نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی شیمی و نفت - دانشگاه صنعتی شریف

2 کارشناسی مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی شیمی و نفت، دانشگاه صنعتی شریف

3 هیات علمی - دانشکده مهندسی شیمی و نفت - دانشگاه صنعتی شریف

4 گروه مهندسی پزشکی، دانشکده مهندسی شیمی و نفت، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

10.22041/ijbme.2020.116367.1533

چکیده

کشت موفقیت آمیز سلول در داربست های سه بعدی با سایز بزرگ یکی از چالش های مهم درمهندسی بافت می‌باشد و نیازمند کنترل محیط از نظر خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی است. اخیرا استفاده از چاپگر ها جهت ساخت داربست-های سه‌بعدی با استفاده از آرایش ساختاری فیبرها، توسعه بسیاری یافته است، چرا که طرح ساختاری هندسه داربست را می‌توان قبل از ساخت مشخص کرد. هدف مطالعه فعلی، آنالیز و بررسی پارامترهای موثر هندسی داربست سه‌بعدی متخلخل از نظر انتقال جرم و مومنتوم می‌باشد که در این راستا از نرم افزار کامسول استفاده شده و معادلات انتقال مومنتوم و جرم حل شده‌اند. در داربست‌های سه بعدی، ساختاری بهینه است که محیط مناسب تری را برای سلول های کشت شده فراهم کند تا تعداد سلولهای قرار گرفته در داربست افزایش یابند. غلظت اکسیژنی که به سلول‌های استخوان می‌رسد باید بیشتر از 02/0 مول بر مترمکعب باشد تا سلول‌ها دچار مرگ نشوند. نکته مهم دیگر نیز این است که تنش برشی وارد بر سلول‌ها از طرف جریان سیال باید به حدی باشد (بین 5-10 تا 3-10 پاسکال) که سلول‌ها از سطح داربست کنده و جدا نشوند. پس از تغییر پارامترهای مختلف هندسی مانند قطر و فاصله فیبرها و عرض عبور سیال از بین فیبرها و بررسی نتایج حاصل از شبیه سازی، ساختار مناسب از نظر حداکثر تنش برشی وارد بر سلول‌ها و حداقل غلظت اکسیژن به دست آمد و سپس تاثیر سرعت سیال ووردی بر حداکثر تنش برشی در این ساختار مناسب بررسی شد. در این ساختار بهینه، قطر فیبرها برابر 25/0 میلیمتر، فاصله بین فیبرها برابر 25/0 میلیمتر و عرض عبور سیال برابر 25/0 میلیمتر است و سیال با سرعت 5-10×5 متر بر ثانیه وارد می شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Simulation of momentum and mass transport in a 3D porous scaffold

نویسندگان [English]

  • seyedeh sara kamali 1
  • Haniye Abdi Kordlar 2
  • maryam saadatmand 3
  • Shohreh Mashayekhan 4

1 Department of Chemical and Petroleum Engineering , Sharif University of Technology

2 Department of Chemical and Petroleum Engineering , Sharif University of Technology

3 Assistant Professor- Department of Chemical and Petroleum Engineering- Sharif University of Technology

4 Chemical and Petroleum Engineering Department, Sharif University of Technology Tehran, Iran

چکیده [English]

Successful cell culture in large scale 3D scaffolds in tissue engineering is still challenging and requires full control over physical, chemical and mechanical properties of the applied scaffolds. Recently, using printers for the fabrication of 3D scaffold with a structural arrangement of fibers has been extensively developed, because it is possible to define the structure of scaffold geometry before manufacturing. The aim of this study was the investigation of the effective geometrical parameters on the 3D symmetric porous scaffold from the mass and momentum transport phenomena point of view. In this way, the mass and momentum transfer equations were solved using COMSOL Multiphysics software. In 3D scaffolds, the optimum model is the one that can provide a more appropriate environment for the cultured cells leading an increase in the attached cell number. The oxygen concentration reaching the bone cells should be greater than 0.02 mol/m3 in order to prevent cell death. Moreover, the fluid shear stress regime must be such that (between 10-5 to 10-3 Pa) it could not cause cell detachment. After studying the results of the simulation and changing the different parameters such as fiber diameter, fiber distance and the width of the channels, the appropriate structure was obtained regarding maximum shear stress and minimum oxygen concentration, and then the effect of fluid flow rate on maximum shear stress was examined for the appropriate structure. The optimized model with a fiber diameter of 0.25 mm, a fiber distance of 0.25 mm, and a channel width of 0.25 mm was proposed that fluid flow inlet velocity was 5×10-5 m/s.

کلیدواژه‌ها [English]

  • 3D Scaffold
  • Simulation
  • COMSOL Multiphysics
  • Shear stress
  • Oxygen concentration