نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

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

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

10.22041/ijbme.2020.116367.1533

چکیده

کشت موفقیت‌آمیز سلول در داربست‌های سه‌بعدی با سایز بزرگ یکی از چالش‌های مهم در مهندسی بافت بوده و نیازمند کنترل محیط از نظر خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی است. اخیرا استفاده از چاپ‌گرها جهت ساخت داربست­های سه­بعدی با استفاده از آرایش ساختاری فیبرها بسیار توسعه یافته است، چرا که امکان مشخص کردن طرح ساختاری هندسه‌ی داربست قبل از ساخت را فراهم می‌سازد. هدف این مطالعه، آنالیز و بررسی پارامترهای موثر هندسی داربست سه­بعدی متخلخل از نظر انتقال جرم و مومنتوم بوده که در این راستا برای حل معادلات انتقال مومنتوم و جرم از نرم‌افزار کامسول استفاده شده است. در داربست­های سه‌بعدی، ساختاری بهینه است که محیط مناسب‌تری را برای سلول‌های کشت شده فراهم سازد تا تعداد سلول‌های قرار گرفته در داربست افزایش یابد. غلظت اکسیژنی که به سلول­های استخوان می­رسد باید بیش‌تر از 02/0 مول‌برمترمکعب باشد تا سلول­ها دچار مرگ نشوند. نکته‌ی مهم دیگر 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 هندسی مختلف مانند قطر و فاصله‌ی فیبرها و عرض عبور سیال از بین فیبرها و بررسی نتایج حاصل از شبیه‌سازی، ساختار مناسب از نظر حداکثر تنش برشی وارد بر سلول­ها و حداقل غلظت اکسیژن به دست آمده و سپس تاثیر سرعت سیال ووردی بر حداکثر تنش برشی در این ساختار مناسب بررسی شده است. در این ساختار بهینه، قطر فیبرها برابر با 25/0 میلی‌متر، فاصله‌ی بین فیبرها برابر با 25/0 میلی‌متر و عرض عبور سیال برابر با 25/0 میلی‌متر بوده و سرعت ورود سیال برابر با 5-10×5 متربرثانیه می‌باشد.

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 1
  • Maryam Saadatmand 2
  • Shohreh Mashayekhan 2

1 B.Sc. Student, Department of Chemical and Petroleum Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran

2 Assistant Professor, Department of Chemical and Petroleum Engineering, 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
[1]   S. Badylak, T. Gilbert, J. Myers-Irvin, “The extracellular matrix as a biologic scaffold for tissue engineering” in Tissue Engineering, 1st ed , Academic Press. pp. 121–143, 2008.
[2]   S. Zhang, S. Vijayavenkataraman, W. Feng Lu, J. Y H Fuh. “A review on the use of computational methods to characterize, design, and optimize tissue engineering scaffolds, with a potential in 3D printing fabrication” J Biomed Mater Res Part B, vol. 107, pp. 1329–1351, Aug. 2018.
[3]   B. Dhandayuthapani, Y. Yoshida, T. Maekawa, D. Sakthi Kumar, “Polymeric scaffolds in tissue engineering application: a review”, Int. J. Polym. Sci. 19 pp, Jul. 2011.
[4]   م افضلی، م­ میرحسینی، ح ملاحسینی، ح نیکوکار “مروری بر مهندسی بافت و عملکرد آن ها در پزشکی بازساختی ” مجله عملی پژوهشی دانشکاه علوم پزشکی شهید صدوقی یزد، دوره 26، شماره 2،صفحه 140-126، اردیبهشت 1397
[5]   O’Brien FJ. “Biomaterials and scaffolds for tissue engineering”. Mater Today. Vol. 14, no. 3, pp. 88–95, Mar. 2011.
[6]   C.J. Galban and B.R. Locke, “Analysis of cell growth in a polymer scaffold using a moving boundary approach”, Biotechnol and Bioeng, vol. 56, no. 4, pp. 422–432, Nov. 1997.
[7]   Li J, Chen M, Fan X, Zhou H. “Recent advances in bioprinting techniques: approaches, applications and future prospects” J Transl Med.14, no. 271, Sep. 2016.
[8]   Shakeel, M. “2-D coupled computational model of biological cell proliferation and nutrient delivery in a perfusion bioreactor” Math. Biosci. Vol. 242, pp. 86–94, Jan. 2013
[9]   Sobral JM, Caridade SG, Sousa RA, Mano JF, Reis RL. “Three dimensional plotted scaffolds with controlled pore size gradients: Effect of scaffold geometry on mechanical performance and cell seeding efficiency” Acta Biomater, vol. 7, pp. 1009–1018, Mar. 2011
[10]         Zehi Mofrad, Sh, Mashayekhan, D. Bastani, “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, Dec. 2017.
[11]Eshraghi S, Das S. “Micromechanical finite-element modeling and experimental characterization of the compressive mechanical properties of polycaprolactone– hydroxyapatite composite scaffolds prepared by selective laser sintering for bone tissue engineering”, Acta Biomater, pp. 3138-43, Aug, 2012.
[12]N. Uth, J. Mueller, B. Smucker, and A-M. Yousefi, “Validation of scaffold design optimization in bone tissue engineering: Finite element modeling versus designed experiments”, Biofabrication , Vol. 9, No. 1, pp. 015023, Mar. 2017.
[13]J.W. Jung, H.-G. Yi, T.-Y. Kang, W.-J. Yong, S. Jin, W.-S. Yun, D.-W. Cho, “Evaluation of the effective diffusivity of a freeform fabricated scaffold using computational simulation”, J. Biomech. Eng. Vol.  135, No. 8, 084501, Aug. 2013.
[14]Pierre J, Oddou C. “Engineered bone culture in a perfusion bioreactor: a 2D computational study of stationary mass and momentum transport” Comput Methods Biomech Biomed Engin, vol. 10, no. 6, pp. 429-38, Dec. 2007
[15]Salim, R.P. Nacamuli, E.F. Morgan, A.J. Giaccia and M.T. Longaker “Transient changes in oxygen tension inhibit osteogenic differentiation and runx2 expression in osteoblasts,”  J. Biol. Chem., vol. 279, no. 38, pp. 40007–40016, Jul. 2004.
[16]T. Arnett, D. Gibbons, J. Utting, I. Orriss, A. Hoebertz, M. Rosendaal and S. Meghji, “Hypoxia is a major stimulator of osteoclast formation and bone resorption”, J. Cell. Physiol, vol. 196, pp. 2–8, Mar. 2003.