدوات استزراع مخصصة بستة بئر لنمو الخلايا. تحتوي أدوات الاستزراع على إدخالات مغناطيسية لتعلقها على لوحة الاهتزاز المغناطيسية في المفاعل الحيوي. قاموا بتقييم تعبير البروتين العظمي لتأكيد تمايز الخلايا الجذعية الصلبة بعد التجارب البيولوجية الأولية داخل النظام. Campsie et al. أجريت مجهر القوة الذرية (AFM) من هلام 3-D للتحقق من أن سلالة من هلام لم يحدث خلال التحفيز الاهتزاز. أكدت النتائج أن تمايز الخلايا هو نتيجة التحفيزات النانوية للاهتزاز التي يوفرها المفاعل الحيوي وحده. تزايد حالات الإصابات في الهيكل العظمي بسبب الظروف المرتبطة بالعمر مثل هشاشة العظام والتهاب المفاصل العظمي هو مقياس لنوعية الحياة البشرية المستنفدة. يعد تطوير علاجات زيادة كثافة العظام أو التئام الكسور أهدافًا رئيسية للإمكانات التجددية للخلايا الجذعية الوسيطة (MSCs). أظهر الباحثون تكوين العظم الخاضع للرقابة (تطور العظام) من الخلايا الجذعية الصلبة عبر التحفيز الميكانيكي باستخدام عدة طرق ، بما في ذلك الاستراتيجيات السلبية والفعالة. الأساليب السلبية عادةً ما تغير طبوغرافيا الركيزة للتأثير على ملف التصاق الخلية ، في حين أن الطرق النشطة تشمل التعرض لقوى متنوعة من مصادر خارجية.                               تم إجراء تحليل FEA في طاولة عمل ANSYS 17.1 لتحديد الاستجابة التوافقية عند 1؟ كيلو هرتز على ترتيب الصفائح الثلاثة عشر والخامسة عشرة لبيزو. (أ) مخطط من ثلاثة عشر مجموعة بيزو. (ب) رسم بياني مجموعة من خمسة عشر بيزو. (C) التنبؤ النزوح النانومترية من ثلاثة عشر مجموعة بيزو في 1؟ كيلو هرتز. (D) توقع النزوح النانومترية من مجموعة بيزو خمسة عشر في 1؟ كيلو هرتز. الائتمان: التقارير العلمية ، دوي: 10.1038 / s41598-019-49422-4.              العمل الحالي من قبل Campsie وآخرون. تنوي إحراز تقدم في التصميمات الموجودة سابقًا لتكوين العظم الخاضع للرقابة من MSCs لإنشاء نظام متوافق ممارسات التصنيع الجيدة (GMP) المطبق للتجارب السريرية على نطاق صغير. عند البناء ، استخدم الفريق مقياس التداخل بالليزر لقياس النزوح الاهتزازي بدقة من اللوحة العلوية للمفاعل الحيوي وداخل الآبار المستخدمة في أدوات الثقافة للتحقق من صحة المعدات التي طوروها استنادًا إلى نماذج التحليل الأولي المحدود (FEA). استخدم الفريق مولدًا مباشرًا لموجة الموجة الرقمية (DDS) ومرشحًا لإعادة الإعمار لإزالة المكونات عالية التردد لمخرجات DDS وذلك لتوليد خرج موجة جيبية نقي قدره 1 كيلو هرتز من أجل الإهتزازات النانوية الدقيقة.                                                                                      قام فريق البحث بالتحقق من صحة تشغيل نظام المفاعلات الحيوية من خلال إجراء تجارب بيولوجية لتحديد التعبير البروتيني العظمي لمرض التصلب العصبي المتعدد الذي يتعرض للتحفيز النانوي. لقد أجروا قياسات AFM على جل الكولاجين المستخدم في التجارب لتحديد الاهتزازات التي تنتقل من أدوات الزرع إلى الجل. ثم أظهروا أن صلابة الجل لم تزداد بشكل كبير استجابة للاهتزازات النانوية التي حدثت.                               قياسات زاوية ملامسة الماء لأدوات زراعة PP بعد جرعات مختلفة من معالجة البلازما وصور مجهرية لخلايا MG63 (خلايا عظمية المنشأ) على صفائح PP 6 و polystyrene (PS). تظهر قياسات WCA بعد المعالجة بالبلازما (A) أن ما لا يقل عن 30 ثانية مطلوب لتغيير WCA بشكل كبير إلى مستوى من شأنه أن يسمح للخلايا بالالتزام والتكاثر. صور (B) عدم الالتزام بخلايا MG63 على صفيحة PP 6 جيدا قبل معالجة البلازما ، (C) التصاق وانتشار خلايا MG63 على بلازما PP 6 المعالجة بالبلازما ، وخلايا (D) MG63 المستزرعة على مستوى كورنينج PS لوحة 6 جيدا. الائتمان: التقارير العلمية ، دوي: 10.1038 / s41598-019-49422-4.              Campsie et al. شيد المفاعل الحيوي مع خيارات مواد محددة ومرفق للثقافة لتقديم الاهتزازات النانوية الأمثل بين ترددات 1 هرتز و 5 كيلو هرتز. لقد كفلوا أن يكون تردد الرنين للجهاز أعلى بكثير من وتيرة التشغيل لمنع تضخيم الرنين أو التخميد. لتحديد الأبعاد المناسبة للجهاز ، أجرى فريق البحث FEA باستخدام برنامج ANSYS Workbench. ابتكر العلماء المفاعلات الحيوية بطريقة غير مكلفة باستخدام صفائف بيزو 13 إلى 15 لتصنيعها. سمح تصميم المنتج لشرائح بديلة متميزة من الحد الأدنى والحد الأقصى للإزاحة للخلايا لتلقي مستويات غير متناسقة من الاهتزازات في جميع أنحاء الثقافة. قدر الفريق معدل تكرار الرنين الداخلي لمُركِّدات الضغط الكهربائي ومكونات الجهاز الأخرى لفهم تأثيرها على الإعداد التجريبي. ثم قام الفريق البحثي بتعديل كيمياء سطح أدوات الاستنبات البلاستيكية للمساعدة على التصاق الخلايا وانتشارها باستخدام تنشيط سطح البلازما لزيادة الطاقة السطحية للبوليمر. بعد خمس دقائق من العلاج بالبلازما المستندة إلى الهواء ، قاموا بتربية خلايا شبيهة بخلل العظم البشري لمراقبة زيادة ارتباط الخلايا بالبرنامج الموروث. لقد قاموا بقياس زاوية التلامس في الماء من البوليمر لتحديد الطاقة السطحية للتعديل والقدرة على التلاشي السطحي. أظهر العلماء دليلًا على مبدأ تفعيل البلازما لأدوات زراعة البوليمرات وتأثيرها على قابلية التلاشي السطحي لمرفق الخلية الملائم. أنها تهدف إلى مواصلة تطوير الأسطح ثقافة بالمثل لضمان الاستقرار والحياة الرف.                               TOP: لوحة الاهتزاز مفاعل حيوي مع حقن الثقافة PP 6-جيدا مصبوب. (أ) النسخة المحسنة من المفاعل الحيوي لديها قاعدة أخف ، تحمل مقابض ولوح علوي مسطح ، إلى جانب مزود طاقة مصمم لإخراج موجة جيبية تبلغ 1 كيلو هرتز وسعة إزاحة 30 نانومتر. (ب) حقن الثقافة PP مصبوب مع المغناطيس حلقة الفريت halbach المضمنة في قاعدة كل بئر. سمك الإطار وجدران الآبار 1.5 مم. القاع: إعداد قياس التداخل وإشارة الإخراج. (أ) لقياس التشريد النانوي ، يصدر مقياس التداخل حزمة ليزر من رأس الليزر تنعكس مرة أخرى على جهاز الكشف الضوئي (داخل رأس الليزر أيضًا) خارج الكائن الذي يتم قياسه. يسمح تحليل نمط التداخل البصري الناتج بالإزاحة. (ب) مثال على بيانات السلاسل الزمنية المقاسة بواسطة مقياس التداخل. (C) مثال لتحليل FFT على بيانات السلاسل الزمنية. يُرى بوضوح الذروة البالغة 1 كيلو هرتز في المفاعل الحيوي ، وهناك أيضًا قمة كبيرة عند 750 هرتز ، ومع ذلك ، يتم إنتاج هذه الإشارة بواسطة المرآة المرجعية لمقياس التداخل الذي يتم تحريكه باستمرار بتردد ثابت من أجل الحصول على التحكم الإشارات. الائتمان: التقارير العلمية ، دوي: 10.1038 / s41598-019-49422-4.              قام فريق البحث بتحسين تصميم المفاعل الحيوي بشكل كبير في العمل الحالي لتكوين قاعدة أخف مقارنةً بالنموذج الأولي الذي سبق تقديمه. لقد استخدموا مولد التيار الموجي AD9833 لإمداد الطاقة مع ضبط سهل والحفاظ على التصفية المناسبة لاستخلاص إشارة محرك موجة جيبية 1 كيلو هرتز نقية. حصل الباحثون على طيف طاقة للإشارة السابقة والفلترة لتقدير الكثافة الطيفية للقدرة للمولد. لقد تحققوا من نمذجة ومعايرة المفاعل الحيوي باستخدام مقياس التداخل الليزري لتحديد التغيرات النانومترية في الإزاحة. استخدم العلماء شريطًا عاكسًا من المنشور مرتبطًا بالسطح السفلي لكل بئر لقياس أبعاد بئر الثقافة التي كانت مرتبطة مغناطيسيًا بالمفاعل الحيوي. هذه التكنولوجيا لديها نطاق كبير لتوليد مصفوفة ثلاثية الأبعاد من MSCs المصنفة في جل الكولاجين لتشكيل سقالات العظام. على سبيل المثال ، تلقت الخلايا المستزرعة قوة تسارع دورية أثناء الاهتزاز ، والتي عملت على غشاء الخلية والهيكل الخلوي للحث على تكوين العظم. يمكن أن يكون التأثير مرتبطًا أيضًا بالصلابة البيئية داخل وسائط استنبات الخلايا ، مما يؤثر على تمايز الخلايا الجذعية ويحث تكوين العظم في MSCs بدلاً من ذلك. للتمييز بين السبب ، Campsie et al. تستخدم AFM للكشف عن أي تغيير في تصلب بينما هم nanovibrated هلام الكولاجين. لم يلاحظوا آثارًا كبيرة من تصلب الإجهاد داخل الجل ، وحافظ معامل يونغ على قيم المواد الهلامية بالكولاجين الطري ؛ وبالتالي عزو تمايز الخلايا إلى المعايرة النانوية وحدها.



footer
Top