نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه تهران/فارغ التحصیل مقطع دکتری

2 دانشیار/دانشگاه تهران

3 انستیتو پاستور ایران

10.22041/ijbme.2023.1989428.1828

چکیده

ترمیم آسیب های بافت استئوکندرال به دلیل پیچیدگی بسیار زیاد این بافت و توانایی محدود در خود ترمیمی بافت غضروف آن را با چالش بزرگی روبرو کرده است. در این راستا مهندسی بافت با ارائه داربستهای حاوی سلول های بنیادی همراه با اعمال تنش های مکانیکی به عنوان راهکار پیشنهادی جدید برای ترمیم این بافت مورد توجه محققان قرار گرفته است. این مطالعه در مرحله نخست شامل ساخت داربست سه لایه فیبرویین ابریشم- نانو الیاف فیبرویین به روش خشکایش انجمادی و پس از آن شبیه سازی محاسباتی تحریک مکانیکی داربست حاوی سلول های بنیادی در بیوراکتور پرفیوژن به روش اجزای محدود و برهمکنش سیال-سازه جهت طراحی بهینه آزمون های سلولی و در مرحله آخر شامل انجام آزمون های سلولی بود. آزمون های مشخصه یابی نشان داد که این داربست از به‌هم پیوستگی بسیار خوبی در بین لایه ها برخوردار است و اندازه متوسط تخلخل ها در لایه استخوان، لایه میانی و غضروف به ترتیب 76،152 و 102 میکرون بود. این داربست بیومیمتیک، مدول فشاری MPa 0/4 و حداکثر مقاومت کششی MPa 10 را در حالت مرطوب دارد. نتایج شبیه‌سازی حاصل از عبور جریان سیال از داربست نشان داد که چنان‌چه لایه‌ی استخوان در مسیر ورودی جریان قرار گیرد، دامنه توزیع تنش برشی در داربست یکنواخت تر بوده و باعث تسهیل تمایز استخوانی و غضروفی می شود. همچنین نتایج تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان داد که پس از 14روز اعمال تنش مکانیکی، علاوه بر گسترش سلولی موجب نفوذ سلول ها به لایه های پایین ترداربست شده است. علاوه بر این اعمال جریان پرفیوژن به‌مدت 21 روز منجر به افزایش معنی‌دار بیان ژن‌های استخوان و غضروف توسط سلول‌های بنیادی بافت چربی خرگوش در لایه استخوان و غضروف داربست در مقایسه با کشت استاتیک شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Analysis of the Effect of Shear Stress on the Differentiation Response of Mesenchymal Stem Cells in Multi-Layered Nanocomposite Scaffold for Bone-Cartilage Tissue Engineering Using Computational Methods

نویسندگان [English]

  • Sara Zadegan 1
  • Bahman Vahidi 2
  • Nooshin Haghighipour 3

1 University of Tehran/PhD. graduate

2 Associate professor/University of Tehran

3 Pasteur Institute of Iran (IPI)

چکیده [English]

Repairing osteochondral defects (OCD) remains a formidable challenge due to the high complexity of native osteochondral tissue and the limited self-repair capability of cartilage. In this regard, the development of osteochondral tissue engineering with scaffolds seeded with stem cells along with mechanical stimulation has been considered by the researchers as a new proposed technique for the repair of this tissue. In this study, at first we fabricated an integrated and biomimetic trilayered Silk Fibroin (SF) scaffold containing SF nano fibers in each layer. Then fluid wall shear stress in different areas of the scaffold was predicted in dynamic cell culture condition under the inlet velocity of 0.4 ml/min in a perfusion bioreactor using finite elements and fluid-structure interactions methods. Finally, using the simulation results, osteogenesis and chondrogenesis of rabbit adipose derived stem cells (RADSCs) were analyzed. The results showed that this novel osteochondral graft has a seamlessly integrated layer structure and a high degree of pore interconnectivity. The average size of the pores in the bone layer, middle layer, and cartilage were 76, 152, and 102 microns, respectively. In addition, this biomimetic scaffold presented compressive moduli of 0.4 MPa and uitimate tensile strength of 10 MPa in the wet state. Also, based on the simulation analyses, the shear stress distribution is more uniform if the bone layer is exposed to the fluid inlet path which facilitates bone differentiation. Good adhesion and infiltration of cells were observed after 14 days dynamic culture. The results of expression analysis of differentiated genes in bone and cartilage layer containing RADSc after 21 days of culture under static and dynamic conditions showed that perfusion flow significantly upregulated the expression of bone and cartilage genes in the respective layers and downregulated the hypertrophy gene expression in intermediate layer of scaffold.

کلیدواژه‌ها [English]

  • perfusion bioreactor
  • osteochondral tissue
  • multi layered scaffold
  • Computational fluid dynamics
  • stem cells
  • silk fibroin