Un bioreattore per coltura cellulare di stimolazione multimodale per ingegneria dei tessuti: un approccio di modellizzazione numerica

Bioreattore per coltura cellulare per ingegneria dei tessuti

Ricercatori statunitensi e portoghesi stanno perfezionando ulteriormente le applicazioni di ingegneria dei tessuti, rilasciando i risultati del loro studio nel recente pubblicato ” Un bioreattore per coltura cellulare di stimolazione multimodale per ingegneria dei tessuti: un approccio di modellizzazione numerica” . Nel creare un nuovo bioreattore per la stampa 3D, gli autori hanno lavorato per promuovere la riproducibilità e l’ottimizzazione, realizzando un design impossibile con le tecniche convenzionali.

Nella maggior parte del bioprinting, le cellule vengono seminate su impalcature – anche la fonte di molti studi, sia per quanto riguarda nuove tecniche , miglioramenti o ingegneria dell’interfaccia – e quindi i ricercatori devono sperare in fattibilità. Promuovere la crescita e la sostenibilità delle cellule è una delle maggiori sfide in ogni tipo di bioprinting e spesso dispositivi come i bioreattori a flusso di perfusione vengono utilizzati per sostituire i terreni di coltura per rimuovere le tossine. In alcuni casi, vengono anche utilizzati per la stimolazione meccanica attraverso lo stress da taglio a flusso di fluido (FFSS). I dispositivi di stimolazione del campo elettrico possono anche essere facilmente utilizzati per incoraggiare le cellule a crescere, maturare e differenziarsi.

Il bioreattore utilizzato qui faceva parte di un precedente studio condotto dagli autori, ma ora aggiornato (utilizzando SOLIDWORKS 2018 Student Edition ) per includere capacità nella stimolazione E-Field e nella stimolazione meccanica del flusso di fluidi. La progettazione 3D è stata eseguita in SOLIDWORKS 2018 Student Edition. La valutazione del nuovo design faceva parte di questo studio, lasciando al team la creazione di un’analisi numerica degli elementi finiti (FEA) del modello.

Con FEA, i ricercatori hanno potuto proiettare le condizioni di input per il bioreattore, migliorando ulteriormente l’efficacia della stimolazione cellulare, determinata da dati in vitro. Complessivamente, i test in vitro possono offrire informazioni “essenziali” per confermare intervalli di stimolazione multimodale, proiettati attraverso studi numerici.

Analisi numerica di elementi finiti (FEA) del progetto di bioreattore proposto con un set di condensatori a piastre parallele per stimolazione elettrica DC con vista laterale e vista dall’alto. Le tre viste superiori rappresentano la sezione superiore ROI (T1), la sezione piano intermedio ROI (T2) e la parte inferiore ROI (T3). (a) Distribuzione del potenziale elettrico prevista nel bioreattore a causa della stimolazione DC. (b) Distribuzione dell’intensità del campo elettronico prevista per le stesse condizioni di stimolazione in corrente continua.

Analisi numerica FEA del progetto di bioreattore proposto per un flusso di perfusione laminare con viste laterale e dall’alto della fetta. Le tre viste superiori rappresentano la sezione superiore ROI (T1), la sezione piano intermedio ROI (T2) e la parte inferiore ROI (T3). (a) Distribuzione della pressione prevista considerando una velocità degli ingressi applicata di 0,003 m / se una pressione di uscita di 0 Pa. (b) Distribuzione della velocità del fluido prevista per le stesse condizioni di ingresso / uscita. La distribuzione della velocità nella sezione del piano centrale della ROI è presentata in modo più dettagliato in un riquadro di visualizzazione superiore a destra del piano della sezione.

“Le condizioni di stimolazione elettrica e meccanica nella regione di interesse (ROI) sono state prese in considerazione per l’ottimizzazione della stimolazione delle cellule ossee, in base ai valori di riferimento ottenuti da due precedenti studi in vitro sulla stimolazione delle cellule ossee, uno applicando la stimolazione meccanica e l’altro usando E Stimolazione del campo “, hanno spiegato gli autori.

Nuovo design del bioreattore: (a) Vista in taglio verticale del design del bioreattore, in cui sono installati gli elettrodi paralleli, gli ingressi superiore e inferiore e i divisori di flusso in ingresso. (b) Vista in taglio orizzontale del design del bioreattore, in cui è possibile osservare il sistema di uscita radiale. Le regioni verdi rappresentano la regione di interesse (ROI) in cui verrà posizionato il ponteggio, rappresentato da un cilindro con 4 mm di altezza e un diametro di 10 mm. (c) Design del bioreattore CAD assemblato in vista frontale, il foro di uscita principale è visibile al centro. (d) Design del bioreattore CAD assemblato in vista laterale, che mostra entrambi i fili del connettore dell’elettrodo (in marrone).

I divisori di flusso sono stati aggiunti tra l’ingresso e l’impalcatura, con conseguente “prevalenza del flusso indiretto”. Gli ingressi e le uscite erano dotati di raccordi per tubi flessibili, che li collegavano alla pompa di perfusione. La camera di coltura cellulare è stata separata in due diverse aree per le colture cellulari e gli esercizi di semina cellulare. I materiali per l’uso nella piattaforma dovevano essere non tossici e adatti secondo gli standard ISO 10993-5.

Maglia volume geometria bioreattore creata utilizzando COMSOL Multiphysics, con 1,9 × 106 elementi e una qualità media degli elementi di 0,65.

“Di conseguenza, nel test di contatto diretto, le cellule coltivate a contatto con tutti i materiali presentavano una normale morfologia dei fibroblasti senza evidenza di alcun effetto di inibizione dell’alone o morte cellulare. Secondo i risultati dei test di citotossicità, tutti i materiali candidati sono adatti per la fabbricazione del nostro bioreattore AM ”, hanno concluso i ricercatori. “Considereremo C8 e PETG come materiali di interesse per la futura realizzazione del design. C8 è un nuovo materiale con buona adesione dello strato e qualità della superficie, caratteristiche fondamentali per il flusso di perfusione. La scheda tecnica del fornitore C8 rivela che questo materiale ha una resistenza alla trazione superiore rispetto all’ABS, con conseguente miglioramento delle caratteristiche meccaniche, che sono importanti per la robustezza complessiva del bioreattore per resistere alla tenuta delle camere a pressione. “

Test di citotossicità con fibroblasto di topo L929 secondo gli standard ISO 10993-5: (a) contatto indiretto (protocollo MTT); (b) contatto diretto (immagini digitali dei campioni di materiale e dei controlli negativi e positivi, terreno di coltura fresco e lattice, rispettivamente). È stato eseguito un ANOVA a senso unico senza correzioni per confronti statistici multipli (test di Fisher) utilizzando GraphPad Prism6.

“Un approccio di modellazione numerica-progettuale sarà essenziale per comprendere gli effetti biofisici sottostanti degli stimoli elettrici e meccanici nelle colture cellulari e può essere un potente strumento per la standardizzazione dei protocolli di stimolazione considerando diversi progetti di bioreattori e risultati specifici di TE”.

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