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骨形成のための新しいナノ振動バイオリアクターの設計、構築、および特性評価-Phys.org

製造前のシミュレーションを使用した射出金型ツールの設計と金型充填解析(A)金型インターフェースと射出システムの主要コンポーネントを示すために、培養プレートを備えた金型ツールの分解図を示します。 (B)金型の充填解析を示します。これは、ツールの部品キャビティが完全に充填されて欠陥のない部品になるまでに3.65秒かかると推定しています。クレジット:Scientific Reports、doi:10.1038 / s41598-019-49422-4              再生医療では、科学者は幹細胞系統の関与を制御できる技術を大幅に進歩させることを目指しています。たとえば、ナノスケールでの間葉系幹細胞(MSC)を機械的に刺激すると、メカノトランスダクション経路が活性化され、2次元および3次元培養で骨形成(骨発生)を刺激できます。このような作業は、MSCの自己または同種異系のソースから移植材料を作成することにより、化学的に現象を誘発することなく、骨移植手順に革命をもたらすことができます。このような臨床使用のための細胞の機械的刺激に対する生物医学的関心が高まっているため、研究者と臨床医の両方は、一貫して再現可能な結果を​​提供するためにスケーラブルなバイオリアクターシステムを必要とします。現在、Scientific Reportsで公開されている新しい研究では、Paul Campsieと生物医学工学、コンピューティング、物理学、分子、細胞およびシステム生物学の学際的研究者チームが、既存の要件を満たすために新しいバイオリアクターシステムを設計しました。                                                       新しい機器には、1 kHzのナノメートル振動用に較正および最適化された生体反応用の振動板、30 nmの振動振幅を生成する電源ユニット、および細胞増殖用のカスタム6ウェル培養器具が含まれていました。培養器具には、バイオリアクターの磁気振動プレートに取り付けるための磁気インサートが含まれていました。彼らは、骨形成タンパク質の発現を評価して、システム内での最初の生物学的実験後のMSCの分化を確認しました。 Campsie et al。 3Dゲル構造の原子間力顕微鏡(AFM)を実施して、振動刺激中にゲルのひずみ硬化が発生しなかったことを確認しました。結果は、細胞分化がバイオリアクター単独で提供されるナノ振動刺激の結果であることを確認しました。 骨粗鬆症や変形性関節症などの加齢に伴う状態による骨格損傷の発生率の増加は、人間の生活の質の低下の指標です。骨密度の増加または骨折治癒の治療法の開発は、間葉系幹細胞(MSC)の再生可能性の主要なターゲットです。研究者は、受動的および能動的戦略を含むいくつかの方法を使用した機械的刺激を介したMSCの制御された骨形成(骨の発達)を実証しています。受動的方法は通常、細胞接着プロファイルに影響を与えるために基質のトポグラフィーを変更しますが、能動的方法は外部源からの様々な力への暴露を含みます。                               ANSYSワークベンチ17.1でFEA分析を実行し、13および15個のピエゾアレイ上部プレート配置の1kHzでの高調波応答を決定しました。 (A)13個の圧電アレイの図。 (B)15個の圧電アレイの図。 (C)1kHzでの13個の圧電アレイの予測ナノスケール変位。 (D)1?kHzでの15個のピエゾアレイの予測ナノスケール変位。クレジット:Scientific Reports、doi:10.1038 / s41598-019-49422-4              Campsieらによる現在の研究。小規模臨床試験に適用できる適正製造基準(GMP)互換システムを構築するために、MSCの制御された骨形成のための既存の設計を進めようとしています。構築時に、チームはレーザー干渉法を使用して、バイオリアクターのトッププレートと培養器具に使用されるウェル内の振動変位を正確に測定し、有限要素分析(FEA)モデルに基づいて開発した機器を検証しました。チームは、直接デジタル合成波形(DDS)ジェネレーターと再構成フィルターを使用してDDS出力の高周波成分を除去し、正確なナノバイブレーションのために1 kHZの純粋な正弦波出力を生成しました。                                                                                      研究チームは、ナノ振動刺激にさらされたMSCの骨形成タンパク質発現を定量化する生物学的実験を行うことにより、バイオリアクターシステムの動作を検証しました。彼らは、実験で使用されたコラーゲンゲルのAFM測定を行い、培養器具からゲルに振動が伝わることを確認しました。次に、発生したナノバイブレーションに応答してゲルの剛性が大幅に増加しないことを示しました。                               異なる用量のプラズマ処理後のPP培養器具の水接触角測定と、PPおよびポリスチレン(PS)6ウェルプレート上のMG63細胞(骨形成細胞)の顕微鏡画像。プラズマ処理後のWCA測定のプロット(A)は、細胞が接着および増殖できるレベルまでWCAを大幅に変更するには少なくとも30秒必要であることを示しています。 (B)プラズマ処理前のPP 6ウェルプレート上のMG63細胞の非付着、(C)プラズマ処理PP 6ウェルプレート上のMG63細胞の付着と増殖、および(D)標準で培養したMG63細胞の画像Corning PS 6ウェルプレート。クレジット:Scientific Reports、doi:10.1038 / s41598-019-49422-4              Campsie et al。 1 Hzと5 kHzの周波数間で最適なナノスケール振動を提供するために、特定の材料の選択と培養器具の取り付けでバイオリアクターを構築しました。彼らは、装置の共振周波数が動作周波数よりも十分に高くなるようにし、共振の増幅または減衰を防ぎました。デバイスの適切な寸法を決定するために、研究チームはANSYS Workbenchソフトウェアを使用してFEAを実行しました。科学者は、13〜15個のピエゾアレイを使用してバイオリアクターを安価に作成しました。製品の設計により、細胞が培養器具全体で一貫性のないレベルの振動を受けるために、最小変位と最大変位の明確な交互バンドが可能になりました。チームは、ピエゾアクチュエータおよびその他のデバイスコンポーネントの固有の共振周波数を推定して、実験セットアップへの影響を理解しました。 その後、研究チームは、プラスチック培養器具の表面化学を修正し、プラズマ表面活性化を使用して細胞の接着と増殖を支援し、ポリマーの表面エネルギーを増加させました。 5分間の空気ベースのプラズマ処理の後、彼らは培養骨への細胞付着の増加を観察するために、ヒト骨芽細胞様細胞を培養しました。彼らは、ポリマーの水接触角を測定して、改質の表面エネルギーと表面濡れ性を決定しました。科学者たちは、ポリマー培養器具のプラズマ活性化に関する原理の証明と、良好な細胞接着のための表面湿潤性への影響を実証しました。彼らは、安定性と保存期間を確保するために、同様にカルチャーウェア表面をさらに開発することを目指しました。                               TOP:射出成形PP 6ウェル培養器具を備えたバイオリアクター振動プレート。 (A)バイオリアクターの改良版は、より軽いベース、持ち運び用ハンドル、くぼんだ上部プレート、1?kHzおよび30?nmの変位振幅の正弦波を出力するように設計された電源を備えています。 (B)各ウェルの底部にハルバッハフェライトリングマグネットが組み込まれた射出成形PP培養器具。フレームとウェルの壁の厚さは1.5mmです。 BOTTOM:干渉計測定のセットアップと出力信号。 (A)ナノスケールの変位を測定するために、干渉計はレーザーヘッドからレーザービームを放射します。レーザービームは、測定対象物から光検出器(レーザーヘッド内)に反射されます。生成された光学干渉パターンの分析により、変位を取得できます。 (B)干渉計で測定された時系列データの例。 (C)時系列データのFFT分析の例。バイオリアクターの1kHzピークがはっきりと見え、750Hzにも大きなピークがありますが、この信号は、制御を得るために固定周波数で常に励起される干渉計の参照ミラーによって生成されます信号。クレジット:Scientific Reports、doi:10.1038 / s41598-019-49422-4              研究チームは、今回の研究でバイオリアクターの設計を大幅に改善し、以前に提示したプロトタイプと比較してより軽いベースを形成しました。 AD9833電源波形ジェネレーターを使用して電源を調整し、適切なフィルタリングを維持して、純粋な1 kHz正弦波駆動信号を生成しました。研究者は、ジェネレーターのパワースペクトル密度を推定するために、プリフィルターおよびポストフィルター処理された信号のパワースペクトルを取得しました。彼らは、レーザー干渉計を使用してバイオリアクターのFEAモデリングとキャリブレーションを検証し、ナノスケールの変位の変化を決定しました。科学者は、各ウェルの底面に接着したプリズム反射テープを使用して、バイオリアクターに磁気的に取り付けられた培養器具のウェルの寸法を測定しました。 この技術には、コラーゲンゲルに播種されて骨の足場を形成するMSCから3-Dミネラル化マトリックスを生成する大きな可能性があります。例えば、培養細胞は振動中に周期的な加速力を受け、細胞膜と細胞骨格に作用して骨形成を誘発しました。その効果は、細胞培養培地内の環境の剛性にも関係している可能性があり、代わりに幹細胞分化に影響を与え、MSCに骨形成を誘導します。原因を区別するために、キャンプシー等。 AFMを使用して、コラーゲンゲルをナノ振動させながら剛性の変化を検出しました。彼らはゲル内のひずみ硬化の有意な効果を観察せず、ヤング率は軟質コラーゲンゲルの値を維持しました。したがって、細胞の分化はナノバイブレーションのみに起因します。



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