Name: design of a biaxial mechanical loading bioreactor for tissue engineering
Uploaded: 2013-04-25T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Design of a Biaxial Mechanical Loading Bioreactor for Tissue Engineering at JoVE.com

Questo lavoro è stato sostenuto da parte dell&#39;Ufficio di Ricerca e Sviluppo, RR &amp; D Service, Department of Veterans Affairs, NIH COBRE 1P20RR024484, NIH K24 AR02128 e Dipartimento della Difesa W81XWH-10-1-0643.

1. Biassiale Caricamento bioreattore design <ol><li> Il bioreattore impiega due stadi fabbricati da Thor-laboratori (Newton, MA) per applicazioni laser a guida di precisione per l&#39;applicazione di sollecitazioni meccaniche uniassiale o biassiale per tessuti ingegnerizzati, con grande precisione di dose di carico (ampiezza e frequenza) e applicata a una vasta gamma di condizioni di coltura di tessuto da sola a piastre da 24 pozzetti (Figura 1). </li><li> Carico biassiale è compiuta da due fasi trav...

<ol>
	<li>Drachman, D. B., Sokoloff, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+role+of+movement+in+embryonic+joint+development.">The role of movement in embryonic joint development.</a> Devl. Biol. 14, 401-420 (1966).</li><li>Buschmann, M. D., Gluzband, Y. A., Grodzinsky, A. J., Hunziker, E. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanical+compression+modulates+matrix+biosynthesis+in+chondrocyte/agarose+culture.">Mechanical compression modulates matrix biosynthesis in chondrocyte/agarose culture.</a> J. Cell Sci. 108, 1497-1508 (1995).</li><li>Vunjak-Novakovic, G., 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=Bioreactor+Cultivation+Conditions+Modulate+the+Composition+and+Mechanical+Properties+of+Tissue-Engineered+Cartilage.">Bioreactor Cultivation Conditions Modulate the Composition and Mechanical Properties of Tissue-Engineered Cartilage.</a> Journal of Orthopaedic Research. 17, 130-138 (1999).</li><li>Gooch, K. 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=Effects+of+Mixing+Intensity+on+Tissue-Engineered+Cartilage.">Effects of Mixing Intensity on Tissue-Engineered Cartilage.</a> Biotechnology and Bioengineering. 72, 402-407 (2001).</li><li>Carver, S. E., Heath, C. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Increasing+extracellular+matrix+production+in+regenerating+cartilage+with+intermittent+physiological+pressure.">Increasing extracellular matrix production in regenerating cartilage with intermittent physiological pressure.</a> Biotechnology and Bioengineering. 62, 166-174 (1999).</li><li>Frank, E. H., Jin, M., Loening, A. M., Levenston, M. E., Grodzinsky, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+versatile+shear+and+compression+apparatus+for+mechanical+stimulation+of+tissue+culture+explants.">A versatile shear and compression apparatus for mechanical stimulation of tissue culture explants.</a> J. Biomech. 33, 1523-1527 (2000).</li><li>Wagner, D. R., 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=Hydrostatic+pressure+enhances+chondrogenic+differentiation+of+human+bone+marrow+stromal+cells+in+osteochondrogenic+medium.">Hydrostatic pressure enhances chondrogenic differentiation of human bone marrow stromal cells in osteochondrogenic medium.</a> Ann. Biomed. Eng. 36, 813-820 (2008).</li><li>Butler, D. L., Goldstein, S. A., Guilak, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+Tissue+Engineering:+The+Role+of+Biomechanics.">Functional Tissue Engineering: The Role of Biomechanics.</a> J. Biomech. Eng. 122, 570-575 (2000).</li><li>Guilak, F., Butler, D. L., Goldstein, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+Tissue+Engineering.+The+role+of+biomechanics+in+articular+cartilage+repair.">Functional Tissue Engineering. The role of biomechanics in articular cartilage repair.</a> Clin. Orthop. 391S, S295-S305 (2001).</li><li>Mauck, R. L., Byers, B. A., Yuan, X., Tuan, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Regulation+of+cartilaginous+ECM+gene+transcription+by+chondrocytes+and+MSCs+in+3D+culture+in+response+to+dynamic+loading.">Regulation of cartilaginous ECM gene transcription by chondrocytes and MSCs in 3D culture in response to dynamic loading.</a> Biomech. Model Mechanobiol. 6, 113-125 (2007).</li><li>Rubin, C., Xu, G., Judex, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+anabolic+activity+of+bone+tissue,+suppressed+by+disuse,+is+normalized+by+brief+exposure+to+extremely+low-magnitude+mechanical+stimuli.">The anabolic activity of bone tissue, suppressed by disuse, is normalized by brief exposure to extremely low-magnitude mechanical stimuli.</a> FASEB J. 15, 2225-2229 (2001).</li><li>Wimmer, M. 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=Tribology+approach+to+the+engineering+and+study+of+articular+cartilage.">Tribology approach to the engineering and study of articular cartilage.</a> Tissue Eng. 10, 1436-1445 (2004).</li><li>Miyata, S., Tateishi, T., Ushida, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+cartilaginous+matrix+accumulation+on+viscoelastic+response+of+chondrocyte/agarose+constructs+under+dynamic+compressive+and+shear+loading.">Influence of cartilaginous matrix accumulation on viscoelastic response of chondrocyte/agarose constructs under dynamic compressive and shear loading.</a> J. Biomech. Eng. 130, 051016 (2008).</li><li>Heiner, A. D., Martin, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cartilage+responses+to+a+novel+triaxial+mechanostimulatory+culture+system.">Cartilage responses to a novel triaxial mechanostimulatory culture system.</a> J. Biomech. 37, 689-695 (2004).</li><li>Waldman, S. D., Couto, D. C., Grynpas, M. D., Pilliar, R. M., Kandel, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multi-axial+mechanical+stimulation+of+tissue+engineered+cartilage:+review.">Multi-axial mechanical stimulation of tissue engineered cartilage: review.</a> Eur. Cell Mater. 13, 66-73 (2007).</li><li>Wartella, K. A., Wayne, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bioreactor+for+biaxial+mechanical+stimulation+to+tissue+engineered+constructs.">Bioreactor for biaxial mechanical stimulation to tissue engineered constructs.</a> J. Biomech. Eng. 131, 044501 (2009).</li><li>Bian, L., 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=Dynamic+mechanical+loading+enhances+functional+properties+of+tissue-engineered+cartilage+using+mature+canine+chondrocytes.">Dynamic mechanical loading enhances functional properties of tissue-engineered cartilage using mature canine chondrocytes.</a> Tissue Eng. Part A. 16, 1781-1790 (2010).</li><li>Bilgen, B., 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=Design+of+a+Biaxial+Loading+Device+for+Cartilage+Tissue+Engineering.">Design of a Biaxial Loading Device for Cartilage Tissue Engineering.</a> , 1815 (2011).</li><li>Mauck, R. L., Wang, C. C., Oswald, E. S., Ateshian, G. A., Hung, C. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+role+of+cell+seeding+density+and+nutrient+supply+for+articular+cartilage+tissue+engineering+with+deformational+loading.">The role of cell seeding density and nutrient supply for articular cartilage tissue engineering with deformational loading.</a> Osteoarthritis Cartilage. 11, 879-890 (2003).</li><li>Mauck, R. L., 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=Functional+tissue+engineering+of+articular+cartilage+through+dynamic+loading+of+chondrocyte-seeded+agarose+gels.">Functional tissue engineering of articular cartilage through dynamic loading of chondrocyte-seeded agarose gels.</a> J. Biomech. Eng. 122, 252-260 (2000).</li><li>Demarteau, O., Jakob, M., Schafer, D., Heberer, M., Martin, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+and+validation+of+a+bioreactor+for+physical+stimulation+of+engineered+cartilage.">Development and validation of a bioreactor for physical stimulation of engineered cartilage.</a> Biorheology. 40, 331-336 (2003).</li><li>Grad, 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=Surface+motion+upregulates+superficial+zone+protein+and+hyaluronan+production+in+chondrocyte-seeded+three-dimensional+scaffolds.">Surface motion upregulates superficial zone protein and hyaluronan production in chondrocyte-seeded three-dimensional scaffolds.</a> Tissue Eng. 11, 249-256 (2005).</li><li>Schatti, O., 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+combination+of+shear+and+dynamic+compression+leads+to+mechanically+induced+chondrogenesis+of+human+mesenchymal+stem+cells.">A combination of shear and dynamic compression leads to mechanically induced chondrogenesis of human mesenchymal stem cells.</a> Eur. Cell Mater. 22, 214-225 (2011).</li></ol>

Abbiamo progettato un dispositivo di carico, che è in grado di applicare sollecitazioni meccaniche monoassiale o biassiale di tessuto costrutti ingegnerizzati fabbricato per il trapianto. Il dispositivo può essere utilizzato come un bioreattore per la coltura in vitro di biocompositi ingegnerizzati o come un dispositivo di prova per descrivere le caratteristiche meccaniche del tessuto nativo o dopo altri trattamenti precedenti. I soggetti dispositivi progettati costrutti di tessuto biassiale a carico meccanic...

Abbiamo progettato un bioreattore di carico che è in grado di applicare sollecitazioni meccaniche monoassiale o biassiale ad un tessuto biocompositi costruiti fabbricati per il trapianto. Questo dispositivo è progettato principalmente come bioreattore per sostituzioni ingegnerizzati per cartilagine articolare, ma potrebbe essere utilizzato anche per altri tessuti portanti nel corpo umano. La nostra motivazione in questo disegno bioreattore nasce da Drachman e Sokoloff 1, che ha fatto l&#39;osservazione seminale di formazione anomala di cartilagine articolare in embrioni di pollo paralizzati a causa di assenza di movimento. Analogamente, l&#39;esercizio fisico è essenziale per lo sviluppo di muscolo normale e ossa. In linea con questo concetto, molti gruppi di ricerca hanno studiato come le diverse modalità di stimoli fisici durante la coltivazione in vitro modula le proprietà biochimiche e meccaniche della cellula-biomateriale biocompositi ed espianti di tessuto 2-7. Il concetto di ingegneria tissutale funzionalecoinvolge l&#39;uso in vitro di stimoli meccanici per migliorare le proprietà funzionali dei tessuti, cioè le proprietà meccaniche che consentono il tessuto per resistere alla sollecitazione previsto in vivo e forzerebbe 8,9. Numerosi studi riportano l&#39;uso carico meccanico in termini di taglio e compressione per stimolare costrutti cartilaginei ingegnerizzati per giunti articolari. Mauck et al. 10 suggeriscono che sola carico meccanico può indurre condrogenesi di cellule staminali mesenchimali anche in assenza di fattori di crescita che sono considerati vitali. Applicazione del carico meccanico intermittente come compressione oa taglio durante la coltura tissutale è stato dimostrato per modulare cartilagine e formazione ossea, tuttavia la dosimetria ottimale di caricamento varia con cellule e proprietà del tessuto 11. La funzione più importante della cartilagine articolare è la capacità di sopportare forze di compressione e di taglio entroil giunto, quindi deve avere alta compressione e moduli di taglio. La mancanza di resistenza meccanica funzionale e ultrastruttura fisiologico nella cartilagine ingegnerizzata ha provocato la rottura di neo-cartilagine in vivo e il fallimento delle strategie di sostituzione della cartilagine delle articolazioni. Sebbene compressione e taglio sono stati comunemente dimostrato di modulare e migliorare la resistenza meccanica del biocompositi cartilagine articolare, un approccio combinazione è rara 6,12-15. Wartella e Wayne 16 progettato un bioreattore che applicata tensione e compressione per la produzione di sostituti della cartilagine meniscale. Waldman et al. 15 progettato un dispositivo per applicare compressione e taglio di condrociti coltivati ​​in un substrato poroso calcio polifosfato. Bian et al. 17 hanno dimostrato proprietà meccaniche corrispondenti cartilagine nativa con la coltivazione in vitro dei condrociti canini adulti in gel e applicazione di biassiale mechmeccanicaa carico (compressione deformante carico e scorrevole contatto carico). Il carico biassiale bioreattore meccanico è stato originariamente progettato da Danielle Chu nel nostro laboratorio con l&#39;obiettivo generale di indurre adattamenti morfologici in tessuto cartilagineo ingegnerizzato costruisce con conseguente più alti moduli di compressione e di taglio rispetto a quelli attualmente disponibili 18. Crediamo che questa ricerca aumenterà in modo significativo la nostra comprensione più ampia di come mechanotransduction può essere modulata per ingegnere tessuti clinicamente rilevanti.

<table border="1">
		<tbody>
		 <tr>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>REAGENTS</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>DMEM, High glucose, pyruvate</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>11995</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Agarose Type II</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>CAS 39346-81-1 </td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Penicillin Streptomycin Glutamine 100X</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>10378-016</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>ITS+ Premix</td>
			<td>BD Biosciences</td>
			<td>354352</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Pen Strep Glutamine</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>10378-016</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Amphotericin B</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>041-95780</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Ascorbic Acid</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>A-2218</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Nonessential Amino Acid Solution 100x</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>M-7145</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>L-proline</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>P-5607</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Dexamethasone</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>D-2915</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Recombinant Human Transforming Growth Factor &beta;1</td>
			<td>R&amp;D Systems</td>
			<td>240-B-010</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>EQUIPMENT</td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Model 31 Load Cell (1000 g)</td>
			<td>Honeywell</td>
			<td>AL311</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Single Channel Display</td>
			<td>Honeywell</td>
			<td>SC500</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>50 mm Linear Encoded Travelmax Stage with Stepper Actuator</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>LNR50SE/M</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Two Channel Stepper Motor Controller</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>BSC102</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>50 mm Trapezoidal Stepper Motor Drive (2)</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>DRV014</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Adjustable Kinematic Locator (4)</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>KL02</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Precision Right Angle Plate</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>AP90/M</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Vertical Mounting Bracket</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>LNR50P2/M</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Solid Aluminum Breadboard</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>MB3030/M</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Gel Casting System with 1.5 mm and 0.75 mm spacer plates </td>
			<td>BioRad</td>
			<td>#1653312 and #1653310 </td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Disposable Biopsy Punch, 5 mm</td>
			<td>Miltex, Inc.</td>
			<td>33-35</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>16 mm hollow punch</td>
			<td>Neiko Tools</td>
			<td></td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Non-Tissue Culture Treated Plates, 24 Well, Flat Bottom</td>
			<td>BD Biosciences</td>
			<td>351147</td>
			<td></td>
		 </tr>
		 <tr>
			<td>Ultra-Moisture-Resistant Polysulfone sheet for loading platens</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>86735k19</td>
			<td>Custom-machined</td>
		 </tr>
		</tbody>
 </table>

design of a biaxial mechanical loading bioreactor for tissue engineering

Abbiamo progettato un dispositivo di caricamento che è in grado di applicare sollecitazioni meccaniche monoassiale o biassiale ad un tessuto biocompositi costruiti fabbricati per il trapianto. Mentre il dispositivo funziona principalmente come un bioreattore che imita le sollecitazioni meccaniche native, è anche dotato di una cella di carico per fornire forza feedback o prove meccaniche dei costrutti. I soggetti di dispositivi progettati costrutti cartilagine biassiale carico meccanico con grande precisione di dose di carico (ampiezza e frequenza) ed è abbastanza compatto per adattarsi all&#39;interno di un tessuto culturale incubatore standard. Si carica campioni direttamente in una piastra di coltura tissutale, e molteplici dimensioni piatto sono compatibili con il sistema. Il dispositivo è stato progettato utilizzando componenti prodotti per applicazioni laser a guida di precisione. Carico biassiale è compiuta da due fasi ortogonali. Gli stadi hanno una gamma di corsa 50 mm e sono azionati in modo indipendente da stepper attuatori motore controllata daun passo-passo del driver a circuito chiuso del motore che dispone di funzionalità di micro-stepping, consentendo dimensioni passo inferiori a 50 nm. Un polisulfone caricamento platina è accoppiato alla piattaforma mobile biassiale. Movimenti delle fasi sono controllate da Thor-laboratori Advanced Positioning Technology (APT) software. Il driver motore passo-passo viene utilizzato con il software per regolare i parametri di carico di frequenza e ampiezza di taglio e compressione sia indipendente e simultaneo. Retroazione di posizionamento è fornita da encoder ottici lineari che hanno una ripetibilità bidirezionale di 0,1 micron e una risoluzione di 20 nm, traducendo ad una precisione di posizionamento inferiore a 3 micron sulla intero 50 mm di corsa. Questi encoder forniscono la necessaria retroazione di posizione per l&#39;elettronica di azionamento per garantire reali capacità nanopositioning. Per fornire la retroazione di forza per rilevare contattare e valutare le risposte di carico, una cella di carico miniatura precisione è posizionato tra la piastra di carico e la movinpiattaforma g. La cella di carico è elevata precisione di 0,15% al ​​0,25% del fondo scala.

Il dispositivo è stato testato utilizzando gel di agarosio seminato con 20 milioni di cellule / ml e condrociti coltivati ​​in presenza di monoassiale (compressione) o biassiale (compressione e taglio) carico meccanico. Condrociti suina primari sono stati isolati dalla cartilagine articolare di 2-4 mesi di età maiali. Diametro di 5 mm e 1,5 campioni mm di spessore sono stati coltivati ​​in 2 ml di definito terreno di coltura condrogenico (High glucosio DMEM, 1% ITS + premiscela, 100 U / ml penicillina, 100 ug ...

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Design of a Biaxial Mechanical Loading Bioreactor for Tissue Engineering

Abbiamo progettato un nuovo bioreattore carico meccanico in grado di applicare sollecitazioni meccaniche monoassiale o biassiale per un biocomposite cartilagine prima del trapianto in un difetto della cartilagine articolare.

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