شبيه‌سازي اثر جريان برشي سيال محيط كشت بر سلول‌هاي بنيادي با استفاده از داربست‌هاي مهندسي بافت سخت

Simulation of the Effects of Shear Flow of the Culture Medium Fluid on Stem Cells using the Scaffolds of Hard Tissue Engineering

هداف: داربست به‌عنوان سازه نگهدارنده سلول از اهميت ويژه‌اي در مهندسي بافت استخوان برخوردار است. قرارگيري داربست در محيط كشت ديناميك، مانند بيوراكتور نفوذي، نقش پارامترهاي مكانيكي از قبيل تنش برشي و فشار هيدروديناميك را پررنگ‌تر مي‌كند. از سويي ديگر، اين پارامترهاي مكانيكي به شدت متاثر از طرح داربست هستند. در اين پژوهش به بررسي تاثير طرح داربست استخواني بر نحوه‌ عملكرد تحريك‌هاي مكانيكي و پيش‌بيني سرنوشت سلول‌هاي بنيادي مزانشيمي پرداخته مي‌شود. مواد و روش‌ها: با استفاده از ابزار شبيه‌‌سازي كامپيوتري و روش‌هاي اجزاي محدود، پنج داربست استخواني (با نام‌هاي جيرويد، جيرويد پرتخلخل، دياموند، IWP و داربست با شيب اندازه تخلخل) مبتني بر توابع رياضي سطوح ضمني طراحي شدند و در محيط كشت ديناميك شبيه‌سازي‌شده تحت عبور جريان سيال با سرعت‌هاي ورودي 1، 10، 25، 50 و 100 ميكرومتر بر ثانيه قرار گرفتند. تجمع سلول‌ها روي داربست‌هاي جيرويد و IWP به‌صورت يك لايه به ضخامت 5/8 ميكرون در نظر گرفته شد. يافته‌ها: با توجه به نتايج به‌دست‌آمده، داربست با طرح دياموند بهترين عملكرد را از منظر يكنواختي تنش‌هاي ايجادشده به خود اختصاص داد. در حضور لايه‌ سلولي، تنش فون مايسز به ميزان 60 و 50مگاپاسكال به‌ترتيب در داربست‌هاي جيرويد و IWP به دست آمد كه تمايز استخواني را تسهيل خواهد نمود. نتيجه‌گيري: استفاده از داربست با شيب اندازه تخلخل موجب اعمال تنش‌هاي متفاوت در بخش‌هاي مختلف داربست مي‌شود و اين امر در مورد كاربردهاي نوين داربست‌هاي استخواني براي ايجاد تمايز‌هاي سلولي مختلف به‌طور همزمان بسيار مفيد است.

Aims: In bone tissue engineering, the scaffold as a supportive structure, plays a vital role. Putting the scaffold in dynamic cell culture, such as perfusion bioreactor, makes the role of mechanical parameters such as shear stress and hydrodynamic pressure more important. On the other hand, these mechanical parameters are influenced by scaffold architecture. In this study, the effects of bone scaffold architecture on mechanical stimuli have been analyzed and their effects on the mesenchymal stem cell fate have been predicted. Material & Methods: Using the tools of computer simulation, five bone scaffolds (Gyroid, high porous Gyroid, Diamond, IWP, and gradient architecture Gyroid) based on mathematical functions of minimal surfaces were designed and exposed in a simulated dynamic cell culture under the inlet velocities of 1, 10, 25, 50, and 100μm/s. Cell accumulation on the inner part of the scaffold was considered as an 8.5-micron layer. This layer was designed for Gyroid and IWP scaffolds. Findings: Based on the results, Diamond scaffold showed the most efficient performance from the homogeneity of stresses point of view. In the presence of the cell layer, the von Mises stress was reported as 60 and 50 mPa on the Gyroid and IWP scaffolds, respectively which eases osteogenic differentiation. Conclusion: In gradient architecture scaffolds under dynamic conditions, there is a gradient in shear stress that causes various signaling in different positions of theses scaffold and facilitates multi-differentiation of the cells on the same scaffold.