Yazarlar mali destek (No 13.236,1 PFFLI-LS) Teknoloji ve Yenilik (CTI, İsviçre) için Komisyonu&#39;na teşekkür etmek istiyorum.

araştırmalar 2 bar yapılacak basınç kadar düşer min -1 ve 60 L kadar akış hızlarında mekanik stres deneyleri sağlayan borulu pompa kurulum (Figu 2 re) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Şekil l&#39;de gösterildiği gibi, U 2 deney düzeneği depolama haznesinin, pompa devresi, ve satır içi endoskopi tekniği donanımları oluşan, yeniden. Depolama kabının pervane, sadece yüzey aktif madde karışımı için kullanılmıştır. Periferik elemanlar farklı pompa ayarlarında akış hızı v ve basınç düşüşü s izlemek için kapalı döngü içine entegre edildi. araştırmalar el çarkı vanası kullanılarak değiştirildi. 1. Deney Düzeneği <ol><li> Biyoreaktör (D = 0.15 m, H / D = 2.2) yüzeyaktif maddeler feshine bir pervane ile donatılmış olduğundan emin olunnt ve giriş borusu gaz girişini önlemek için sıvı içine dips emin olun. </li><li> Bir şırınga portu, incelenen pompa, bir kelepçeli debimetre, tek kullanımlık basınç sensörü ve bir el çarkı valfli pompa döngü donatın. Depolama kabına pompa döngü bağlantısından sonra, motora pompa kafasını bağlamak ve endoskop probu hazırlar. </li><li> Prob ucunda, değişken yansıma düzlemi, bu durumda bir rodyum ayna monte ve 150 mikron ayna ve mercek arasındaki mesafeyi ayarlamak. Objektif netliğini odaklanmak 100 um vidayı ayarlayın. </li><li> Fiber optik kablo ve bir Ethernet kablosu ile bilgisayara endoskop kamera ile stroboscope prob bağlayın. Sonra, bir tetikleyici kutusu kablosu ile birlikte kamera ve stroboskop bağlayın. </li><li> Bilgisayarı başlatın ve bir görüntü elde etme ve tanıma yazılımı, yanı sıra sonuç analizörü yazılımı içerir üretici tarafından sağlanan yazılım, açın. </li><li> Ana menüde görüntü elde etme yazılımı seçin. </li><li> Düğmesinin kamerayı tespit etmek için ekranın sol üst köşesindeki &quot;cihazı Algılama&quot; düğmesine tıklayın. </li><li> &quot;Dizin Ayarları&quot; altında görüntüleri kaydetmek için bilgisayarda konumunu seçin ve komut &quot;tetik alt klasörler oluşturma&quot; etkinleştirin. </li><li> Bölümünde proses parametrelerini girin &quot;Tetik modu: Hazır&quot;. Frame rate: 7.5 Hz Tetik başına Çerçeveler: 50 Tetikleyiciler sayısı: 60 Tetik aralığı: 60 saniye </li><li> Tüm hazırlık çalışmalarının tamamlanmasından sonra, depolama kabına 5 L deiyonize su dökün ve pompa ve pompa döngü doldurmak için pompa açın. </li><li> Pompayı kapatın ve yüzey 0.9 ml (c yüzey = 0.18 ml L -1, ρ yüzey, 20 ° C = 1,070 kg m -3, kritik misel konsantrasyonu (CMC) ekleyin: ω cmc0; ≈ 0.018 ml L -1, ω yüzey ≈ 10 · karıştırılarak 10 ml pipet) ile CMC ω. 10 dakika sonra, yüzey aktif madde, tamamen çözülür. </li><li> Çarkı kapatın ve pompa açın. Lens giriş borusu altında yer almaktadır böylece endoskop probu yerleştirin. </li><li> 3.4 L dak akış hızı 1 ve pervane hızı ve el çarkı valf değiştirilerek 0.03, 0.3 veya 0.61 bar basınç düşüşü ayarlayın. </li><li> Doğrudan şırınga (β yağ = 1.26 g L -1, ρ yağ, 20 ° C = 989,5 kg m -3) yağ 6.3 gr tartılır. </li><li> Görüntü elde etme yazılımını başlatın ve şırınga port üzerinden yağ ekleyin. çalışan pompa emülsiyon damla dağıtır. </li><li> 1 saat sonra, kayma gerilmesi soruşturma bitirmek ve biyoreaktör yanı sıra satır içi endoskop temizlemeEntegre pompa döngü ile. Daha sonra, bir sonraki pompalama işlemi için deney düzeneği hazırlayabilme. </li></ol> 2. Ölçme ve Görüntü Analizi <ol><li> Ana menüde otomatik görüntü tanıma yazılımını açın. </li><li> &quot;Toplu kök Directory&quot; altında dosyalarını kaydetmek için bilgisayardaki konumunu seçin (tüm * .csv). </li><li> Sütun &quot;Resim Serisi Yolu&quot; seçin ve düğmesine tıklayın görüntü serisi yüklemek için ekranın sol alt köşesinde bulunan &quot;Resim Serisi Alt Klasörleri Ekle&quot;. </li><li> Üretici tarafından sağlanan proses parametrelerini yükleyin. Sütun &quot;Arama Ayarları (* PSS veya auftrag _ *. Mat)&quot; seçin ve açılan tanıma belirtmek amacıyla proses parametrelerini yüklemek için ekranın alt ortasında renkli &quot;Set Arama Ayarları&quot; seçeneğine tıklayın. </li><li> Sütunu seçin &quot;Desen (* .psp veya F _ *. Mat) Arama ve düğmesine tıklayın&quot; Set Arama Desen &quot;Ekranın sağ alt köşesindeki açılan analizini belirlemek amacıyla proses parametrelerini yüklemek için. </li><li> Düğmesi &quot;Başlat Toplu&quot; butonuna tıklayarak görüntü tanıma başlayın. </li><li> Görüntü tanıma tamamlanmasından sonra, Sauter tarafından tespit edilen damla boyutları çap (D 32), ortalama eksprese eden veya herhangi bir başka temsili bir sonuç analiz yazılımı kullanılarak bir değer ya da tercih edilen dağılımı anlamına gelir. </li><li> Ana menüde sonuç analizörü yazılımını açın. </li><li> Komutu &quot;Tüm * .csv 1 Klasör&quot; etkinleştirin ve düğme &quot;Load Klasör (ler)&quot; üzerine tıklayın, ekranın sol üst köşesinde önceden kaydedilmiş tüm * .csv dosyasını yüklemek için. </li><li> Sonuçları görselleştirmek için ekranın üst ortasında açılan listeden (örneğin, Sauter ortalama çapı) ilgili değer seçin. Çapının hesaplanması için üretici tarafından sağlanan sağda, 0,6591 mikron piksel -1 ölçekleme girmek. </li></ol><img alt="Şekil 2," src="/files/ftp_upload/53052/53052fig2.jpg" /> Şekil 2. Deneysel kurulum ölçüm tekniği olarak satır içi endoskopi kullanılarak borulu pompa kurulumu Pompa devresi:. (5) akış sensörü (1) depolama kabı, (2) şırınga portu, (3) pompa, (4) basınç sensörü, ( 6) stroboscope, üretici tarafından sağlanan yazılım ile (7) Bilgisayar ve (8) endoskop probu. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53052/53052fig2highres.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a>

<ol>
	<li>Wollny, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Partikelbeanspruchung in ger&#252;hrten (Bio ) Reaktoren (Experimental and numerical investigations of particle stress in stirred (bio-) reactor). , (2010).</li><li>Jaouen, P., Vandanjon, L., Qu&#233;m&#233;neur, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+shear+stress+of+microalgal+cell+suspension+(Tetraselmis+suecica)+in+tangential+flow+filtration+systems:+the+role+of+pumps.">The shear stress of microalgal cell suspension (Tetraselmis suecica) in tangential flow filtration systems: the role of pumps.</a> Bioresour. Technol. 68 (2), 149-154 (1999).</li><li>Bee, J. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Response+of+a+concentrated+monoclonal+antibody+formulation+to+high+shear.">Response of a concentrated monoclonal antibody formulation to high shear.</a> Biotechnol. Bioeng. 103 (1), 936-943 (2009).</li><li>Klaus, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Bluttraumatisierung bei der Passage zeitkonstanter und zeitvarianter Scherfelder (Blood trauma during passage through steady and transient shear fields). , (2004).</li><li>Blaschczok, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Investigations+on+mechanical+stress+caused+to+CHO+suspension+cells+by+standard+and+single-use+pumps.">Investigations on mechanical stress caused to CHO suspension cells by standard and single-use pumps.</a> Chem. Ing. Tech. 85 (1-2), 144-152 (2012).</li><li>Dittler, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+cost-effective+and+reliable+method+to+predict+mechanical+stress+in+single-use+and+standard+pumps.">A cost-effective and reliable method to predict mechanical stress in single-use and standard pumps.</a> Eng. Life Sci. 14 (3), 311-317 (2014).</li><li>Kaiser, S. C., Eibl, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-use+Pumpen+in+der+Prozesstechnologie+(Single-use+pumps+in+the+process+technology).">Single-use Pumpen in der Prozesstechnologie (Single-use pumps in the process technology).</a> Chemie extra. , 30-31 (2013).</li><li>Aggarwal, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Use+of+a+single-circuit+CentriMag&#174;+for+biventricular+support+in+postpartum+cardiomyopathy.">Use of a single-circuit CentriMag&#174; for biventricular support in postpartum cardiomyopathy.</a> Perfusion. 28 (2), 156-159 (2012).</li><li>Kouretas, P. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experience+with+the+Levitronix+CentriMag&#174;+in+the+pediatric+population+as+a+bridge+to+decision+and+recovery.">Experience with the Levitronix CentriMag&#174; in the pediatric population as a bridge to decision and recovery.</a> Artif. Organs. 33 (11), 1002-1004 (2009).</li><li>Khan, N. U., Al Aloul, M., Shah, R., Yonan, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Early+experience+with+the+Levitronix+CentriMag&#174;+device+for+extra+corporeal+membrane+oxygenation+following+lung+transplantation.">Early experience with the Levitronix CentriMag&#174; device for extra corporeal membrane oxygenation following lung transplantation.</a> Eur. J. of Cardio Thorac. 34 (6), 1262-1264 (2008).</li><li>Zhang, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Computational+and+experimental+evaluation+of+the+fluid+dynamics+and+hemocompatibility+of+the+CentriMag+blood+pump.">Computational and experimental evaluation of the fluid dynamics and hemocompatibility of the CentriMag blood pump.</a> Artif. Organs. 30 (3), 168-177 (2006).</li><li>Maa&#223;, S., Gr&#252;nig, J., Kraume, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+techniques+for+drop+size+distributions+in+stirred+liquid-liquid+systems.">Measurement techniques for drop size distributions in stirred liquid-liquid systems.</a> Chem. Process Eng. 30 (4), 635-651 (2009).</li><li>Maa&#223;, S., Rojahn, J., H&#228;nsch, R., Kraume, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automated+drop+detection+using+image+analysis+for+online+particle+size+monitoring+in+multiphase+systems.">Automated drop detection using image analysis for online particle size monitoring in multiphase systems.</a> Comput. Chem. Eng. 45, 27-37 (2012).</li><li>Maa&#223;, S., Wollny, S., Voigt, A., Kraume, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+comparison+of+measurement+techniques+for+drop+size+distributions+in+liquid/liquid+dispersions.">Experimental comparison of measurement techniques for drop size distributions in liquid/liquid dispersions.</a> Exp. Fluids. 50 (2), 259-269 (2011).</li><li>Henzler, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Particle+Stress+in+Bioreactors.">Particle Stress in Bioreactors.</a> Adv. Biochem. Eng./ Biotechnol. 67, 35-82 (2000).</li><li>Sprow, F. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Drop+size+distributions+in+strongly+coalescing+agitated+liquid-liquid+systems.">Drop size distributions in strongly coalescing agitated liquid-liquid systems.</a> AIChE J. 13 (5), 995-998 (1967).</li><li>Shinnar, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+behaviour+of+liquid+dispersions+in+mixing+vessels.">On the behaviour of liquid dispersions in mixing vessels.</a> J. Fluid Mech. 10 (2), 259-275 (1961).</li><li>Ritter, J., Kraume, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On-line+measurement+technique+for+drop+size+distributions+in+liquid/liquid+systems+at+high+dispersed+phase+fractions.">On-line measurement technique for drop size distributions in liquid/liquid systems at high dispersed phase fractions.</a> Chem. Eng. Technol. 23 (7), 579-581 (2000).</li><li>Fries, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Quantifizierung der mechanischen Beanspruchung von Pumpen auf tierische Zellen mittels des nicht-biologischen Modellsystems Emulsion (Quantification of mechanical stress caused by pumps on mammalian cells using a non-biological emulsion model system). , (2014).</li><li>Maa&#223;, S., Wollny, S., Sperling, R., Kraume, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Numerical+and+experimental+analysis+of+particle+strain+and+breakage+in+turbulent+dispersions.">Numerical and experimental analysis of particle strain and breakage in turbulent dispersions.</a> Chem. Eng. Res. Des. 87 (4), 565-572 (2009).</li><li>Maa&#223;, S., Metz, F., Rehm, T., Kraume, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Prediction+of+drop+sizes+for+liquid/liquid+systems+in+stirred+slim+reactors+-+Part+I:+Single+stage+impellers.">Prediction of drop sizes for liquid/liquid systems in stirred slim reactors - Part I: Single stage impellers.</a> Chem. Eng. 162 (2), 792-801 (2010).</li></ol>

Wolfgang Dornfeld ve Reto schob Levitronix, Ltd., Maglev santrifüj pompaların üreticisi çalışanlarıdır.

Bu protokolün amacı, pompalama süreçlerinde damla boyutu ölçümleri için satır içi endoskopi tekniği uygunluğunu göstermektir. Bu amaçla, tespit edilmiştir, bir yağ-su emülsiyonu sisteminin boyutlarını açılan ve ölçülü bir Sauter ortalama çapı Maglev santrifüj mekanik stres, meslektaşları, peristaltik ve 4-pistonlu diyafram pompası gibi pompalar karakterize etmek için hesaplandı. Sonuçlar ölçülen Sauter düşük varyasyon güvenilir ve doğru ölçülmüş olması damla boyutları belirten% 15&#39;in altında standart sapmaları ile ölçüldü çapları, ortalama gösterdi. Bunun bir sonucu olarak, ölçülebilir Sauter ortalama çap başarılı bir şekilde araştırılmıştır pompa mekanik stresi değerlendirmek için bir karşılaştırma kriter olarak kullanılabilir. Maglev santrifüj pompalar peristaltik ve 4 pistonlu diyafram pompaları ile karşılaştırıldığında emülsiyon damla alt mekanik stresleri belirten geniş ölçülen Sauter ortalama çapları saptandı. Stud&#39;daBugüne kadar ler, inline endoskopi de bu çalışma ile teyit edildi güvenilir damla boyutu ölçümü 1,6,12-14,20-21 için sağlam ve basit bir teknik olduğu gösterilmiştir. Bu gibi fiber optik FBR sensörü gibi alternatif ölçüm teknikleri, karşılaştırıldığında, FBRM ve 2D-orm tekniği, endoskop tekniği, sıvı / sıvı uygulamalar 12,14 kesin veriler elde etmek için standart bir yöntem olarak kullanılabilir. inline endoskopi ve biyolojik olmayan yağ-su emülsiyonu sisteminin basit üretiminin kolay kullanım protokolü metnine göre damla boyutu algılamaları için basit bir prosedür (yukarıya bakınız) sağlar. Bununla birlikte, bu endoskop sondanın pozisyonu depolama haznesi sıvı akışına bağlı olduğu belirtilmelidir. Prob lens en az 5 L kadar düşük akış oranları için giriş borusu hemen altındadır gerektiğini ileri araştırmalar (veriler gösterilmemiştir) ortaya koymuştur -1sırayla tek damla 19 çoklu yakalanmamak için. -1 Dakika 5 L üzerinde akış hızlarında keskin görüntüler için, en az 10 cm uzakta giriş tüpünden probu konumlandırmak için tavsiye edilir. Işlem parametrelerinin bağımsız olarak, satır içi endoskopi tutucu da bulanık bir görüntüye yol açabilir prob, bir vites değiştirme önlemek için kararlı olmalıdır. Ayrıca, özellikle de tespit edilen damla boyutu minimum bulgulanabilir damla çapı 6.5 um olan uygulanan foto-optik sistem, alt saptama sınırı yakın olduğunu belirtmek gerekir. Üretici tarafından sağlanan yazılım geliştirilmiştir gibi, inline endoskopi teknikleri güvenilir 1 mikron minimum damla boyutu algılayabilir. Ayrıca, görüntü işleme daha endüstriyel uygulamalar online izleyebilmek için geliştirilecektir. Bu çalışmada en fazla 3.4 L nispeten düşük akış oranları odaklanırken<html> 60; -1 dk, gelecekteki çalışmalarda çalışma şartlarından daha geniş düşünmelisiniz. İlk araştırmalar (veriler gösterilmemiştir) min -1 20 L kadar akış hızlarında gerçekleştirilmiştir. Ancak, 1: yağ-su emülsiyonu sistemi 2 seyreltme (c yüzey = 0.09 ml L -1, c yağ = 0.64 ml L-1), min -1 19 10 L üzerinde akış hızlarında tavsiye edilir artan bırakma dağılmasından olarak Aksi takdirde etkileyen algılama bırakın ve tespit edilen damla sayısını azaltacağını yüksek mekanik stres nedeniyle. Testler, 1 ile gerçekleştirilmiştir: 2 seyreltme ve seyreltilmemiş yağ-su emülsiyonu sistemi sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Her iki yaklaşımda da, Sauter çapları güvenilir (% 5&#39;in altında standart sapma) ölçülmüştür anlamına gelir. Bu nedenle, düşük hacim fraksiyonu (1: 2 seyreltme) ölçülen Sauter çapları ortalama etkilemek vermedi ve böylece bir damla damla dağılmasından önemsiz oldu. nt &quot;&gt; Bu güçlü deneysel yaklaşımlar endoskopi tekniği iyileştirilmesi yanı sıra ilgili görüntü elde etme, tanıma ve sonuç analiz yazılımı için iyi bir zemin sağlamaktadır. Ayrıca, endoskopi tekniği uygunluğu pompa türleri ve dizi sınıflandırmak mekanik göre Stres başarıyla gösterilmiştir. Elde edilen sonuçlar pompa tasarımı geliştirme ve hücre hasarını azaltmak için pompaların optimizasyonu için önemlidir.

Pompalar, farmasötik ve biyoteknolojik endüstrilerinde hücre kültürlerinin aktarmak için kullanılır. Pompalama işlemi sırasında mekanik stres ürünün 1-4 miktarını ve kalitesini bozabilecek geri dönüşümsüz hücre hasarı, neden olabilir. önceki çalışmalarda 5-6 gösterildiği gibi mekanik stres düzeyi, pompa tipi ve pompa ayarlarına bağlıdır. Genel olarak, peristaltik şırınga ve diyafram pompaları tek kullanımlık (SU) teknolojisini temel uygulamalar için kullanılır. Bu pompalar, pompa boru sıkıştırma ve darbeli akışı 7 neden yüksek lokal kesme kuvvetleri ile sonuçlanır. Bu sakıncaları, manyetik olarak kaldırılan pompalar (Maglev santrifüj pompalar) üstesinden gelmek için umut verici bir alternatif oluşturmaktadır. Motor manyetik pervane ve pompa gövdesi (Şekil 1) arasındaki dar boşlukları önlemek için sürülür. Bir önceki çalışmada Maglev santrifüj araştırdıkpompa ve peristaltik ve 4-pistonlu diyafram 5 pompalar ile karşılaştırıldığında, Çin Hamsteri Yumurtalık (CHO) hücreleri içinde düşük bir mekanik stres göstermiştir. Buna ek olarak, hemoliz analizleri bu pompaları 8-11 kullanarak çalışma koşulları aralığında anlamlı kan travma ve trombüs oluşumu olduğu görüldü. bulgular, bu özel olarak tasarlanmış pompaların kullanımının peristaltik ve diyafram pompaları ile karşılaştırıldığında biyolojik sistemlerde daha az mekanik stres uygular göstermektedir. Sınırlı deney masrafla mekanik stresi araştırmak için, bir yağ-su emülsiyonu model sistemi nedeniyle maliyet-(yaklaşık% 99.8) ve biyolojik hücre kültür sistemlerine kıyasla zaman indirgenmiş (yaklaşık% 99.5), bir uygulama için tavsiye edilir. Yağ-su emülsiyonu sistemi damla dağılmasından mekanik stres bir fonksiyonu olduğu için, boyutları kesme gerilmesi araştırmaların deneysel zaman içinde sayılmalıdır bırakın. Damla boyutlandırma için birçok teknik w mevcutturhich ses, lazer ve verilmedi göre tekniklerin 12 ayrılabilir. Özellikle, foto-optik prob inline endoskopi kullanımı manuel ve otomatik tespitleri için hemen hemen aynı damla boyutları (% 10&#39;un altında standart sapma) gösterir ve dakikada 13 250 damla bir algılama sağlar. Doğruluğu ve güvenilirliği, endoskop tekniği sıvı / sıvı dispersiyonlar düşüş boyutu dağıtımları için etkili bir standart ölçüm tekniği olduğu gösterilmiştir Çünkü yaygın olarak kullanılan diğer sondalar (örn fiber optik ileri-geri-oranı (FBR) sensörü ile karşılaştırıldığında odaklanmış ışını yansıtma yöntemi (FBRM) ve iki boyutlu optik yansıtma ölçüm tekniği (2D-orm)) 12,14. Ayrıca, karıştırılan kap içinde, damla boyutları ölçmek için satır içi endoskopi uygunluğu daha önceki araştırmalarda 15-18 birkaç kez kanıtlanmıştır. Bir önceki çalışmada 6 dayanarak, bu protokol açıklardamla boyutlarını belirlemek için satır içi endoskopi kullanımı pompalarda bir yağ-su emülsiyonu sistemi (Sauter ortalama çapı). Sauter çapına çoklu kullanım (MU) Maglev santrifüj pompalar, bir peristaltik ve tek kullanımlık (SU), 4-pistonlu diyafram pompa mekanik stresi tahmin etmek amacıyla bir karşılaştırma kriter olarak kullanılmıştır anlamına gelir. <img alt="Figür 1" src="/files/ftp_upload/53052/53052fig1.jpg" /> Şekil 1. Manyetik santrifüj pompa sistemini levitated. (A) YATAKSIZ motor ve (B) PuraLev 200mu ilkesi örnek olarak gösterilmektedir. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53052/53052fig1highres.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a>

<table><tbody><tr><td>CCD camera</td><td>Allied Vision Technologies GmbH</td><td>GX2750</td><td>Equipment for inline endoscopy</td></tr><tr><td>C-Flex Biopharmaceutical Tubing</td><td>Saint-Gobain Performance Plastics</td><td>374-375-4</td><td>Tube&lt;br/&gt; Select a tubing length of about 45&amp;nbsp;cm before the pump.</td></tr><tr><td>C-Flex Biopharmaceutical Tubing</td><td>Saint-Gobain Performance Plastics</td><td>374-375-3</td><td>Tube&lt;br/&gt; Select a tubing length of about 45&amp;nbsp;cm after the pump and clamp on the flow sensor to this tubing.</td></tr><tr><td>CLAVE Connector</td><td>Victus</td><td>011-C2000</td><td>Sampling port</td></tr><tr><td>Controller LPC-200.1-02</td><td>Levitronix GmbH</td><td>100-30030</td><td>PuraLev 200MU controller</td></tr><tr><td>Controller LPC-600.1-02</td><td>Levitronix GmbH</td><td>100-30033</td><td>PuraLev 600MU controller</td></tr><tr><td>LeviFlow Clamp-On Sensor LFSC-12</td><td>Levitronix GmbH</td><td>100-30329</td><td>Flow sensor for flow rates below 5&amp;nbsp;L&amp;nbsp;min&lt;sup&gt;-1&lt;/sup&gt;</td></tr><tr><td>LeviFlow Converter LFC-1C-CS</td><td>Levitronix GmbH</td><td>100-30328</td><td>Flow sensor output device&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Masterflex I/P Easy Load</td><td>Fisher Scientific AG</td><td>EW-77963-10</td><td>Peristaltic pump</td></tr><tr><td>Mitos free flow valve</td><td>Parker Hannifin Europe S&amp;agrave;rl</td><td>FFLQR16S6S6AM</td><td>Valve</td></tr><tr><td>Mobil Eal Arctic</td><td>Exxon Mobil Corporation</td><td>Mobil EAL Arctic 22</td><td>Oil&lt;br/&gt; Prepare the emulsion directly before the experiment.</td></tr><tr><td>Motor</td><td>Elektromotorenwerk Brienz AG</td><td>7WAC72N4THTF</td><td>Motor for agitator shaft</td></tr><tr><td>Motor BSM-1.4</td><td>Levitronix GmbH</td><td>100-10005</td><td>PuraLev 200MU motor</td></tr><tr><td>Motor LPM-600.4</td><td>Levitronix GmbH</td><td>100-10038</td><td>PuraLev 600MU motor</td></tr><tr><td>Norm-Ject 10 ml Luer Lock</td><td>Restek Corporation</td><td>22775</td><td>Syringe</td></tr><tr><td>Pump Head LPP-200.5</td><td>Levitronix GmbH</td><td>100-90525</td><td>PuraLev 200MU pump head</td></tr><tr><td>Pump Head LPP-600.18</td><td>Levitronix GmbH</td><td>100-90548</td><td>PuraLev 600MU pump head</td></tr><tr><td>Quattroflow 1200-SU</td><td>Almatechnik AG</td><td>QF 1200</td><td>4-piston diaphragm pump</td></tr><tr><td>SciPres Sensor</td><td>SciLog</td><td>080-695PSX</td><td>Pressure sensor</td></tr><tr><td>SciPres Sensor Monitor</td><td>SciLog</td><td>080-690</td><td>Pressure sensor output device&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>SOPAT-VF Inline Endoscopic Probe</td><td>SOPAT GmbH</td><td></td><td>Inline endoscopy</td></tr><tr><td>Stroboscope</td><td>Drello GmbH &amp;amp; Co KG</td><td>Drelloscop 255-01</td><td>Equipment for inline endoscopy</td></tr><tr><td>Triton X-100</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>X100</td><td>Surfactant&lt;br/&gt;Handle with gloves and goggles.&lt;br/&gt; (acute toxicity, eye irritation)</td></tr></tbody></table>

a cost-effective and reliable method to predict mechanical stress in single-use and standard pumps

Biofarmasötik ve biyoteknolojik üretim proseslerinde steril kültür broths aktarırken Pompalar ağırlıklı kullanılır. Bununla birlikte, pompalama işlemi sırasında kesme kuvvetleri kalitatif ve / veya kantitatif ürün kaybına yol açabilir meydana gelir. Sınırlı deneysel gideri ile mekanik stres hesaplamak için, bir yağ-su emülsiyonu sistemi olan uygunluk biyoreaktörlerde 1 damla boyutu algılamaları için gösterilmiştir kullanıldı. Yağ-su emülsiyonu sistemi damla dağılmasından mekanik stres bir fonksiyonu olduğu için, boyutları kesme gerilmesi araştırmaların deney süresi boyunca sayılan gereken bırakın. Daha önceki çalışmalarda, inline endoskopi sıvı / sıvı dispersiyonlar düşüş boyutu algılamaları için doğru ve güvenilir ölçüm tekniği olduğu gösterilmiştir. Bu protokolün amacı, pompalama süreçlerinde damla boyutu ölçümleri için satır içi endoskopi tekniği uygunluğunu göstermektir. Damla boyutu olarak ifade etmek için, Sauter ortalama çapaD 32 yağ-su emülsiyonu içinde damla temsili çapı olarak kullanılmıştır. Sonuçlar ölçüm tekniğinin güvenirliğini gösteren aşağıdaki% 15 standart sapma ile ölçüldü Sauter ortalama çap, düşük varyasyon göstermiştir.

Optik değerlendirme U 3 re Şekil 1 saat bir pompalama süre sonra partikül tanıma görüntüleri gösterir. Üst dört görüntü tanıma önce damla ve alt dört görüntüleri tanıma yazılımı ile işaretlenmiş damla show. tespit edilen damla yeşil kenarı ile vurgulanır. Üst ve alt görüntüleri karşılaştırarak damla kenarları tam görüntü tanıma yazılımları tarafından tespit olduğunu göstermektedir. Soldaki resim Maglev santrifüj için açılan dağıtım PuraLev 200mu ve PuraLev 600MU pompaları göstermek ve sağdaki o 4 pistonlu diyafram ve peristaltik pompa göstermektedir. Optik değerlendirme modeli emülsiyon sisteminde mekanik stresin başlangıç ​​sınıflandırma izin verdi. Bu daha büyük damla boyutları ve alt damla sayımı 4 pistonlu diaphr ile karşılaştırıldığında Maglev santrifüj pompalar tarafından üretilen olduğunu göstermiştiragm ve peristaltik pompa. Sonuç olarak, Maglev santrifüj pompaları özellikle PuraLev 200mu, düşük mekanik gerilimleri göstermektedir indirgenmiş damla kırılma görüldü. <img alt="Şekil 3," src="/files/ftp_upload/53052/53052fig3.jpg" /> Inline endoskopi Şekil 3. Görüntüler. Emülsiyon (A, B, C, D) ve sonra (E, F, G, H) partikül tanıma (A, E) PuraLev 200mu kullanılarak pompalama 1 saat sonra daha önce düşer, ( B, F) PuraLev 600MU, (C, G) 4 pistonlu diyafram pompa ve (D, H) aynı çalışma koşulları altında peristaltik pompa (3.4 L dk -1 ve 0.03 bar). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53052/53052fig3highres.jpg" target="_blank">Bir görmek için buraya tıklayınız Bu rakamın büyük bir sürümü.</a> Beni SauterBir çap İleri incelemelerde d 32 ± 0.4 mikron altında standart sapma ortaya çıktı ve inline endoskopi 19 kullanırken tekrarlanabilir sonuçlar garanti. Bu nedenle, birden araştırmalar ayrıca deneysel gideri azalır bu yaklaşımın, gerekli değil. Damla boyutu olarak ifade etmek için, Sauter bu yaklaşım için yağ-su emülsiyonu içinde damla temsili çapı olarak kullanıldı (Denk. 1 e bakınız) çapında D 32 anlamına gelir. Genel olarak, Sauter çapı kararlı duruma 12 ulaşana kadar tüm pompa tipleri ve pompa ayarları için zamanla azalma anlamına gelir. Bu çalışmada soruşturmalar Sauter ortalama çapı ilerlemesini (Şek u D 4A yeniden) doğruladı, PuraLev 200mu (Şekil eğrileri u yeniden &amp;# 160; 4A) ve peristaltik pompa (Şekil u 4D re) örnek olarak bu protokol tartışılan. PuraLev 200mu aksine, Sauter çapları aynı işlem koşullarında peristaltik pompa için daha küçük bir% 40 (, basınç düşmesi, = 0.03 bar akış hızı = 1 dak 3.4 L) &#39;ye kadar olan anlamına gelir. Bunun bir sonucu olarak, daha yüksek bir mekanik gerilimler artan bir damla dağılmasından sonuçlandı ve bu nedenle daha küçük damla boyları. Ayrıca, Sauter ortalama çap basınç düşüşü üzerine damla boyutunun bağımlılığını belirtilen PuraLev 200mu artan basınç düşümü (Şek u 4A yeniden) ile azalmıştır. Bunun aksine, peristaltik pompa, bir Sauter (bütün işlem parametreleri için deneyin sonunda Şek D 32,60min = 10 um ortalama çapa gösterdiu) 4D yeniden. Bu nedenle, Sauter çapına basınç düşüşü bağımsız olduğu bulunmuştur anlamına gelir. Ancak sonuçlar damla dağılmasından fiziksel anlayışını yansıtmaktadır: yüksek mekanik stres ile daha küçük Sauter ortalama çapları (u 5 re de bkz) belirlenmiştir. Her bir ölçüm noktası için, en az 300 damla istatistiksel kesinlik garanti etmek için belirlenmiştir. maksimum standart sapma pompalama işleminin sonunda 21 yaklaşık D 32 ± 0.5 um ± d 32,6min den 42 um ± ve PuraLev 600MU d 32,4min gelen PuraLev 200mu azalmıştır. kararlı durum elde edilene dek düşmüştür standart sapma artış homojen damla boyutu dağılımına kaynaklanmıştır. Karşılaştırma tMaglev santrifüj pompalar o peristaltik ve 4 piston diyafram pompalar d 32 ± 10 mikron altında standart sapmalar ortaya çıkardı. <img alt="Denklem 1" src="/files/ftp_upload/53052/53052eq1.jpg" width="80" /> (1) <img alt="Şekil 4," src="/files/ftp_upload/53052/53052fig4.jpg" /> Sauter Şekil 4. tipik profilleri çapları zamanla 32 d ve ölçülen Sauter ortalama çaplarının belirlenmesi, m 32 d anlamına gelir. Sauter ortalama çap karşılaştırması peristaltik pompa yerine 4-pistonlu diyafram pompası, ve (D) için PuraLev 600MU, (C) PuraLev 200mu, (B), 32 (A) d. Sauter ortalama çapları 32 dakika -1 3.4 L bir akış hızında saptanmıştır d ve basınç 0.03 ila 0.61 bar kadar düşer.ölçülen Sauter ortalama çapı d 32, m, son 10 dakika boyunca (sınır) için hesaplanmıştır. Sauter ortalama çap sonuçlanan standart sapması 32 (N ≥ 300) gösterilmektedir d. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53052/53052fig4highres.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> Bir karşılaştırma sistemi olarak ölçülen Sauter ortalama çap Yukarıda açıklandığı gibi, Sauter damla boyutları kararlı duruma ulaşana kadar çapı zamanla azaldı demek. Deney zamanında son 10 dakika içinde, Sauter ortalama değeri çapı bir karşılaştırma kriter olarak kullanılmıştır çapı, ortalama ölçülen Sauter belirlemek için hesaplanmıştır (ortalama u 4A-D yeniden Şekil sınırını bakınız). ölçülen Sauter ortalama çapı 32 D, m 3.4 L bir akış hızı için gösterilmiştir ve# 160; 0.03 Şekil 0.61 bar -1 ve bir basınç düşüşü aralığı min u 5 yeniden. Büyük ölçülen Sauter ortalama çapları, her iki Maglev santrifüj pompalar (200mu ve 600MU) ve daha düşük olan basınç düşüşleri ve pervane hızlarında 4 pistonlu diyafram pompası için belirlenmiştir. peristaltik pompa Sauter tüm proses parametreleri için d 32 m = 10 mikron çapları ortalama ölçülmüş saptandı. Daha önce belirtildiği gibi, kesme kuvvetlerinin peristaltik pompanın basınç düşüşü bağımsız olmuştur. PuraLev 200mu ve PuraLev 600MU için D 32, m = 34 um için D 32, m = 36 um arasında en büyük ölçüm Sauter ortalama çapı 0.03 bar&#39;lık bir basınç düşüşü elde edilmiştir. Muadilleri ile karşılaştırıldığında, dizi santrifüj pompa Maglev Sauter çapları ortalama ölçülen% 59 daha büyük kadar elde etti. Bu sonuç,s bir damla dağılmasından alt oranı ve santrifüj pompaların kullanımından kaynaklanan böylece düşük mekanik stres gösterdi. kararlı durum dolayısıyla açılan boyutları için güvenilir ve doğru değerler teyit% 15 altında kaldı sırasında ölçülen Sauter standart sapma çapları anlamına gelir. <img alt="Şekil 5," src="/files/ftp_upload/53052/53052fig5.jpg" /> Ölçülen Sauter ortalama çapları Şekil 5. Karşılaştırılması, m 32 d. 3.4 L 0.03, 0.30 ve 0.61 bar min -1 ve basınç düşümleri de Maglev santrifüj pompalar ve muadilleri için Sauter ortalama çapları ölçülür. ölçülen Sauter ortalama çap sonuçlanan standart sapmaları kararlı duruma sırasında m gösterilir, 32 d. Kısaltmalar <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53052/53052fig5highres.jpg" target="_blank">Ple</a>ase bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için buraya tıklayınız. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td> 2D-orm </td><td> iki boyutlu optik yansıtma ölçümü </td></tr><tr><td> CCD </td><td> Şarj akuplaj düzenli </td></tr><tr><td> CHO </td><td> Çin hamsteri yumurtalık </td></tr><tr><td> cmc </td><td> Kritik misel konsantrasyonu </td></tr><tr><td> FBR </td><td> ileri-geri-oran </td></tr><tr><td> FBRM </td><td> odaklanmış ışın yansıma yöntemi </td></tr><tr><td> MU </td><td> çoklu kullanım </td></tr><tr><td> SU </td><td> tek kullanımlık </td></tr></tbody></table> Terminoloji <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img alt="V" fo:content-="" src="/files/ftp_upload/53052/V.jpg" width="8
" /></td><td> [M 3 sn -1] </td><td> akış hızı </td></tr><tr><td> c </td><td> [M 3 m -3] </td><td> konsantrasyon </td></tr><tr><td> d 32 </td><td> [M] </td><td> Sauter ortalama çapı </td></tr><tr><td> d 32 m </td><td> [M] </td><td> ölçülen Sauter ortalama çapı </td></tr><tr><td> d s </td><td> [M] </td><td> Yüzey çapı </td></tr><tr><td> d v </td><td> [M] </td><td> hacim çapı </td></tr><tr><td> f </td><td> [Hz] </td><td> frekans </td></tr><tr><td> n </td><td> [Sn -1] </td><td> pervane hızı </td></tr><tr><td> N </td><td> [-] </td><td> damla sayısı </td></tr><tr><td> p </td><td> Baba </td><td> basınç düşmesi </td></tr><tr><td> t </td><td> saniye </td><td> zaman </td></tr><tr><td> β </td><td> [Kg m -3] </td><td> kütle yoğunluğu </td></tr><tr><td> ρ </td><td> [Kg m -3] </td><td> yoğunluk </td></tr><tr><td>69; </td><td> [M 3 m -3] </td><td> kütle fraksiyonu </td></tr></tbody></table> Kısaltmalar ve terminoloji Tablo 1. Tablo.

Watch this Scientific Journal Video about A Cost-effective and Reliable Method to Predict Mechanical Stress in Single-use and Standard Pumps at JoVE.com

A Cost-effective and Reliable Method to Predict Mechanical Stress in Single-use and Standard Pumps

Shear stress investigations on an oil-water emulsion system result in drop breakup over the experimental time. To count drop sizes in pumping processes, the suitability of inline endoscopy was successfully demonstrated in this protocol.

Bir maliyet-etkin ve güvenilir Yöntemi Tek kullanımlı ve Standart Pompa mekanik Stres Tahmin etmek

Pumps are mainly used when transferring sterile culture broths in biopharmaceutical and biotechnological production processes. However, during the pumping ...

a-cost-effective-reliable-method-to-predict-mechanical-stress-single

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Mechanical Engineering

Engineering

Unit 1

Concept of Stress

SCIENTISTS IN ACTION

9.4K Görüntüleme.  Zurich University of Applied Sciences. Shear stress investigations on an oil-water emulsion system result in drop breakup over the experimental time. To count drop sizes in pumping processes, the suitability of inline endoscopy was successfully demonstrated in this protocol. 

Video: A Cost-effective and Reliable Method to Predict Mechanical Stress in Single-use and Standard Pumps

Protocol for Relative Hydrodynamic Assessment of Tri-leaflet Polymer Valves

Limitations of currently available prosthetic valves, xenografts, and homografts have prompted a recent resurgence of developments in the area of tri-leaflet polymer valve prostheses. However, identification of a protocol for initial assessment of polymer valve hydrodynamic functionality is paramount during the early stages of the design process. Traditional in vitro pulse duplicator systems are not configured to accommodate flexible tri-leaflet materials; in addition, assessment of polymer valve functionality needs to be made in a relative context to native and prosthetic heart valves under identical test conditions so that variability in measurements from different instruments can be avoided. Accordingly, we conducted hydrodynamic assessment of i) native (n = 4, mean diameter, D = 20 mm), ii) bi-leaflet mechanical (n= 2, D = 23 mm) and iii) polymer valves (n = 5, D = 22 mm) via the use of a commercially available pulse duplicator system (ViVitro Labs Inc, Victoria, BC) that was modified to accommodate tri-leaflet valve geometries. Tri-leaflet silicone valves developed at the University of Florida comprised the polymer valve group. A mixture in the ratio of 35:65 glycerin to water was used to mimic blood physical properties. Instantaneous flow rate was measured at the interface of the left ventricle and aortic units while pressure was recorded at the ventricular and aortic positions. Bi-leaflet and native valve data from the literature was used to validate flow and pressure readings. The following hydrodynamic metrics were reported: forward flow pressure drop, aortic root mean square forward flow rate, aortic closing, leakage&#160;and regurgitant volume, transaortic closing, leakage, and total energy losses. Representative results indicated that hydrodynamic metrics from the three valve groups could be successfully obtained by incorporating a custom-built assembly into a commercially available pulse duplicator system and subsequently, objectively compared to provide insights on functional aspects of polymer valve design.

There has been renewed interest in developing polymer valves. Here, the objectives are to demonstrate the feasibility of modifying a commercial pulse duplicator to accommodate tri-leaflet geometries and to define a protocol to present polymer valve hydrodynamic data in comparison to native and prosthetic valve data collected under near-identical conditions.

Tri-broşür Polimer Vanalar göreceli hidrodinamik Değerlendirme Protokolü

Limitations of currently available prosthetic valves, xenografts, and homografts have prompted a recent resurgence of developments in the area of ...

Biyomühendislik

A Coupled Experiment-finite Element Modeling Methodology for Assessing High Strain Rate Mechanical Response of Soft Biomaterials

This study offers a combined experimental and finite element (FE) simulation approach for examining the mechanical behavior of soft biomaterials (e.g. brain, liver, tendon, fat, etc.) when exposed to high strain rates. This study utilized a Split-Hopkinson Pressure Bar (SHPB) to generate strain rates of 100-1,500 sec-1. The SHPB employed a striker bar consisting of a viscoelastic material (polycarbonate). A sample of the biomaterial was obtained shortly postmortem and prepared for SHPB testing. The specimen was interposed between the incident and transmitted bars, and the pneumatic components of the SHPB were activated to drive the striker bar toward the incident bar. The resulting impact generated a compressive stress wave (i.e. incident wave) that traveled through the incident bar. When the compressive stress wave reached the end of the incident bar, a portion continued forward through the sample and transmitted bar (i.e. transmitted wave) while another portion reversed through the incident bar as a tensile wave (i.e. reflected wave). These waves were measured using strain gages mounted on the incident and transmitted bars. The true stress-strain behavior of the sample was determined from equations based on wave propagation and dynamic force equilibrium. The experimental stress-strain response was three dimensional in nature because the specimen bulged. As such, the hydrostatic stress (first invariant) was used to generate the stress-strain response. In order to extract the uniaxial (one-dimensional) mechanical response of the tissue, an iterative coupled optimization was performed using experimental results and Finite Element Analysis (FEA), which contained an Internal State Variable (ISV) material model used for the tissue. The ISV material model used in the FE simulations of the experimental setup was iteratively calibrated (i.e. optimized) to the experimental data such that the experiment and FEA strain gage values and first invariant of stresses were in good agreement.

The current study prescribes a coupled experiment-finite element simulation methodology to obtain the uniaxial dynamic mechanical response of soft biomaterials (brain, liver, tendon, fat, etc.). The multiaxial experimental results that arose because of specimen bulging obtained from Split-Hopkinson Pressure Bar testing were rendered to a uniaxial true stress-strain behavior when simulated through iterative optimization of the finite element analysis of the biomaterial.

Yumuşak Biyomalzeme Yüksek Deformasyon Hızı Mekanik Tepki değerlendirilmesi için Coupled Deney-sonlu Eleman Modelleme Metodolojisi

This study offers a combined experimental and finite element (FE) simulation approach for examining the mechanical behavior of soft biomaterials (e.g. ...

In Vitro Model of Physiological and Pathological Blood Flow with Application to Investigations of Vascular Cell Remodeling

Vascular disease is a common cause of death within the United States. Herein, we present a method to examine the contribution of flow dynamics towards vascular disease pathologies. Unhealthy arteries often present with wall stiffening, scarring, or partial stenosis which may all affect fluid flow rates, and the magnitude of pulsatile flow, or pulsatility index. Replication of various flow conditions is the result of tuning a flow pressure damping chamber downstream of a blood pump. Introduction of air within a closed flow system allows for a compressible medium to absorb pulsatile pressure from the pump, and therefore vary the pulsatility index. The method described herein is simply reproduced, with highly controllable input, and easily measurable results. Some limitations are recreation of the complex physiological pulse waveform, which is only approximated by the system. Endothelial cells, smooth muscle cells, and fibroblasts are affected by the blood flow through the artery. The dynamic component of blood flow is determined by the cardiac output and arterial wall compliance. Vascular cell mechano-transduction of flow dynamics may trigger cytokine release and cross-talk between cell types within the artery. Co-culture of vascular cells is a more accurate picture reflecting cell-cell interaction on the blood vessel wall and vascular response to mechanical signaling. Contribution of flow dynamics, including the cell response to the dynamic and mean (or steady) components of flow, is therefore an important metric in determining disease pathology and treatment efficacy. Through introducing an in vitro co-culture model and pressure damping downstream of blood pump which produces simulated cardiac output, various arterial disease pathologies may be investigated.

In Vitro Model of Physiological and Pathological Blood Flow with Application to Investigations of Vascular Cell Remodeling

This protocol replicates physiological or pathological blood flow in vitro to aid in determining cell response in disease pathologies. By introducing a pressure damping chamber downstream of a blood pump, blood flow across the vasculature can be recapitulated and imposed on a monolayer of vascular endothelium or a mimetic co-culture.

Vasküler Hücre Remodeling Soruşturma Fizyolojik in vitro Modeli ve Uygulaması ile Patolojik Kan Akış

Vascular disease is a common cause of death within the United States. Herein, we present a method to examine the contribution of flow dynamics towards ...

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

The use of resorbable biomaterials to induce regeneration directly in the body is an attractive strategy from a translational perspective. Such materials induce an inflammatory response upon implantation, which is the driver of subsequent resorption of the material and the regeneration of new tissue. This strategy, also known as in situ tissue engineering, is pursued to obtain cardiovascular replacements such as tissue-engineered vascular grafts. Both the inflammatory and the regenerative processes are determined by the local biomechanical cues on the scaffold (i.e., stretch and shear stress). Here, we describe in detail the use of a custom-developed bioreactor that uniquely enables the decoupling of stretch and shear stress on a tubular scaffold. This allows for the systematic and standardized evaluation of the inflammatory and regenerative capacity of tubular scaffolds under the influence of well-controlled mechanical loads, which we demonstrate on the basis of a dynamic co-culture experiment using human macrophages and myofibroblasts. The key practical steps in this approach&#8212;the construction and setting up of the bioreactor, preparation of the scaffolds and cell seeding, application and maintenance of stretch and shear flow, and sample harvesting for analysis&#8212;are discussed in detail.

The goal of this protocol is to execute a dynamic co-culture of human macrophages and myofibroblasts in tubular electrospun scaffolds to investigate material-driven tissue regeneration, using a bioreactor which enables the decoupling of shear stress and cyclic stretch.

Akış ve Esneme Altında Biyomalzemelerin Enflamatuar ve Rejeneratif Kapasitesini Değerlendirmek için Çok İşaretli Bir Biyoreaktör

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

Mühendislik

Modeling and Experimental Analysis of the Single-Shaft Coaxial Motor-Pump Assembly in Electrohydrostatic Actuators

An electrohydrostatic actuator (EHA) can be the most promising alternative compared with the traditional hydraulic servo actuators for its high power density, ease of maintenance, and reliability. As the core power unit that determines the performance and service life of the EHA, the motor-pump assembly should simultaneously possess a wide speed/pressure range and a high dynamic response.
This paper presents a method to test the performance of the motor-pump assembly through simulation and experimentation. The flow output characteristics were defined through simulation and analysis of the assembly at the beginning of the experiment, leading to the conclusion of whether the pump could meet the requirements of the EHA. A series of performance tests were conducted on the motor-pump assembly via a pump test bench in the speed range of 1,450-9,000 rpm and the pressure range of 1-30 MPa.
We tested the overall efficiency of the motor-pump assembly under various working conditions after confirming the consistency between the test results of the flow output characteristics with the simulation results. The results showed that the assembly has higher overall efficiency when working at 4,500-7,000 rpm under the pressure of 10-25 MPa and at 2,000-2,500 rpm under 5-15 MPa. Overall, this method can be utilized for determining in advance whether the motor-pump assembly meets the requirements of EHA. Moreover, this paper proposes a rapid test method of the motor-pump assembly in various working conditions, which could assist in predicting EHA performance.

We built a simulation model to evaluate pump flow characteristics and performance of the single-shaft coaxial motor-pump assembly in electrohydrostatic actuators and investigate the overall efficiency in a wide set of working conditions of the motor-pump assembly experimentally.

Elektrohidrostatik Aktüatörlerde Tek Şaftlı Koaksiyel Motor-Pompa Düzeneğinin Modellenmesi ve Deneysel Analizi

An electrohydrostatic actuator (EHA) can be the most promising alternative compared with the traditional hydraulic servo actuators for its high power ...

A Modeling and Simulation Method for Preliminary Design of an Electro-Variable Displacement Pump

Electro-hydrostatic actuators (EHAs) have been considerably researched in academia, and their applications in various industrial fields are expanding. The variable-speed EHA has now taken priority over the variable-displacement EHA, but its driving motor and associated electronics encounter issues when applied in high-power applications: low-dynamics, high thermal dissipation, high price, etc. Therefore, a variable-displacement EHA equipped with an electro-variable displacement pump (EVDP) has been considered. The EVDP itself is a mechatronic system that integrates a piston pump, a ball screw, a gearbox, and a permanent magnet synchronous motor (PMSM). Consequently, the EVDP needs to be investigated to ensure its system-level performance when applied in an EHA. In addition to the previous research on the technical parameters of the EVDP, a dedicated design method is necessary for further reducing the cost of using the EVDP and exploring its performance potential. Here, a simulation based EVDP preliminary design method is selected for designing a 37 kW EVDP. Firstly, a previously proposed multidisciplinary model of the EVDP is extended by improving the parameter generation, including the EVDP life, reliability, control models, etc. Secondly, the proposed model is partially verified using a downsized prototype. Thirdly, the EVDP is simulated at a system level, supported by the proposed model. The EVDP performance is evaluated according to the specified design requirements. The temperature, bandwidth and accuracy, reliability and lifetime, etc., are all predicted for the EVDP. The simulation results demonstrate the EVDP's applicability in variable-displacement EHA. The proposed modeling and simulation method can be used to evaluate diverse EVDP performance and respond to general design requirements. The method can also support the resolution of the preliminary design challenges in terms of limited information and robustness. Therefore, the proposed method is appropriate for the realization of the simulation-based EVDP preliminary design method.

A simulation model specifically supporting the preliminary design of an electro-variable displacement pump (EVDP) is developed and partially verified by experiments. The control performance, life, reliability, etc., can all be evaluated using the proposed model, which covers the main performance requirements under the EVDP preliminary design task.

Elektro-Değişken Deplasmanlı Pompanın Ön Tasarımı için Bir Modelleme ve Simülasyon Yöntemi

Electro-hydrostatic actuators (EHAs) have been considerably researched in academia, and their applications in various industrial fields are expanding. The ...

A Performance-testing Platform for a Conduction Micropump with an FR-4 Copper-clad Electrode Plate

Here, a conduction micropump with symmetric planar electrode pairs prepared on flame-retardant glass-reinforced epoxy (FR-4) copper-clad laminate (CCL) is fabricated. It is used to investigate the influence of chamber dimensions on the performance of a conduction micropump and to determine the reliability of the conduction pump when acetone is used as the working fluid. A testing platform is set up to evaluate conduction micropump performance under different conditions. When the chamber height is 0.2 mm, the pump pressure reaches its peak value.

This paper presents a protocol for the fabrication of a conduction micropump using symmetric planar electrodes on flame-retardant glass-reinforced epoxy (FR-4) copper-clad laminate (CCL) to test the influence of chamber dimensions on the performance of a conduction micropump.

Performans Test platformu ve tel Micropump FR-4 bakır kaplı elektrot plaka ile için

Here, a conduction micropump with symmetric planar electrode pairs prepared on flame-retardant glass-reinforced epoxy (FR-4) copper-clad laminate (CCL) is ...

The Quantification of Injectability by Mechanical Testing

Injectable biomaterials are becoming increasingly popular for the minimally invasive delivery of drugs and cells. These materials are typically more viscous than traditional aqueous injections and may be semi-solid, therefore, their injectability cannot be assumed. This protocol describes a method to objectively assess the injectability of these materials using a standard mechanical tester. The syringe plunger is compressed by the crosshead at a set rate, and the force is measured. The maximum or plateau force value can then be used for comparison between samples, or to an absolute force limit. This protocol can be used with any material, and any syringe and needle size or geometry. The results obtained may be used to make decisions about formulations, syringe and needle sizes early in the translational process. Further, the effects of altering formulations on injectability may be quantified, and the optimum time to inject temporally changing materials determined. This method is also suitable as a reproducible way to examine the effects of injection on a material, to study phenomena such as self-healing and filter pressing or study the effects of injection on cells. This protocol is faster and more directly applicable to injectability than rotational rheology, and requires minimal post processing to obtain key values for direct comparisons.

Presented here is a protocol for quantitatively evaluating the injectability of a material through a syringe-needle system using a standard mechanical testing rig.

Mekanik Test ile Enjektabllığın Ölçülmesi

Injectable biomaterials are becoming increasingly popular for the minimally invasive delivery of drugs and cells. These materials are typically more ...

Pneumococcus Infection of Primary Human Endothelial Cells in Constant Flow

Interaction of Streptococcus pneumoniae with the surface of endothelial cells is mediated in blood flow via mechanosensitive proteins such as the Von Willebrand Factor (VWF). This glycoprotein changes its molecular conformation in response to shear stress, thereby exposing binding sites for a broad spectrum of host-ligand interactions. In general, culturing of primary endothelial cells under a defined shear flow is known to promote the specific cellular differentiation and the formation of a stable and tightly linked endothelial layer resembling the physiology of the inner lining of a blood vessel. Thus, the functional analysis of interactions between bacterial pathogens and the host vasculature involving mechanosensitive proteins requires the establishment of pump systems that can simulate the physiological flow forces known to affect the surface of vascular cells.
The microfluidic device used in this study enables a continuous and pulseless recirculation of fluids with a defined flow rate. The computer-controlled air-pressure pump system applies a defined shear stress on endothelial cell surfaces by generating a continuous, unidirectional, and controlled medium flow. Morphological changes of the cells and bacterial attachment can be microscopically monitored and quantified in the flow by using special channel slides that are designed for microscopic visualization. In contrast to static cell culture infection, which in general requires a sample fixation prior to immune labeling and microscopic analyses, the microfluidic slides enable both the fluorescence-based detection of proteins, bacteria, and cellular components after sample fixation; serial immunofluorescence staining; and direct fluorescence-based detection in real time. In combination with fluorescent bacteria and specific fluorescence-labeled antibodies, this infection procedure provides an efficient multiple component visualization system for a huge spectrum of scientific applications related to vascular processes.

This study describes the microscopic monitoring of pneumococcus adherence to von Willebrand factor strings produced on the surface of differentiated human primary endothelial cells under shear stress in defined flow conditions. This protocol can be extended to detailed visualization of specific cell structures and quantification of bacteria by applying differential immunostaining procedures.

Sürekli Akışta Birincil İnsan Endotel Hücrelerinin Pnömokok Enfeksiyonu

Interaction of Streptococcus pneumoniae with the surface of endothelial cells is mediated in blood flow via mechanosensitive proteins such as the Von ...

İmmünoloji ve Enfeksiyon

Construction of a Human Aorta Smooth Muscle Cell Organ-On-A-Chip Model for Recapitulating Biomechanical Strain in the Aortic Wall

Conventional two-dimensional cell culture techniques and animal models have been used in the study of human thoracic aortic aneurysm and dissection (TAAD). However, human TAAD sometimes cannot be characterized by animal models. There is an apparent species gap between clinical human studies and animal experiments that may hinder the discovery of therapeutic drugs. In contrast, the conventional cell culture model is unable to simulate in vivo biomechanical stimuli. To this end, microfabrication and microfluidic techniques have developed greatly in recent years, providing novel techniques for establishing organoids-on-a-chip models that replicate the biomechanical microenvironment. In this study, a human aorta smooth muscle cell organ-on-a-chip (HASMC-OOC) model was developed to simulate the pathophysiological parameters of aortic biomechanics, including the amplitude and frequency of cyclic strain experienced by human aortic smooth muscle cells (HASMCs) that play a vital role in TAAD. In this model, the morphology of HASMCs became elongated in shape, aligned perpendicularly to the strain direction, and presented a more contractile phenotype under strain conditions than under static conventional conditions. This was consistent with the cell orientation and phenotype in native human aortic walls. Additionally, using bicuspid aortic valve-related TAAD (BAV-TAAD) and tricuspid aortic valve-related TAAD (TAV-TAAD) patient-derived primary HASMCs, we established BAV-TAAD and TAV-TAAD disease models, which replicate HASMC characteristics in TAAD. The HASMC-OOC model provides a novel in vitro platform that is complementary to animal models for further exploring the pathogenesis of TAAD and discovering therapeutic targets.

Here, we developed a human aorta smooth muscle cell organ-on-a-chip model to replicate the in vivo biomechanical strain of smooth muscle cells in the human aortic wall.

Aort Duvarındaki Biyomekanik Suşu Özetlemek İçin İnsan Aort Düz Kas Hücresi Organ-On-A-Chip Modelinin Yapımı

Conventional two-dimensional cell culture techniques and animal models have been used in the study of human thoracic aortic aneurysm and dissection ...