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

Este trabalho foi apoiado pelo Escritório de Investigação e Desenvolvimento, RR &amp; D Service, do Departamento de Assuntos de Veteranos dos EUA, NIH COBRE 1P20RR024484, NIH K24 AR02128 eo Departamento de Defesa W81XWH-10-1-0643.

1. Biaxial Carregando biorreator projeto <ol><li> O biorreactor emprega duas fases produzidos pela Thor-labs (Newton, MA) para aplicações de laser guiadas com precisão para a aplicação uniaxial ou biaxial de tensão mecânica para engenharia de tecidos, com uma grande precisão da dose de carga (amplitude e frequência), e aplicação a uma ampla variedade de condições de cultura de tecidos a partir de único para placas de 24 poços (Figura 1). </li><li> Carga bi-axial é realizada por duas fa...

<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>

Nós projetamos um dispositivo de carga que é capaz de aplicar uniaxial ou biaxial tensão mecânica de tecido construções engenharia fabricados para transplante. O dispositivo pode ser usado como um biorreactor de cultivo in vitro de biocompósitos engenharia ou como um dispositivo de teste para descrever as características mecânicas do tecido nativo ou após outros tratamentos anteriores. Os sujeitos de dispositivos concebidos para construções de tecido biaxial de carregamento mecânico com grande prec...

Nós projetamos um biorreator de carga que é capaz de aplicar uniaxial ou biaxial tensão mecânica a um tecido biocompósitos engenharia fabricados para transplante. Este dispositivo é concebido principalmente como um biorreactor para substituições de engenharia para a cartilagem articular, mas também poderia ser utilizado para outros tecidos estruturais no corpo humano. A nossa motivação neste projeto biorreator decorre Drachman e Sokoloff 1, que fez a observação seminal de formação anormal da cartilagem articular em embriões de galinha paralisadas devido à falta de movimento. Da mesma forma, o exercício físico é essencial para o desenvolvimento do músculo normal e osso. De acordo com este conceito, muitos grupos de pesquisa têm investigado como diferentes modos de estímulos físicos durante o cultivo in vitro modula as propriedades bioquímicas e mecânicas dos biocompósitos célula-biomaterial e explantes de tecido 2-7. O conceito de engenharia de tecidos funcionaisenvolve a utilização in vitro de estímulos mecânicos para melhorar as propriedades funcionais de tecidos, isto é, as propriedades mecânicas, que permitem que o tecido para resistir ao esperado no stress in vivo e coe 8,9. Numerosos estudos relatam o uso carregamento mecânico em termos de cisalhamento e compressão para estimular construções cartilagem de engenharia para juntas articulares. Mauck et al. 10 sugerem que a carga mecânica sozinha pode induzir condrogénese de células estaminais mesenquimais, mesmo na ausência de factores de crescimento que são consideradas vitais. Aplicação de carregamento mecânico intermitente, tais como a compressão de cisalhamento ou durante o cultivo de tecidos tem sido mostrado para modular a formação do osso e cartilagem, no entanto, a dosimetria óptima de alimentação varia com as propriedades do tecido celular e 11. A função mais importante das cartilagens articulares é a capacidade de resistir a forças de compressão e de corte dentroa articulação, portanto, ele tem que ter alta compressão e módulos de cisalhamento. A falta de resistência mecânica funcional e ultra fisiológico na cartilagem engenharia resultou na degradação em neo-cartilagem in vivo e a insuficiência das estratégias de substituição de cartilagem em articulações. Apesar de compressão e de cisalhamento têm sido comumente demonstrado modular e melhorar a resistência mecânica da cartilagem articular biocompósitos, uma abordagem combinada é raro 6,12-15. Wartella e Wayne 16 projetou um biorreator que se aplica a tensão e compressão para produzir substitutos de cartilagem do menisco. Waldman et al. 15 concebido para aplicar um dispositivo de compressão e de cisalhamento de condrócitos em cultura num substrato poroso polifosfato de cálcio. Bian et al. 17 demonstraram propriedades mecânicas correspondentes cartilagem nativa com a cultura in vitro de condrócitos caninos adultos em geles e aplicação de biaxial Mechmecânicos de carregamento (compressão deformational carga e deslizamento de carga de contato). O biaxial biorreator carregamento mecânico foi originalmente concebido por Danielle Chu em nosso laboratório com o objetivo geral de induzir adaptações morfológicas em tecido de cartilagem engenharia constrói resultando em módulos de compressão e de cisalhamento mais elevadas do que as actualmente disponíveis 18. Acreditamos que esta pesquisa irá aumentar significativamente a nossa compreensão mais ampla de como mechanotransduction pode ser modulada para engenheiro de tecidos clinicamente relevantes.

<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

Nós projectamos um dispositivo de carregamento que seja capaz de aplicar uniaxial ou biaxial de tensão mecânica para um tecido de engenharia biocompósitos fabricadas para transplante. Enquanto o dispositivo funciona principalmente como um biorreactor que imita as tensões mecânicas nativas, também está equipado com uma célula de carga para fornecer feedback força ou teste mecânico das construções. Os sujeitos dispositivo projetado construções cartilagem biaxial carga mecânica com grande precisão de dose de ataque (amplitude e freqüência) e é compacto o suficiente para caber dentro de uma cultura de tecidos incubadora padrão. Ele carrega amostras directamente numa placa de cultura de tecidos e em vários tamanhos de placas são compatíveis com o sistema. O dispositivo foi projetado com componentes fabricados para aplicações de laser guiadas com precisão. Carga bi-axial é realizada por duas fases ortogonais. As fases têm uma faixa de percurso 50 mm, e são conduzidos independentemente por actuadores do motor de passo, controlado porum motorista de circuito fechado do motor deslizante que possui capacidades de micro-stepping, permitindo tamanhos de passo de menos de 50 nm. Uma polissulfona de carregamento cilindro está acoplada à plataforma em movimento bi-axial. Movimentos dos estágios são controlados por Thor-laboratórios de Tecnologia Avançada de Posicionamento (APT) software. O excitador do motor de passo é usado com o software para ajustar os parâmetros de carregamento de frequência e amplitude de cisalhamento e compressão, tanto independentemente como simultaneamente. Realimentação de posição é fornecida por codificadores ópticos não lineares que têm uma repetibilidade bidireccional de 0,1 um e uma resolução de 20 nm, traduzindo-se uma precisão de posicionamento inferior a 3 um sobre o total de 50 mm de curso. Estes encoders fornecer o necessário feedback de posição no sistema eletrônico da unidade para garantir verdadeiras capacidades nanoposicionamento. A fim de proporcionar a realimentação de força para detectar e avaliar respostas contacto de carga, uma célula de carga em miniatura precisão está posicionado entre o cilindro de carregamento e o movendoplataforma g. A célula de carga tem grandes precisões de 0,15% a 0,25% da escala total.

O aparelho foi testado utilizando géis de agarose semeada com 20 milhões de células / ml e condrócitos cultivados na presença de uniaxial (compressão) ou biaxial (compressão e ao cisalhamento) a carga mecânica. Condrócitos porcinos primários foram isolados a partir da cartilagem articular de porcos de 2-4 meses de idade. Mm de diâmetro, e as amostras de espessura 1,5 milímetros 5 foram cultivados em 2 ml de meio de cultura condrogénica definida (glicose elevada DMEM, 1% de ITS + Premix, com 100 U / ml de pe...

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Design of a Biaxial Mechanical Loading Bioreactor for Tissue Engineering

Nós projetamos um novo biorreator carga mecânica que pode aplicar uniaxial ou biaxial de tensão mecânica para um biocomposite cartilagem antes do transplante em um defeito da cartilagem articular.

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We  designed a loading device that is capable of applying uniaxial or biaxial  mechanical strain to a tissue engineered biocomposites fabricated for  ...

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