ارائه مدلي هايپر‌ويسكوالاستيك براي سلول بنيادي تحت بارگذاري تناوبي به منظور مدولاسيون مكانيكي در راستاي تمايز به سلول هاي غضروف ليفي

A hyper-viscoelastic model for an individual stem cell subjected to cyclic loading for mechanical modulation toward differentiating to Fibrochondrocytes

سلول هاي بنيادي مزنشيمال به خاطر داشتن توانايي خودنوزايي و تمايز به رده هاي گوناگون سلولي گزينه هاي ايده آل مهندسي بافت بازايجادگر هستند. اين سلول ها در پاسخ به تحريكات مكانيكي مانند كرنش هاي تناوبي به سمت تمايز يافتن به سلول هايي كه در درون بدن بارگذاري مشابهي را تجربه ميكنند، مانند سلول هاي استخواني و غضروفي، هدايت مي شوند. در اين تحقيق هدف بررسي اثر كرنش تناوبي 10 درصد با فركانس 1 هرتز روي پاسخ مكانيكي يك سلول مزنشيمال كاشته شده درون يك بلوك فيبريني، به روش اجزاي محدود و با در نظر گرفتن نقش اينتگرين‌ها و به‌كارگيري مدل هايپرويسكوالاستيك سيمو براي اسكلت سلول است تا زماني كه اين بارگذاري تك محوره، از طريق مدولاسيون مكانيكي، سلول را در مسير تمايز به يك سلول بالغ غضروف ليفي قرار دهد. نتايج مدل ارائه شده نشان مي دهد كه متوسط تنش هاي محيطي، شعاعي و برشي به ترتيب تا 240، 260 و 140 پاسكال و نيروهاي متناظر تا 24، 45 و 15 پيكونيوتن مي رسند كه براي انگيزش سلول به پاسخي متفاوت نسبت به شرايطي كه در آن بارگذاري وجود ندارد، كافي است. نتايج اين پژوهش مي‌تواند در راستاي طراحي بهتر آزمايشات زيستي بسيار موثر باشد.

Stem cells due to their ability for self-renewal and the potential of differentiating to different cell lineages are the ideal choices in regenerative tissue engineering. Under cyclic loading, these cells could differentiate to those kinds of cells that experience similar conditions inside the body, like osteocytes and chondrocytes. In this research, the purpose is to investigate the effect of the 10 percent cyclic strain with the frequency of 1 Hertz on the mechanical response of a single mesenchymal stem cell cultured in a fibrin hydrogel block, using the finite element method and considering the role of integrins and implementing the Simo’s hyper-viscoelastic model for the cytoskeleton as long as the uniaxial loading leads the cell to differentiate toward Fibrochondrocytes. The results of presented model show that the averages of the circumferential, radial and shear stresses are 240, 260 and 140 Pascal, respectively and corresponding forces are 24, 45 and 15 Pico-Newton. The results imply that stresses and forces generated inside the cytoskeleton are large enough to elicit a different response from the cell. These research results can be very effective for better design of biological experiments.