نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی مهندسی شیمی، دانشکده‌ی مهندسی شیمی و نفت، دانشگاه صنعتی شریف، تهران

2 استادیار، دانشکده‌ی مهندسی شیمی و نفت، دانشگاه صنعتی شریف، تهران

چکیده

علی‌رغم پیشرفت‌های حاصل در مهندسی بافت، یکی از مشکلات تولید بافت‌های ضخیم، نحوه‌ی اکسیژن‌رسانی به سلول‌های عمقی بافت مهندسی‌شده و ایجاد شبکه‌های رگی درون بافت‌ها می‌باشد‍‍. یکی از راه‌های مقابله با این مشکل، ایجاد شبکه‌ی کانال‌های میکروفلوییدیک درون داربست متخلخل می‌باشد، که این کانال‌ها می‌توانند علاوه بر بهبود اکسیژن‌رسانی‌، قالبی را برای ایجاد رگ‌های طبیعی حاصل از رشد سلول‌های رگ‌زا فراهم آورند. در این مقاله، توزیع اکسیژن محلول در آب در یک داربست دوبعدی دارای کانال‌های میکروفلوییدیکی شاخه‌ای با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی شبیه‌سازی شده است. بدین منظور، معادلات جریان مایع و انتقال اکسیژن با استفاده از شرایط مرزی، شرایط اولیه و پارامترهای مناسب حل شده‌اند. توزیع اکسیژن در داربست بدون کانال و داربست‌های دارای کانال برای مراحل صفرم تا سوم دو شاخه‌شدن با زاویه‌ی شاخه‌ای ۴۵ درجه به دست آمده است. نتایج نشان داد که یک کانال با دو مرحله‌ی شاخه‌ای، توزیع اکسیژن مناسب به همراه سطح آزاد کافی برای رشد سلول‌ها را فراهم می‌کند، که مطابق با مراجع می‌باشد. در ادامه، زاویه‌ی دو شاخه‌ای در ساختار دو مرحله‌ای به ۳۵ کاهش داده شد که افزایش سطح غیرهایپوکسیک را به همراه داشت. به صورت کلی، با طراحی بهینه‌ی زاویه‌ی کانال‌های شاخه‌ای در داربست، می‌توان سطح قابل توجهی از داربست را اکسیژن‌رسانی نمود، در حالی‌که سطح کافی برای رشد سلول‌ها نیز وجود داشته باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Simulation of Oxygen Distribution in a Scaffold with Microfluidic Channels for Tissue Engineering

نویسندگان [English]

  • Shahryar Ramezani Bajgiran 1
  • Maryam Saadatmand 2

1 BSc. Student, Chemcial and Petroleum Engineering Department, Sharif University of Technology, Tehran, Iran

2 Assistant Professor, Chemcial and Petroleum Engineering Department, Sharif University of Technology, Tehran, Iran

چکیده [English]

Despite the advancements made in the tissue engineering, one of the obstacles in producing thick tissues is the means of oxygen transport to the deep layered cells of the engineered tissue and creating the network of veins inside the tissue. One way to overcome this problem is to create a microfluidic network of channels inside the porous scaffold. These channels can both enhance the oxygenation and produce a mold for the natural vessels created by the angiogenesis cells. In this paper the dissolved oxygen distribution inside a 2D scaffold, which contains bifurcation based microfluidic channels, has been simulated by the means of computational fluid dynamics. To achieve this, the liquid flow and oxygen transport equations have been solved with considerations to the boundary conditions and suitable parameters. The oxygen transport has been found for the static scaffold, and the scaffolds made from the 0 order to third order of bifurcation with a bifurcation angle of 45 degrees. The results have shown that the scaffold with the second order of bifurcation has a better oxygen distribution and also more free area for the cell proliferation, which is consistent with the references. Next, the bifurcation angle was reduced to 35 degrees for the second order scaffold which resulted in an increase in the non-hypoxic area. Generally, by designing optimized angle of bifurcation based channels, a significant area can be oxygenated, while there will be sufficient surface available for cell proliferations.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Tissue engineering
  • Scaffold
  • Microfluidics
  • Oxygenation
  • Simulation
[1]     R. M. Nerem, A. Sambanisو “Tissue Engineering: From Biology to Biological Substitutes,” Tissue Eng., vol.1, pp.3-9, 1995.
[2]      L.G. Griffith, G. Naughton, “Tissue engineering-current challenges and expanding opportunities,” Science, vol. 295, pp. 1009-1014, 2002.
[3]     J.A. Helsen, Y. Missirlis, “Tissue Engineering: Regenerative Medicine,” In: Biomaterials, Biological and Medical Physics, Biomedical Engineering, Springer-Verlag Berlin Heidelberg pp. 271– 276, 2010.
[4]     D.A. Brown, et al., “Analysis of oxygen transport in a diffusion limited model of engineered heart tissue,” Biotechnol. Bioeng., vol. 97, pp. 962-975, 2007.
[5]     A. Khademhosseini, R. Langer, “Microengineered hydrogels for tissue engineering,” Biomaterials, vol. 28, pp. 5087-5090, 2007.
[6]     G.Y. Huang, et al., “Microfluidic hydrogels for tissue engineering,” Biofabrication, vol. 3, 2011.
[7]     W. Lee, et al., “On‐demand three‐dimensional freeform fabrication of multi‐layered hydrogel scaffold with fluidic channels,” Biotechnol. Bioeng., vol. 105, pp. 1178-1186, 2010.
[8]     N.W. Choi, et al., “Microfluidic scaffolds for tissue engineering,” Nat. Mater., vol. 6, pp. 908-915, 2007.
[9]     M. Radisic, et al., “Mathematical model of oxygen distribution in engineered cardiac tissue with parallel channel array with culture medium containing oxygen carriers,” Am J. Physiol. Heart Circ. Physiol. vol. 288, pp. 1287-1289, 2005.
[10] R. Fan, et al., “Leaf-inspired artificial microvascular networks (LIAMN) for three-dimensional cell culture,” RSC Adv., vol. 5, pp. 90596-90601, 2015.
[11]           H. Koo, O. D. Velev, “Design and characterization of hydrogel-based microfluidic devices with biomimetic solute transport networks,” Biomicrofluidics, vol. 11, pp. 024104-3, 2017.
[12] P. Xu, et al. “Transport Phenomena and Properties in Treelike Networks,” Appl. Mech. Rev., vol. 68, pp. 040802-13, 2016.
[13]           T. Y. Kang, et al., “Design and Assessment of a Microfluidic Network System for Oxygen Transport in Engineered Tissue,” Langmuir, vol. 29, pp. 701-709, 2013.
[14] Tae-Yun Kang, et al., “The realistic prediction of oxygen transport in a tissue-engineered scaffold by introducing time-varying effective diffusion coefficients,” Acta Biomater., vol. 7, pp. 3345-3353, 2011.
[15]           A. Zehi Mofrad, et al., “Simulation of the effects of oxygen carriers and scaffold geometry on oxygen distribution and cell growth in a channeled scaffold for engineering myocardium,” Math. Biosci., Vol. 294, pp. 160-171, 2017.
[16] T. F. Sherman, “On connecting large vessels to small. The meaning of Murray’s law,” J. Gen. Physiol., vol. 78, pp. 431−453, 1981.
[17] H. Kitaoka, B. Suki, “Branching design of the bronchial tree based on a diameter-flow relatiosnhip,” J. Appl. Physiol., vol. 82, pp. 968-976, 1997.
[18] K. Vafai, C. Tien, “Boundary and inertia effects on flow and heat transfer in porous media” Int. J. Heat Mass Transfer, vol. 24, pp.195-203, 1981.
[19] K. Vafai, “Convective flow and heat transfer in variable-porosity media,” J. Fluid Mech., vol. 147, pp. 233-259, 1984.