طراحی و تایید یک سیستم کشت سلول پویا برای تحقیقات زیست شناسی استخوان و کاربردهای مهندسی بافت اگزوژن
جریان مایع لاکونوکانالیکولار استخوان انتقال مواد شیمیایی را تضمین کرده و یک تحریک مکانیکی را برای سلولها فراهم می کند. روش های متداول کشت استاتیک  سلول برای مطالعه پیچیدگی های زیست شناسی استخوان غیرمقبول هستند زیرا آنها شبکه های سلولی مفید سه بعدی و سیستم لاکونوکانالیکولار را نادیده می گیرند. علاوه براین، تکیه بر نفوذ به تنها یی برای تامین مواد مغذی و حذف مواد زائد به طور موثری ضخامت داربست را به 2-3 میلی متر محدود می کند. دراین پروژه، یک سیستم جریان خونرسانی ویژه برای غلبه براین محدودیت ها طراحی شده است: داربست های استوانه ای حاوی سلول با 12 یا 24 میلی متر قطر و 1-10 میلی متر ضخامت در هشت اتاقک مناسب قرار می گیرد. این داربست های متخلخل با استفاده ازفرایند microprinting تناوبی سه بعدی ساخته شده و متشکل از هیدروکسی آپاتیت / کلسیم تری فسفات با ضخامت ، اندازه ستون ومنافذ و تنظیمات ساختاری متغیر بودند. یک پمپ چند کاناله پریستالیک محیط را ​​از مخازن موازی بیرون کشیده و با یک سرعت برنامه ریزی شده به داخل هر یک از داربست ها تزریق می کند. دریچه های بسته شده اجازه نمونه گیری و یا تعویض محیط را می دهند​​. یک غشاء  نفوذپذیر به گاز نیز امکان تبادلات گازی را فراهم می کند. لوله ای برای تزریق مداوم پایداربرای بیش از 2 ماه وبدون نشت انتخاب شد. مدل سازی محاسباتی برای ارزیابی کفایت اکسیژن رسانی و طیف فشاربرشی مایع در سیستم بیوراکتور-داربست، با استفاده از داربست 12 × 6 میلی متری انجام شد و این مدل نشان داد که تغییرات در طراحی داربست سبب بهبود اکسیژن رسانی می شود اما فشار برشی فیزیولوژیکی را افزایش می دهد. این سیستم ممکن است درمطالعه زیست شناسی پیچیده سه بعدی استخوان ودراستراتژی های در حال توسعه برای مهندسی ساختارهای استخوانی سه بعدی ضخیم مفید باشد.

J Tissue Eng Regen Med. 2013 Sep 11. doi: 10.1002/term.1810. [Epub ahead of print]

Design and validation of a dynamic cell-culture system for bone biology research and exogenous tissue-engineering applications.

Allori AC, Davidson EH, Reformat DD, Sailon AM, Freeman J, Vaughan A, Wootton D, Clark E, Ricci JL, Warren SM.

Source

Institute of Reconstructive Plastic Surgery, New York University Medical Center, New York, NY, USA; Division of Plastic, Maxillofacial & Oral Surgery, Duke University Hospital, Durham, NC, USA.

Abstract

Bone lacunocanalicular fluid flow ensures chemotransportation and provides a mechanical stimulus to cells. Traditional static cell-culture methods are ill-suited to study the intricacies of bone biology because they ignore the three-dimensionality of meaningful cellular networks and the lacunocanalicular system; furthermore, reliance on diffusion alone for nutrient supply and waste product removal effectively limits scaffolds to 2-3 mm thickness. In this project, a flow-perfusion system was custom-designed to overcome these limitations: eight adaptable chambers housed cylindrical cell-seeded scaffolds measuring 12 or 24 mm in diameter and 1-10 mm in thickness. The porous scaffolds were manufactured using a three-dimensional (3D) periodic microprinting process and were composed of hydroxyapatite/tricalcium phosphate with variable thicknesses, strut sizes, pore sizes and structural configurations. A multi-channel peristaltic pump drew medium from parallel reservoirs and perfused it through each scaffold at a programmable rate. Hermetically sealed valves permitted sampling or replacement of medium. A gas-permeable membrane allowed for gas exchange. Tubing was selected to withstand continuous perfusion for > 2 months without leakage. Computational modelling was performed to assess the adequacy of oxygen supply and the range of fluid shear stress in the bioreactor-scaffold system, using 12 × 6 mm scaffolds, and these models suggested scaffold design modifications that improved oxygen delivery while enhancing physiological shear stress. This system may prove useful in studying complex 3D bone biology and in developing strategies for engineering thick 3D bone constructs. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.

PMID: 24027138