Diese Studie wird von ZonMw im Rahmen des LSH 2Treat-Programms (436001003) und der Dutch Kidney Foundation (14a2d507) finanziell unterstützt. N.A.K. würdigt die Unterstützung des Europäischen Forschungsrats (851960). Wir danken dem Gravitationsprogramm "Materials Driven Regeneration", das von der niederländischen Organisation für wissenschaftliche Forschung finanziert wird (024.003.013).

Die Autoren haben nichts preiszugeben.

Der hier beschriebene Bioreaktor ermöglicht die systematische Bewertung der Beiträge der einzelnen und kombinierten Wirkungen von Scherstress und zyklischer Dehnung auf Entzündungen und Geweberegeneration in röhrenförmigen resorbierbaren Gerüsten. Dieser Ansatz ermöglicht auch eine Vielzahl von Analysen an vaskulären Konstrukten, wie im Abschnitt "Repräsentative Ergebnisse" veranschaulicht. Diese Ergebnisse zeigen den unverwechselbaren Einfluss der verschiedenen hämodynamischen Belastungsregime (d.h. verschiede...

Kardiovaskuläres Tissue Engineering (TE) wird als alternative Behandlungsoption zu den derzeit verwendeten permanenten Herz-Kreislauf-Prothesen (z.B. Gefäßtransplantate, Herzklappenersatz) verfolgt, die für große Kohorten von Patienten suboptimal sind1,2,3,4. Zu den gefragten Anwendungen gehören Gewebe-Engineering-Gefäßtransplantate (TEVGs)5,6 und Herzklappen (TEHVs)7,8. Meistens verwenden kardiovaskuläre TE-Methoden resorbierbare Biomaterialien (entweder natürliche oder synthetische), die als lehrreiches Gerüst für das neu zu bildende Gewebe dienen. Die Bildung von neuem Gewebe kann entweder vollständig in vitro erfolgen, indem das Gerüst mit Zellen ausgesät und vor der Implantation in einem Bioreaktor (in vitro TE)9,10,11oder direkt in situ, in dem das synthetische Gerüst ohne Vorkultivierung implantiert wird, um die Bildung von neuem Gewebe direkt im Körper (in situ TE) 12 ,13,14zu induzieren . Sowohl bei in vitro als auch bei in situ kardiovaskulären TE-Ansätzen hängt eine erfolgreiche funktionelle Regeneration sowohl von der Immunantwort des Wirts auf das implantierte Konstrukt als auch von der entsprechenden biomechanischen Belastung ab.
Die Bedeutung der biomechanischen Belastung für kardiovaskuläre TE ist anerkannt15. Bei kardiovaskulären Implantaten sind die Zellen, die das Gerüst bevölkern, zyklischen Dehnungs- und Scherspannungen ausgesetzt, die durch die hämodynamische Umgebung entstehen. Zahlreiche Studien haben die stimulierende Wirkung von (zyklischer) Dehnung auf die Bildung von Matrixkomponenten wie Kollagen16 , 17,18,19,Glykosaminoglykanen (GAGs)20und Elastin21,22, durch verschiedene Zelltypen berichtet. Zum Beispiel zeigten Huang et al., dass biaxiale Dehnung die Ablagerung und Organisation von Kollagen und Elastin in in vitro TEVGs erhöhte, indem sie einen vaskulären Bioreaktor23verwendeten. Während der Schwerpunkt typischerweise auf der Dehnung als dominanter Last liegt, verwenden diese Studien oft strömungsgetriebene Bioreaktoren, bei denen die Probe auch dem Scherfluss ausgesetzt ist. Obwohl relativ wenig über den isolierten Einfluss von Scherspannungen auf Gewebebildung und Entzündungen in 3D bekannt ist, liegen einige Daten vor. Zum Beispiel zeigten Hinderer et al. und Eoh et al., dass der Scherfluss neben einer 3D-Gerüstmikrostruktur für die Bildung von reifem Elastin durch menschliche vaskuläre glatte Muskelzellen in einem In-vitro-Modellsystem wichtig ist24,25. Insgesamt veranschaulichen diese Ergebnisse die Relevanz von zyklischer Dehnung und Scherstress für kardiovaskuläre TE.
Eine weitere wichtige Determinante für den Erfolg oder Misserfolg von TE-Implantaten ist die Immunantwort des Wirts auf das implantierte Transplantat26. Dies ist besonders wichtig für materialgetriebene In-situ-TE-Strategien, die tatsächlich auf die akute Entzündungsreaktion auf das Gerüst angewiesen sind, um die nachfolgenden Prozesse des zellulären Zustroms und der endogenen Gewebebildung und -umgestaltung anzukurbeln27. Der Makrophagen ist ein kritischer Initiator der funktionellen Geweberegeneration, was durch mehrere Studien28,29,30gezeigt wurde. Analog zur Wundheilung wird die Regeneration des Gewebes durch parakrine Signalisierung zwischen Makrophagen und gewebeproduzierenden Zellen wie Fibroblasten und Myofibroblastengesteuert 31,32,33. Neben der Koordination neuer Gewebeablagerungen sind Makrophagen an der aktiven Resorption von Fremdgerüstmaterial beteiligt34,35. Als solches wurde die In-vitro-Makrophagenreaktion auf ein Biomaterial als prädiktiver Parameter für den In-vivo-Erfolg von Implantatenidentifiziert 36,37,38.
Die Makrophagenreaktion auf ein implantiertes Gerüst hängt von Gerüstdesignmerkmalen wie Materialzusammensetzung und Mikrostrukturab 35,39,40. Neben den Gerüsteigenschaften wird auch die Makrophagenreaktion auf ein Gerüst und deren Übersprechen mit Myofibroblasten durch hämodynamische Belastungen beeinflusst. Zum Beispiel wurde gezeigt, dass zyklische Dehnung ein wichtiger Modulator des Makrophagenphänotyps41,42,43,44 und der Sekretion von Zytokinen43,44,45,46 in 3D-Elektrosponngerüsten ist. Battiston et al. zeigten unter Verwendung eines Co-Kultursystems aus Makrophagen und vaskulären glatten Muskelzellen, dass das Vorhandensein von Makrophagen zu erhöhten Elastin- und GAGsspiegeln führte und dass moderate Konzentrationen von zyklischer Dehnung (1,07-1,10) die Ablagerung von Kollagen I und Elastinstimulierten 47. In früheren Arbeiten haben wir gezeigt, dass Scherstress eine wichtige Determinante für die Rekrutierung von Monozyten in 3D-Elektrosponngerüste48,49ist und dass sowohl Scherstress als auch zyklische Dehnung die parakrine Signalübertragung zwischen menschlichen Monozyten und mesenchymalen Stromazellenbeeinflussen 50. Fahy et al. zeigten, dass der Scherfluss die Sekretion von entzündungsfördernden Zytokinen durch menschliche Monozyten erhöhte51.
Zusammengenommen zeigen die oben genannten Beweise, dass ein angemessenes Verständnis und eine angemessene Kontrolle der hämodynamischen Belastungen für die kardiovaskuläre TE von entscheidender Bedeutung sind und dass es wichtig ist, die Entzündungsreaktion zu berücksichtigen, um dies zu erreichen. Zahlreiche Bioreaktoren wurden zuvor für die in vitro 52 ,53,54,55,56,57,58 oder ex vivo59,60,61 Kultur von kardiovaskulären Geweben beschrieben. Alle diese Systeme sind jedoch so konzipiert, dass sie die physiologischen hämodynamischen Belastungsbedingungen so weit wie möglich nachahmen. Während dies für die Herstellung von Kardiovaskulärem Gewebe in vitro oder die Aufrechterhaltung von Ex-vivo-Kulturen sehr wertvoll ist, erlauben solche Systeme keine systematischen Untersuchungen der individuellen Auswirkungen einzelner Hinweise. Dies liegt daran, dass die Anwendung sowohl der zyklischen Dehnung als auch der Scherspannung in diesen Bioreaktoren durch die gleiche Druckströmung angetrieben wird, die sie untrennbar verbindet. Während Mikrosysteme, die eine genaue mechanische Manipulation mit mehreren Cues ermöglichen, für 2D-Substrate62 oder 3D-Hydrogel-Setups63,64beschrieben wurden, erlauben solche Setups nicht die Integration von elastomeren 3D-Biomaterialgerüsten.
Hier stellen wir die Anwendung eines röhrenförmigen Bioreaktorsystems vor, das auf einzigartige Weise die Entkopplung von Scherspannung und zyklischer Dehnung ermöglicht und hilft, ihre individuellen und kombinierten Wirkungen mechanistisch zu untersuchen. Dieses System ermöglicht die Prüfung einer Vielzahl von gewebezüchtigten Gefäßtransplantaten (z. B. synthetischer oder natürlicher Ursprung, unterschiedliche Mikroarchitektur, verschiedene Porositäten). Um die Anwendung von Scherspannung und Dehnung effektiv zu entkoppeln, sind die Schlüsselkonzepte, die der Bioreaktor verwendet, (1) die Trennung der Kontrolle von Scherspannung und Dehnung durch verschiedene Pumpensysteme und (2) die Stimulation der Gerüste in einer "Inside-Out" -Weise mit rechnerisch angetriebenen Abmessungen. Die Strömung wird auf der Außenfläche des Rohrgerüsts durch die Verwendung einer Strömungspumpe angewendet, während die umfangsbespannte Dehnung des Gerüsts durch Die Erweiterung eines Silikonrohrs, auf dem das Gerüst durch die Verwendung einer separaten Dehnungspumpe montiert ist, induziert wird. Die Abmessungen des Silikonrohrs und des Glasrohrs, das das Konstrukt enthält, werden sorgfältig ausgewählt und mit Hilfe von strömungsgestützten Simulationen validiert, um sicherzustellen, dass sich die Scherspannung auf dem Gerüst (aufgrund der Strömung) und die Umfangsdehnung (aufgrund der Rohrausdehnung) nicht signifikant beeinflussen. Dieses Inside-Out-Design hat mehrere praktische Gründe. Wenn die Dehnung durch den Luminalflüssigkeitsdruck (ähnlich der physiologischen Belastung) angelegt wird, muss das Probendesign von Natur aus leckagefrei sein. Darüber hinaus würde der druck, der zum Dehnen der Probe erforderlich ist, vollständig durch die Probensteifigkeit bestimmt, die zwischen den Proben und innerhalb einer Probe im Laufe der Zeit variieren kann, was es schwierig macht, die Dehnung zu kontrollieren. Dieser Bioreaktor montiert das Gewebe-Engineered Graft um einen Silikonschlauch und ermöglicht die Anwendung von Wall Shear Stress (WSS) an der Außenwand des Transplantats und druckt das Transplantat von innen. Auf diese Weise können gleiche Belastungsbedingungen zwischen Proben und innerhalb der Proben im Laufe der Zeit sichergestellt werden, und darüber hinaus dürfen die Proben undicht sein, wie es bei porösen Gefäßgerüsten üblich ist19. Dieser Inside-Out-Bioreaktor ist speziell für systematische Studien über die Auswirkungen von Scherung und / oder Dehnung gedacht, anstatt für die Entwicklung eines nativen Blutgefäßes in vitro, für das traditionelle vaskuläre Bioreaktor-Setups besser geeignet sind. Siehe Abbildung 1A–B für die Konstruktionszeichnungen des Bioreaktors und die entsprechende Tabelle 1 für eine funktionale Beschreibung und Begründung hinter den Hauptkomponenten des Bioreaktors.
Der Einsatz des Bioreaktors wird anhand einer Reihe neuerer Studien unserer Gruppe nachgewiesen, in denen wir die individuellen und kombinierten Einflüsse von Scherstress und zyklischer Dehnung auf Entzündung und Gewebebildung in resorbierbaren elektrosponnen Gerüsten für in situ kardiovaskuläres Gewebe untersucht haben19,43,44. Dazu haben wir menschliche Makrophagen und Myofibroblasten entweder in Mono- oder in Kokultur verwendet, um die verschiedenen Phasen der in situ regenerativen Kaskade zu simulieren. Wir haben gezeigt, dass die Zytokinsekretion durch menschliche Makrophagen sowohl durch zyklische Dehnung als auch durch Scherstress deutlich beeinflusst wird, was die Matrixablagerung und -organisation durch menschliche Myofibroblasten in diesen Gerüsten beeinflusst, sowohl über parakrine Signalisierung als auch durch direkten Kontakt19,43,44. Insbesondere zeigten diese Studien, dass bei kombinierter Anwendung von Scherstress und Dehnung die Auswirkungen auf Gewebebildung und Entzündung entweder von einer der beiden Lasten dominiert werden oder synergistische Effekte beider Lasten auftreten. Diese Ergebnisse verdeutlichen die Relevanz der Entkopplung beider Lasten, um den Beitrag der mechanischen Umgebung zu TE-Prozessen besser zu verstehen. Dieses Verständnis kann angewendet werden, um Gerüstkonstruktionsparameter in relevanten hämodynamischen Belastungsregimen systematisch zu optimieren. Darüber hinaus können die mechanistischen Daten aus solchen gut kontrollierten Umgebungen als Input für numerische Modelle dienen, die entwickelt werden, um den Verlauf des In-situ-Gewebeumbaus vorherzusagen, wie kürzlich für TEVGs65 oder TEHVs66berichtet, um die Vorhersagefähigkeit weiter zu verbessern.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr >
			<td >advanced Dulbecco&#8217;s modified EagleMedium (aDMEM)</td>
			<td >Gibco</td>
			<td >12491-015</td>
			<td >cell culture medium for fibroblasts</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Aqua Stabil</td>
			<td >Julabo</td>
			<td >8940012</td>
			<td >prevent microorganism growth in bioreactor-hydraulic reservoir</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Bovine fibrinogen</td>
			<td >Sigma</td>
			<td >F8630</td>
			<td >to prepare fibrinogen gel to seed the cells on the electrospun scaffold</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Bovine thrombin</td>
			<td >Sigma</td>
			<td >T4648</td>
			<td >to prepare fibrinogen gel to seed the cells on the electrospun scaffold</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Centrifuge</td>
			<td >Eppendorf</td>
			<td >5804</td>
			<td >to spin down cells and conditioned medium</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Clamp scissor - &#34;kelly forceps&#34;</td>
			<td >Almedic</td>
			<td >P-422</td>
			<td >clamp the silicone tubing and apply pre-stretch to the scaffold so the scaffold can be sutured into the engraved groove (autoclave at step 1, step 7)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >CO2 cell culture incubators</td>
			<td >Sanyo</td>
			<td >MCO-170AIC-PE</td>
			<td >for cell culturing</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Compressed air reservoir</td>
			<td >Festo</td>
			<td >CRVZS-5</td>
			<td >smoothing air pressure fluctuations and create time delays for pressure build-up</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Custom Matlab script to calculate the maximum stretches</td>
			<td >Matlab</td>
			<td >R2017. The Mathworks, Natick, MA</td>
			<td >calculate the minimum and maximum outer diameter of the electrospun scaffold</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Data acquisition board</td>
			<td >National Instruments</td>
			<td >BNC-2090</td>
			<td >data processing in between amplifier system and computer</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Ethanol</td>
			<td >VWR</td>
			<td >VWRK4096-9005</td>
			<td >to keep sterile working conditions</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Fetal bovine calf serum (FBS)</td>
			<td >Greiner</td>
			<td >758087</td>
			<td >cell culture medium supplement; serum-supplement</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Flow culture chamber compartments, consisting of a pressure conduit with engraved grooves and small holes to apply pressure on silicone tubing, a screw thread, nose cone, top compartment with flow inlet and bottom compartment flow outlet, adapter bushing</td>
			<td >Custom made, Department of Biomedical Engineering, Eindhoven University of Technology</td>
			<td >n.a.</td>
			<td >flow culture chamber compartments (autoclave at step 1, step 7)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Glass Pasteur pipet</td>
			<td >Assistant</td>
			<td >HE40567002</td>
			<td >apply vacuum on electrospun scaffold (autoclave at step 1)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Glass tubes of the flow culture chamber</td>
			<td >Custon made, Equipment &#38; Prototype Center, Eindhoven University of Technology</td>
			<td >n.a.</td>
			<td >part of the flow culture chamber (clean and store in 70% ethanol, at step 1 and 7)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >GlutaMax</td>
			<td >Gibco</td>
			<td >35050061</td>
			<td >cell culture medium amino acid supplement, minimizes ammonia build-up</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >High speed camera</td>
			<td >MotionScope</td>
			<td >M-5</td>
			<td >to monitor the stretch during culture; time-lapse photographs of the scaffolds are captured at a frequency of 30 Hz for 6 sec (i.e. 3 stretch cycles)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >High speed camera lens - Micro-NIKKOR 55mm f/2.8 - lens</td>
			<td >Nikon</td>
			<td >JAA616AB</td>
			<td >to monitor the stretch during culture; time-lapse photographs of the scaffolds are captured at a frequency of 30 Hz for 6 sec (i.e. 3 stretch cycles)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Hose clip</td>
			<td >ibidi GmbH</td>
			<td >10821</td>
			<td >block medium flow (autoclave at step 1, step 7)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Hydraulic reservoir with 8 screw threads for 8 flow culture chambers</td>
			<td >Custom made, Department of Biomedical Engineering, Eindhoven University of Technology</td>
			<td >n.a.</td>
			<td >to apply pressure to the silicone mounted constructs (clean outside with a paper tissue with 70% ethanol, rinse reservoir with 70% ethanol followed by demi water, at step 1 and 7)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Ibidi pump system (8x) including ibidi pump, PumpControl software, fluidic unit, perfusion set (medium tubing), air pressure tubing, drying bottles with orange silica beads</td>
			<td >ibidi GmbH</td>
			<td >10902</td>
			<td >set up used to control the flow in the flow culture chambers. Note 1: the ibidi pumps were modified by the manufacturer to enable 200 mbar capacity. Note 2: can be replaced by pump system of other manufacturer, as long as same flow regimes can be applied.</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Knives (no.10 sterile blades, individual foil pack) and scalpel handle (stainless steel, individually wrapped)</td>
			<td >Swann Morton</td>
			<td >0301; 0933</td>
			<td >to cut the silicone tubing in the correct size for the scaffold and to cut the suture material</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >LabVIEW Software</td>
			<td >National Instruments</td>
			<td >version 2018</td>
			<td >to control the stretch applied to the scaffolds</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Laminar flow biosafety cabinet with UV light</td>
			<td >Labconco</td>
			<td >302310001</td>
			<td >to ensure sterile working conditions. The UV is used to decontaminate everything that cannot be autoclaved, or touched after autoclaving</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Large and small petri dishes</td>
			<td >Greiner</td>
			<td >664-160</td>
			<td >for sterile working conditions</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >L-ascorbic acid 2-phosphate (vitamin C)</td>
			<td >Sigma</td>
			<td >A8960</td>
			<td >cell culture medium supplement, important for collagen production</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >LED light cold source KL2500</td>
			<td >Zeiss</td>
			<td >Schott AG</td>
			<td >to aid in visualization for the time lapse of the scaffolds during monitoring of the stretch</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Luer (female and male) locks and connectors, white luer caps</td>
			<td >ibidi GmbH</td>
			<td >various, see (https://ibidi.com/26-flow-accessories)</td>
			<td >to close or connect parts of the bioreactor and the ibidi pump (autoclave at step 1, step 7)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Measuring amplifier (PICAS)</td>
			<td >PEEKEL instruments B.V.</td>
			<td >n.a.</td>
			<td >to amplify the signal from the pressure sensor and feedback to LabView</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Medium reservoir (large syringes 60 mL) and reservoir holders</td>
			<td >ibidi GmbH</td>
			<td >10974</td>
			<td >medium reservoir (autoclave at step 1, step 7)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Medium tubing with 4.25 mm outer diameter and 1 mm inner diameter</td>
			<td >Rubber BV</td>
			<td >1805</td>
			<td >to allow for a larger flow rate, the ibidi medium tubing with larger diameter is used. Note: the part of medium tubing guided through the fluidic unit valves are the same as the default ibidi medium tubing</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Motion Studio Software</td>
			<td >Idtvision</td>
			<td >2.15.00</td>
			<td >to make the high speed time lapse images for stretch monitoring</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Needle (19G)</td>
			<td >BD Microlance</td>
			<td >301700</td>
			<td >together with thin flexible tubing used to fill the hydraulic reservoir with ultrapure water without adding air bubbles</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Needle driver</td>
			<td >Adson</td>
			<td >2429218</td>
			<td >to handle the needle of the nylon suture through the silicone tube (autoclave at step 1, step 7)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Paper tissues</td>
			<td >Kleenex</td>
			<td >38044001</td>
			<td >for cleaning of the equipment with 70% ethanol</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Parafilm</td>
			<td >Sigma</td>
			<td >P7793-1EA</td>
			<td >quick fix if leakage occurs</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Penicillin/streptomycin (P/S)</td>
			<td >Lonza</td>
			<td >DE17-602E</td>
			<td >cell culture medium supplement; prevent bacterial contamination</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Phosphate Buffered Saline (PBS)</td>
			<td >Sigma</td>
			<td >P4417-100TAB</td>
			<td >for storage and washing steps (autoclave at step 1)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Plastic containers (60 mL) with red screw caps</td>
			<td >Greiner</td>
			<td >206202</td>
			<td >to prepare the fibrinogen solution</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Pneumatic cylinder</td>
			<td >Festo</td>
			<td >AEVC-20-10-I-P</td>
			<td >to actuate the Teflon bellow (clean with a paper tissue with 70% ethanol at step 1 and 7)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Polycaprolactone bisurea (PCL-BU) tubular scaffolds (3 mm inner diameter, 200 &#181;m wall thickness, 20 mm length)</td>
			<td >SyMO-Chem, Eindhoven, The Netherlands</td>
			<td >n.a.</td>
			<td >produced using electrospinning from 15% (w/w) chloroform (Sigma; 372978) polymer solutions. See Van Haaften et al Tissue Engineering Part C (2018) for more details</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Pressure conduit without holes (for static control)</td>
			<td >Custom made, Department of Biomedical Engineering, Eindhoven University of Technology</td>
			<td >n.a.</td>
			<td >to mount electrospun tubes on silicon tubing (autoclave at step 1, step 7)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Pressure sensor and transducer</td>
			<td >BD</td>
			<td >TC-XX and P 10 EZ</td>
			<td >the air pressure going to the pneumatic actuated pump is raised until it reaches the set pressure</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Proportional air pressure control valve and pressure sensor</td>
			<td >Festo</td>
			<td >MPPES-3-1/8-2-010, 159596</td>
			<td >provides compressed air to the pneumatic actuated pump</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Roswell Park Memorial Institute 1640 (RPMI-1640)</td>
			<td >Gibco</td>
			<td >A1049101</td>
			<td >cell culture medium for monocyte/macrophage</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Safe lock Eppendorf tubes (1.5 mL)</td>
			<td >Eppendorf</td>
			<td >30120086</td>
			<td >multiple applications (autoclave at step 1)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Sodium dodecyl sulfate solution 20%</td>
			<td >Sigma</td>
			<td >5030</td>
			<td >Used to clean materials, at a concentration of 0.1%.&#160;&#160;</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Silicone O-rings</td>
			<td >Technirub</td>
			<td >1250S</td>
			<td >to prevent leakage (autoclave at step 1, step 7)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Silicone tubing (2.8 mm outer diameter, 400 um wall thickness)</td>
			<td >Rubber BV</td>
			<td >1805</td>
			<td >to mount the electrospun tubes on the pressure conduits (autoclave at step 1)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Sterile tube (15 mL)</td>
			<td >Falcon</td>
			<td >352095</td>
			<td >multiple applications</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Suture, 5-0 prolene with pre-attached taper point needle</td>
			<td >Ethicon, Johnson&#38;Johnson</td>
			<td >EH7404H</td>
			<td >Prolene suture wire 5-0 (75cm length, TF taper point needle, 1/2 circle, 13 mm needle length)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Syringe (24 mL)</td>
			<td >B. Braun Melsungen AG</td>
			<td >2057932</td>
			<td >to add the ultrapure water or medium to the hydraulic reservoir or flow culture chamber</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Syringe filter (0.2 &#181;m)</td>
			<td >Satorius</td>
			<td >17597-K</td>
			<td >to filter the fibrinogen solution</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >T150 cell culture flask with filter cap</td>
			<td >Nunc</td>
			<td >178983</td>
			<td >to degas culture medium</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >T75 Cell culture flask with filter cap</td>
			<td >Nunc</td>
			<td >156499</td>
			<td >to culture static control samples</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Teflon bellow</td>
			<td >Custom made, Department of Biomedical Engineering, Eindhoven University of Technology</td>
			<td >n.a.</td>
			<td >to load the hydraulic reservoir (clean outside with a paper tissue with 70% ethanol at step 1 and 7)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Tray (stainless steel)</td>
			<td >PolarWare</td>
			<td >15-248</td>
			<td >for easy transport of the fluidic culture chambers and the bioreactor from incubator to laminar flow cabinet and back (clean with a paper tissue with 70% ethanol before and after use)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Tweezers</td>
			<td >Wironit</td>
			<td >4910</td>
			<td >sterile handling of individual parts (autoclave at step 1 and 7)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Ultrapure water</td>
			<td >Stakpure</td>
			<td >Omniapure UV 18200002</td>
			<td >to correct for medium evaporation, mixed with aqua stabil mixed and used as hydraulic fluid. (autoclave ultrapure water at step 1)</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >UV light</td>
			<td >Philips</td>
			<td >TUV 30W/G30 T8</td>
			<td >for decontamination of grafts and bioreactor parts before seeding</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a multi-cue bioreactor to evaluate the inflammatory and regenerative capacity of biomaterials under flow and stretch

Die Verwendung resorbierbarer Biomaterialien zur Induktion der Regeneration direkt im Körper ist aus translationaler Sicht eine attraktive Strategie. Solche Materialien induzieren bei der Implantation eine Entzündungsreaktion, die der Treiber für die anschließende Resorption des Materials und die Regeneration von neuem Gewebe ist. Diese Strategie, auch bekannt als In-situ-Gewebe-Engineering, wird verfolgt, um kardiovaskulären Ersatz wie Gewebe-Engineering-Gefäßtransplantate zu erhalten. Sowohl der entzündungsbedingte als auch der regenerative Prozess wird durch die lokalen biomechanischen Hinweise auf dem Gerüst (d.h. Dehnungs- und Scherstress) bestimmt. Hier beschreiben wir detailliert den Einsatz eines speziell entwickelten Bioreaktors, der auf einzigartige Weise die Entkopplung von Dehnungs- und Scherspannung an einem Rohrgerüst ermöglicht. Dies ermöglicht die systematische und standardisierte Bewertung der Entzündungs- und Regenerationsfähigkeit von Rohrgerüsten unter dem Einfluss gut kontrollierter mechanischer Belastungen, die wir anhand eines dynamischen Kokulturexperiments mit menschlichen Makrophagen und Myofibroblasten demonstrieren. Die wichtigsten praktischen Schritte in diesem Ansatz – der Bau und die Einrichtung des Bioreaktors, die Vorbereitung der Gerüste und die Zellaussaat, die Anwendung und Aufrechterhaltung des Stretch- und Scherflusses sowie die Probenernte für die Analyse – werden ausführlich diskutiert.

Dieser Bioreaktor wurde entwickelt, um die individuellen und kombinierten Auswirkungen von Scherstress und zyklischer Dehnung auf das Wachstum und den Umbau von Gefäßgewebe in 3D-Biomaterialgerüsten zu untersuchen. Das Design des Bioreaktors ermöglicht die Kultivierung von bis zu acht Gefäßkonstrukten unter verschiedenen Belastungsbedingungen (Abbildung 1A). Die Gefäßkonstrukte sind in einer Strömungskulturkammer (Abbildung 1B) positioniert, in der sowo...

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A Multi-Cue Bioreactor to Evaluate the Inflammatory and Regenerative Capacity of Biomaterials under Flow and Stretch

Das Ziel dieses Protokolls ist es, eine dynamische Kokultur von menschlichen Makrophagen und Myofibroblasten in röhrenförmigen elektrogesponnenen Gerüsten durchzuführen, um die materialgetriebene Geweberegeneration mit einem Bioreaktor zu untersuchen, der die Entkopplung von Scherspannung und zyklischer Dehnung ermöglicht.

Ein Multi-Cue-Bioreaktor zur Bewertung der entzündlichen und regenerativen Kapazität von Biomaterialien unter Strömung und Dehnung

The use of resorbable biomaterials to induce regeneration directly in the body is an attractive strategy from a translational perspective. Such materials ...

a-multi-cue-bioreactor-to-evaluate-inflammatory-regenerative-capacity

Research

JoVE Journal

Engineering

5.4K Aufrufe.  Eindhoven University of Technology. Das Ziel dieses Protokolls ist es, eine dynamische Kokultur von menschlichen Makrophagen und Myofibroblasten in röhrenförmigen elektrogesponnenen Gerüsten durchzuführen, um die materialgetriebene Geweberegeneration mit einem Bioreaktor zu untersuchen, der die Entkopplung von Scherspannung und zyklischer Dehnung ermöglicht.

Serie: A Multi-Cue Bioreactor to Evaluate the Inflammatory and Regenerative Capacity of Biomaterials under Flow and Stretch

Measuring Material Microstructure Under Flow Using 1-2 Plane Flow-Small Angle Neutron Scattering

A new small-angle neutron scattering (SANS) sample environment optimized for studying the microstructure of complex fluids under simple shear flow is presented. The SANS shear cell consists of a concentric cylinder Couette geometry that is sealed and rotating about a horizontal axis so that the vorticity direction of the flow field is aligned with the neutron beam enabling scattering from the 1-2 plane of shear (velocity-velocity gradient, respectively). This approach is an advance over previous shear cell sample environments as there is a strong coupling between the bulk rheology and microstructural features in the 1-2 plane of shear. Flow-instabilities, such as shear banding, can also be studied by spatially resolved measurements. This is accomplished in this sample environment by using a narrow aperture for the neutron beam and scanning along the velocity gradient direction. Time resolved experiments, such as flow start-ups and large amplitude oscillatory shear flow are also possible by synchronization of the shear motion and time-resolved detection of scattered neutrons. Representative results using the methods outlined here demonstrate the useful nature of spatial resolution for measuring the microstructure of a wormlike micelle solution that exhibits shear banding, a phenomenon that can only be investigated by resolving the structure along the velocity gradient direction. Finally, potential improvements to the current design are discussed along with suggestions for supplementary experiments as motivation for future experiments on a broad range of complex fluids in a variety of shear motions.

A shear cell is developed for small-angle neutron scattering measurements in the velocity-velocity gradient plane of shear and is used to characterize complex fluids. Spatially resolved measurements in the velocity gradient direction are possible for studying shear-banding materials. Applications include investigations of colloidal dispersions, polymer solutions, and self-assembled structures.

Messwerkstoffgefüge unter Verwendung von Fluss 1-2 Flugzeug Flussneutronenkleinwinkelstreuung

A new small-angle neutron scattering (SANS) sample environment optimized for studying the microstructure of complex fluids under simple shear flow is ...

Forschung

Ingenieurwesen

A Testing Platform for Durability Studies of Polymers and Fiber-reinforced Polymer Composites under Concurrent Hygrothermo-mechanical Stimuli

The durability of polymers and fiber-reinforced polymer composites under service condition is a critical aspect to be addressed for their robust designs and condition-based maintenance. These materials are adopted in a wide range of engineering applications, from aircraft and ship structures, to bridges, wind turbine blades, biomaterials and biomedical implants. Polymers are viscoelastic materials, and their response may be highly nonlinear and thus make it challenging to predict and monitor their in-service performance. The laboratory-scale testing platform presented herein assists the investigation of the influence of concurrent mechanical loadings and environmental conditions on these materials. The platform was designed to be low-cost and user-friendly. Its chemically resistant materials make the platform adaptable to studies of chemical degradation due to in-service exposure to fluids. An example of experiment was conducted at RT on closed-cell polyurethane foam samples loaded with a weight corresponding to ~50% of their ultimate static and dry load. Results show that the testing apparatus is appropriate for these studies. Results also highlight the larger vulnerability of the polymer under concurrent loading, based on the higher mid-point displacements and lower residual failure loads. Recommendations are made for additional improvements to the testing apparatus.

The durability of polymers and fiber-reinforced polymer composites in service is a critical aspect for their designs and condition-based maintenance. We present a novel low-cost laboratory testing platform for the investigation of the influence of concurrent mechanical and environmental loadings, and may help design more efficient yet safer composite structures.

Eine Testplattform in Haltbarkeit Studien von Polymeren und faserverstärkten Polymerverbundwerkstoffe unter Concurrent Hygrothermogeber mechanischen Stimuli

The durability of polymers and fiber-reinforced polymer composites under service condition is a critical aspect to be addressed for their robust designs ...

Experimental Protocol to Investigate Particle Aerosolization of a Product Under Abrasion and Under Environmental Weathering

The present article presents an experimental protocol to investigate particle aerosolization of a product under abrasion and under environmental weathering, which is a fundamental element to the approach of nanosafety-by-design of nanostructured products for their durable development. This approach is basically a preemptive one in which the focus is put on minimizing the emission of engineered nanomaterials' aerosols during the usage phase of the product's life cycle. This can be attained by altering its material properties during its design phase without compromising with any of its added benefits. In this article, an experimental protocol is presented to investigate the nanosafety-by-design of three commercial nanostructured products with respect to their mechanical solicitation and environmental weathering. The means chosen for applying the mechanical solicitation is an abrasion process and for the environmental weathering, it is an accelerated UV exposure in the presence of humidity and heat. The eventual emission of engineered nanomaterials is studied in terms of their number concentration, size distribution, morphology and chemical composition. The purpose of the protocol is to study the emission for test samples and experimental conditions which are corresponding to real life situations. It was found that the application of the mechanical stresses alone emits the engineered nanomaterials' aerosols in which the engineered nanomaterial is always embedded inside the product matrix, thus, a representative product element. In such a case, the emitted aerosols comprise of both nanoparticles as well as microparticles. But if the mechanical stresses are coupled with the environmental weathering, the experimental protocol reveals then the eventual deterioration of the product, after a certain weathering duration, may lead to the emission of the free engineered nanomaterial aerosols too.

In this article, an experimental protocol to investigate particle aerosolization of a product under abrasion and under environmental weathering is presented. Results on the emission of engineered nanomaterials, in the form of aerosols are presented. The specific experimental set-up is described in detail.

Versuchsprotokoll Particle Aerosolisierung eines Produktes unter Abrieb und unter Umwelt Verwitterung zur Untersuchung

The present article presents an experimental protocol to investigate particle aerosolization of a product under abrasion and under environmental ...

Design and Use of a Full Flow Sampling System (FFS) for the Quantification of Methane Emissions

The use of natural gas continues to grow with increased discovery and production of unconventional shale resources. At the same time, the natural gas industry faces continued scrutiny for methane emissions from across the supply chain, due to methane&#39;s relatively high global warming potential (25-84x that of carbon dioxide, according to the Energy Information Administration). Currently, a variety of techniques of varied uncertainties exists to measure or estimate methane emissions from components or facilities. Currently, only one commercial system is available for quantification of component level emissions and recent reports have highlighted its weaknesses.
In order to improve accuracy and increase measurement flexibility, we have designed, developed, and implemented a novel full flow sampling system (FFS) for quantification of methane emissions and greenhouse gases based on transportation emissions measurement principles. The FFS is a modular system that consists of an explosive-proof blower(s), mass airflow sensor(s) (MAF), thermocouple, sample probe, constant volume sampling pump, laser based greenhouse gas sensor, data acquisition device, and analysis software. Dependent upon the blower and hose configuration employed, the current FFS is able to achieve a flow rate ranging from 40 to 1,500 standard cubic feet per minute (SCFM). Utilization of laser-based sensors mitigates interference from higher hydrocarbons (C2+). Co-measurement of water vapor allows for humidity correction. The system is portable, with multiple configurations for a variety of applications ranging from being carried by a person to being mounted in a hand drawn cart, on-road vehicle bed, or from the bed of utility terrain vehicles (UTVs). The FFS is able to quantify methane emission rates with a relative uncertainty of &#177; 4.4%. The FFS has proven, real world operation for the quantification of methane emissions occurring in conventional and remote facilities.

Design and Use of a Full Flow Sampling System FFS for the Quantification of Methane Emissions

We have designed, developed, and implemented a novel full flow sampling system (FFS) for quantification of methane emissions and greenhouse gases from across the natural gas supply chain.

Design und die Verwendung eines Vollstrom-Probenahmesystem (FFS) für die Quantifizierung von Methanemissionen

The use of natural gas continues to grow with increased discovery and production of unconventional shale resources. At the same time, the natural gas ...

A Robotic Platform to Study the Foreflipper of the California Sea Lion

The California sea lion (Zalophus californianus), is an agile and powerful swimmer. Unlike many successful swimmers (dolphins, tuna), they generate most of their thrust with their large foreflippers. This protocol describes a robotic platform designed to study the hydrodynamic performance of the swimming California sea lion (Zalophus californianus). The robot is a model of the animal&#39;s foreflipper that is actuated by motors to replicate the motion of its propulsive stroke (the &#39;clap&#39;). The kinematics of the sea lion&#39;s propulsive stroke are extracted from video data of unmarked, non-research sea lions at the Smithsonian Zoological Park (SNZ). Those data form the basis of the actuation motion of the robotic flipper presented here. The geometry of the robotic flipper is based a on high-resolution laser scan of a foreflipper of an adult female sea lion, scaled to about 60% of the full-scale flipper. The articulated model has three joints, mimicking the elbow, wrist and knuckle joint of the sea lion foreflipper. The robotic platform matches dynamics properties&#8212;Reynolds number and tip speed&#8212;of the animal when accelerating from rest. The robotic flipper can be used to determine the performance (forces and torques) and resulting flowfields.

A robotic platform is described that will be used to study the hydrodynamic performance&#8212;forces and flowfields&#8212;of the swimming California sea lion. The robot is a model of the animal&#39;s foreflipper that is actuated by motors to replicate the motion of its propulsive stroke (the &#39;clap&#39;).

Ein Roboter-Plattform die Foreflipper des California Sea Lion zu studieren

The California sea lion (Zalophus californianus), is an agile and powerful swimmer. Unlike many successful swimmers (dolphins, tuna), they generate most ...

Solvent Bonding for Fabrication of PMMA and COP Microfluidic Devices

Thermoplastic microfluidic devices offer many advantages over those made from silicone elastomers, but bonding procedures must be developed for each thermoplastic of interest. Solvent bonding is a simple and versatile method that can be used to fabricate devices from a variety of plastics. An appropriate solvent is added between two device layers to be bonded, and heat and pressure are applied to the device to facilitate the bonding. By using an appropriate combination of solvent, plastic, heat, and pressure, the device can be sealed with a high quality bond, characterized as having high bond coverage, bond strength, optical clarity, durability over time, and low deformation or damage to microfeature geometry. We describe the procedure for bonding devices made from two popular thermoplastics, poly(methyl-methacrylate) (PMMA), and cyclo-olefin polymer (COP), as well as a variety of methods to characterize the quality of the resulting bonds, and strategies to troubleshoot low quality bonds. These methods can be used to develop new solvent bonding protocols for other plastic-solvent systems.

Solvent bonding is a simple and versatile method for fabricating thermoplastic microfluidic devices with high quality bonds. We describe a protocol to achieve strong, optically clear bonds in PMMA and COP microfluidic devices that preserve microfeature details, by a judicious combination of pressure, temperature, an appropriate solvent, and device geometry.

Lösungsmittelbindung für die Herstellung von PMMA und COP Mikrofluidiksysteme

Thermoplastic microfluidic devices offer many advantages over those made from silicone elastomers, but bonding procedures must be developed for each ...

In Situ Visualization of the Phase Behavior of Oil Samples Under Refinery Process Conditions

To help address production issues in refineries caused by the fouling of process units and lines, we have developed a setup as well as a method to visualize the behavior of petroleum samples under process conditions. The experimental setup relies on a custom-built micro-reactor fitted with a sapphire window at the bottom, which is placed over the objective of an inverted microscope equipped with a cross-polarizer module. Using reflection microscopy enables the visualization of opaque samples, such as petroleum vacuum residues, or asphaltenes. The combination of the sapphire window from the micro-reactor with the cross-polarizer module of the microscope on the light path allows high-contrast imaging of isotropic and anisotropic media. While observations are carried out, the micro-reactor can be heated to the temperature range of cracking reactions (up to 450 &#176;C), can be subjected to H2 pressure relevant to hydroconversion reactions (up to 16 MPa), and can stir the sample by magnetic coupling. 
Observations are typically carried out by taking snapshots of the sample under cross-polarized light at regular time intervals. Image analyses may not only provide information on the temperature, pressure, and reactive conditions yielding phase separation, but may also give an estimate of the evolution of the chemical (absorption/reflection spectra) and physical (refractive index) properties of the sample before the onset of phase separation.

In Situ Visualization of the Phase Behavior of Oil Samples Under Refinery Process Conditions

This article describes a setup and method for the in situ visualization of oil samples under a variety of temperature and pressure conditions that aim to emulate refining and upgrading processes. It is primarily used for studying isotropic and anisotropic media involved in the fouling behavior of petroleum feeds.

In Situ Visualisierung der Phasenverhalten von Ölproben Unter Raffinerie Prozessbedingungen

To help address production issues in refineries caused by the fouling of process units and lines, we have developed a setup as well as a method to ...

Scanning Light Scattering Profiler (SLPS) Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

The scanning light scattering profiler (SLSP) methodology has been developed for the full-angle quantitative evaluation of forward and backward light scattering from intraocular lenses (IOLs) using goniophotometer principles. This protocol describes the SLSP platform and how it employs a 360&#176; rotational photodetector sensor that is scanned around an IOL sample while recording the intensity and location of scattered light as it passes through the IOL medium. The SLSP platform can be used to predict, non-clinically, the propensity for current and novel IOL designs and materials to induce light scatter. Non-clinical evaluation of light scattering properties of IOLs can significantly reduce the number of patient complaints related to unwanted glare, glistening, optical defects, poor image quality, and other phenomena associated with the unintended light scattering. Future studies should be conducted to correlate SLSP data with clinical results to help identify which measured light scatter is most problematic for patients that have undergone cataract surgery subsequent to IOL implantation.

Scanning Light Scattering Profiler SLPS Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

This protocol describes the scanning light scattering profiler (SLSP) that enables the full-angle quantitative evaluation of forward and backward scattering of light from intraocular lenses (IOLs) using goniophotometer principles.

Scanning Light Scattering Profiler (SLPS) basierte Methodik zur quantitativen Bewertung von Vorwärts- und Rücklichtlichtstreuung aus Intraokularlinsen

The scanning light scattering profiler (SLSP) methodology has been developed for the full-angle quantitative evaluation of forward and backward light ...

A Novel Biaxial Testing Apparatus for the Determination of Forming Limit under Hot Stamping Conditions

The hot stamping and cold die quenching process is increasingly used to form complex shaped structural components of sheet metals. Conventional experimental approaches, such as out-of-plane and in-plane tests, are not applicable to the determination of forming limits when heating and rapid cooling processes are introduced prior to forming for tests conducted under hot stamping conditions. A novel in-plane biaxial testing system was designed and used for the determination of forming limits of sheet metals at various strain paths, temperatures, and strain rates after heating and cooling processes in a resistance heating uniaxial testing machine. The core part of the biaxial testing system is a biaxial apparatus, which transfers a uniaxial force provided by the uniaxial testing machine to a biaxial force. One type of cruciform specimen was designed and verified for the formability test of aluminum alloy 6082 using the proposed biaxial testing system. The digital image correlation (DIC) system with a high-speed camera was used for taking strain measurements of a specimen during a deformation. The aim of proposing this biaxial testing system is to enable the forming limits of an alloy to be determined at various temperatures and strain rates under hot stamping conditions.

This protocol proposes a novel biaxial testing system used on a resistance heating uniaxial tensile test machine in order to determine the forming limit diagram (FLD) of sheet metals under hot stamping conditions.

A Novel Biaxial Testvorrichtung für die Bestimmung der Grenzformänderung unter Hot Stamping Bedingungen

The hot stamping and cold die quenching process is increasingly used to form complex shaped structural components of sheet metals. Conventional ...

Microfluidic Imaging Flow Cytometry by Asymmetric-detection Time-stretch Optical Microscopy (ATOM)

Scaling the number of measurable parameters, which allows for multidimensional data analysis and thus higher-confidence statistical results, has been the main trend in the advanced development of flow cytometry. Notably, adding high-resolution imaging capabilities allows for the complex morphological analysis of cellular/sub-cellular structures. This is not possible with standard flow cytometers. However, it is valuable for advancing our knowledge of cellular functions and can benefit life science research, clinical diagnostics, and environmental monitoring. Incorporating imaging capabilities into flow cytometry compromises the assay throughput, primarily due to the limitations on speed and sensitivity in the camera technologies. To overcome this speed or throughput challenge facing imaging flow cytometry while preserving the image quality, asymmetric-detection time-stretch optical microscopy (ATOM) has been demonstrated to enable high-contrast, single-cell imaging with sub-cellular resolution, at an imaging throughput as high as 100,000 cells/s. Based on the imaging concept of conventional time-stretch imaging, which relies on all-optical image encoding and retrieval through the use of ultrafast broadband laser pulses, ATOM further advances imaging performance by enhancing the image contrast of unlabeled/unstained cells. This is achieved by accessing the phase-gradient information of the cells, which is spectrally encoded into single-shot broadband pulses. Hence, ATOM is particularly advantageous in high-throughput measurements of single-cell morphology and texture &#8211; information indicative of cell types, states, and even functions. Ultimately, this could become a powerful imaging flow cytometry platform for the biophysical phenotyping of cells, complementing the current state-of-the-art biochemical-marker-based cellular assay. This work describes a protocol to establish the key modules of an ATOM system (from optical frontend to data processing and visualization backend), as well as the workflow of imaging flow cytometry based on ATOM, using human cells and micro-algae as the examples.

Microfluidic Imaging Flow Cytometry by Asymmetric-detection Time-stretch Optical Microscopy ATOM

This protocol describes the implementation of an asymmetric-detection time-stretch optical microscopy system for single-cell imaging in ultrafast microfluidic flow and its applications in imaging flow cytometry.

Mikrofluidische Imaging-Durchflusszytometrie durch asymmetrische Detektion Zeitstreck-Optische Mikroskopie (ATOM)

Scaling the number of measurable parameters, which allows for multidimensional data analysis and thus higher-confidence statistical results, has been the ...