شبیه‌سازی اثر جریان برشی سیال محیط کشت بر سلول‌های بنیادی با استفاده از داربست‌های مهندسی بافت سخت

اهداف: داربست به‌عنوان سازه نگهدارنده سلول از اهمیت ویژه‌ای در مهندسی بافت استخوان برخوردار است. قرارگیری داربست در محیط کشت دینامیک، مانند بیوراکتور نفوذی، نقش پارامترهای مکانیکی از قبیل تنش برشی و فشار هیدرودینامیک را پررنگ‌تر می‌کند. از سویی دیگر، این پارامترهای مکانیکی به شدت متاثر از طرح داربست هستند. در این پژوهش به بررسی تاثیر طرح داربست استخوانی بر نحوه‌ عملکرد تحریک‌های مکانیکی و پیش‌بینی سرنوشت سلول‌های بنیادی مزانشیمی پرداخته می‌شود.مواد و روش‌ها: با استفاده از ابزار شبیه‌‌سازی کامپیوتری و روش‌های اجزای محدود، پنج داربست استخوانی (با نام‌های جیروید، جیروید پرتخلخل، دیاموند، iwp و داربست با شیب اندازه تخلخل) مبتنی بر توابع ریاضی سطوح ضمنی طراحی شدند و در محیط کشت دینامیک شبیه‌سازی‌شده تحت عبور جریان سیال با سرعت‌های ورودی 1، 10، 25، 50 و 100 میکرومتر بر ثانیه قرار گرفتند. تجمع سلول‌ها روی داربست‌های جیروید و iwp به‌صورت یک لایه به ضخامت 8/5 میکرون در نظر گرفته شد.یافته‌ها: با توجه به نتایج به‌دست‌آمده، داربست با طرح دیاموند بهترین عملکرد را از منظر یکنواختی تنش‌های ایجادشده به خود اختصاص داد. در حضور لایه‌ سلولی، تنش فون مایسز به میزان 60 و 50مگاپاسکال به‌ترتیب در داربست‌های جیروید و iwp به دست آمد که تمایز استخوانی را تسهیل خواهد نمود.نتیجه‌گیری: استفاده از داربست با شیب اندازه تخلخل موجب اعمال تنش‌های متفاوت در بخش‌های مختلف داربست می‌شود و این امر در مورد کاربردهای نوین داربست‌های استخوانی برای ایجاد تمایز‌های سلولی مختلف به‌طور همزمان بسیار مفید است.

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

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 100 mu;m/s. Cell accumulation on the inner part of the scaffold was considered as an 8.5micron 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 multidifferentiation of the cells on the same scaffold.