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ओस्टोजेनेसिस के लिए नए नैनोवायब्रेशनल बायोरिएक्टर का डिज़ाइन, निर्माण और लक्षण वर्णन - Phys.org

निर्माण से पहले सिमुलेशन का उपयोग करके इंजेक्शन मोल्ड टूल डिज़ाइन और मोल्ड भरण विश्लेषण (ए) संस्कृति प्लेट के साथ मोल्ड टूल का एक विस्फोटित दृश्य मोल्ड इंटरफ़ेस और इजेक्शन सिस्टम के प्रमुख घटकों को चित्रित करने के लिए दिखाया गया है। (बी) मोल्ड भरण विश्लेषण को दर्शाता है जो अनुमान लगाता है कि उपकरण में भाग गुहा पूरी तरह से एक दोष मुक्त भाग देने के लिए 3.65 सेकंड लेना चाहिए। साभार: वैज्ञानिक रिपोर्ट, doi: 10.1038 / s41598-019-49422-4              पुनर्योजी चिकित्सा में, वैज्ञानिक काफी अग्रिम तकनीकों का लक्ष्य रखते हैं जो स्टेम सेल वंश प्रतिबद्धता को नियंत्रित कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, नैनोस्केल पर मेसेनकाइमल स्टेम कोशिकाओं (MSCs) की यांत्रिक उत्तेजना 2-डी और 3-डी संस्कृति में ऑस्टोजेनेसिस (हड्डी के विकास) को प्रोत्साहित करने के लिए मैकेनेट्रांसक्शन मार्ग को सक्रिय कर सकती है। इस तरह के काम रासायनिक रूप से घटना को प्रेरित किए बिना MSCs के ऑटोलॉगस या एलोजेनिक स्रोतों से ग्राफ्ट सामग्री बनाकर हड्डी के ग्राफ्ट प्रक्रियाओं में क्रांति ला सकते हैं। नैदानिक ​​उपयोग के लिए कोशिकाओं के ऐसे यांत्रिक उत्तेजना में बढ़ती बायोमेडिकल रुचि के कारण, शोधकर्ताओं और चिकित्सकों दोनों को लगातार प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य परिणाम प्रदान करने के लिए एक स्केलेबल बायोरिएक्टर प्रणाली की आवश्यकता होती है। साइंटिफिक रिपोर्ट्स पर अब प्रकाशित एक नए अध्ययन में, पॉल कैंपसी और बायोमेडिकल इंजीनियरिंग, कंप्यूटिंग, भौतिकी, और आणविक, सेल और सिस्टम के विभागों में बहु-विषयक शोधकर्ताओं की एक टीम ने मौजूदा आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए एक नया बायोरिएक्टर सिस्टम तैयार किया।                                                       नए उपकरण में बायोरिएक्शंस के लिए एक वाइब्रेशन प्लेट, कैलिब्रेटेड और 1 kHz पर नैनोमीटर कंपन के लिए अनुकूलित, एक बिजली आपूर्ति इकाई है जो सेल विकास के लिए 30 एनएम कंपन आयाम और कस्टम छह अच्छी तरह से कल्चरवेयर उत्पन्न करता है। कल्चरवेयर में बायोरिएक्टर की चुंबकीय कंपन प्लेट को संलग्न करने के लिए चुंबकीय आवेषण थे। उन्होंने सिस्टम के भीतर प्रारंभिक जैविक प्रयोगों के बाद MSCs के भेदभाव की पुष्टि करने के लिए ओस्टोजेनिक प्रोटीन अभिव्यक्ति का आकलन किया। कैंपसी एट अल। 3-डी जेल निर्माणों के परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (एएफएम) ने यह सत्यापित करने के लिए निर्माण किया कि कंपन की उत्तेजना के दौरान जेल का तनाव सख्त नहीं हुआ। परिणामों ने कोशिका विभेदन की पुष्टि अकेले बायोरिएक्टर द्वारा प्रदान किए गए नैनो-कंपन संबंधी उत्तेजनाओं के परिणामस्वरूप की। ऑस्टियोपोरोसिस और पुराने ऑस्टियोआर्थराइटिस जैसी उम्र से संबंधित स्थितियों के कारण कंकाल की चोटों की बढ़ती घटना मानव जीवन की घटती गुणवत्ता का एक मीट्रिक है। बढ़े हुए अस्थि घनत्व या फ्रैक्चर हीलिंग के लिए उपचार का विकास मेसेनचाइमल स्टेम सेल (MSCs) के पुनर्योजी क्षमता के लिए प्रमुख लक्ष्य हैं। शोधकर्ताओं ने निष्क्रिय और सक्रिय रणनीतियों सहित कई तरीकों का उपयोग करते हुए यांत्रिक उत्तेजना के माध्यम से MSCs के नियंत्रित अस्थिकजनन (हड्डियों का विकास) का प्रदर्शन किया है। निष्क्रिय तरीके आम तौर पर सेल आसंजन प्रोफ़ाइल को प्रभावित करने के लिए सब्सट्रेट स्थलाकृति में परिवर्तन करते हैं, जबकि सक्रिय तरीकों में बाहरी स्रोतों से विभिन्न बलों के संपर्क शामिल हैं।                               FEA विश्लेषण ANSYS कार्यक्षेत्र 17.1 में हार्मोनिक प्रतिक्रिया को 1, kHz पर तेरह और पंद्रह पीजो सरणी शीर्ष प्लेट व्यवस्था पर निर्धारित करने के लिए किया गया था। (ए) तेरह पीजो सरणी का आरेख। (बी) पंद्रह पीजो सरणी का आरेख। (सी) 1 में कम से कम तेरह पीजो सरणी के नैनोस्केल विस्थापन की भविष्यवाणी की। (डी) 1 में कम से कम पंद्रह पीजो सरणी के नैनोस्केल विस्थापन की भविष्यवाणी की। साभार: वैज्ञानिक रिपोर्ट, doi: 10.1038 / s41598-019-49422-4              कैम्पी एट अल द्वारा वर्तमान कार्य। लघु विनिर्माण नैदानिक ​​परीक्षणों के लिए लागू एक अच्छा विनिर्माण अभ्यास (जीएमपी) संगत प्रणाली का निर्माण करने के लिए MSCs के नियंत्रित अस्थि-विज्ञान के लिए पहले से मौजूद डिजाइनों पर प्रगति करना चाहते हैं। निर्माण पर, टीम ने लेजर इंटरफेरोमेट्री का उपयोग बायोरिएक्टर की शीर्ष प्लेट से कंपन विस्थापन को सही ढंग से मापने के लिए किया था और संस्कृति के लिए उपयोग किए जाने वाले कुओं के भीतर उन उपकरणों को मान्य करने के लिए इस्तेमाल किया जो वे परिमित मौलिक विश्लेषण (एफईए) मॉडल पर आधारित थे। टीम ने डीडीएस आउटपुट के उच्च आवृत्ति घटकों को हटाने के लिए एक प्रत्यक्ष डिजिटल संश्लेषण तरंग (DDS) जनरेटर और एक पुनर्निर्माण फिल्टर का उपयोग किया ताकि सटीक नैनोविब्रेशन्स के लिए 1 kHZ की शुद्ध साइन लहर आउटपुट उत्पन्न हो सके।                                                                                      अनुसंधान टीम ने नैनो-कंपन उत्तेजना के संपर्क में MSCs के ओस्टोजेनिक प्रोटीन अभिव्यक्ति को निर्धारित करने के लिए जैविक प्रयोगों का प्रदर्शन करके बायोरिएक्टर प्रणाली के संचालन को मान्य किया। उन्होंने यह निर्धारित करने के लिए प्रयोगों में इस्तेमाल किए गए कोलेजन जेल पर AFM मापन किया कि जेल में कल्चरवेयर से संचारित कंपन। तब उन्होंने दिखाया कि जेल की कठोरता नैनो-कंपन के कारण नहीं बढ़ी है।                               पीपी और पॉलीस्टायरीन (पीएस) 6-अच्छी तरह से प्लेटों पर MG63 कोशिकाओं (ओस्टोजेनिक कोशिकाओं) के प्लाज्मा उपचार और माइक्रोस्कोपी छवियों की विभिन्न खुराक के बाद पीपी कल्चरवेयर के जल संपर्क कोण माप। डब्ल्यूसीए माप के एक प्लाट प्लाज्मा ट्रीटमेंट (ए) से पता चलता है कि कम से कम 30 सेकंड? डब्ल्यूसीए को एक स्तर पर महत्वपूर्ण रूप से बदलने की आवश्यकता होती है जो कोशिकाओं को पालन और प्रसार करने की अनुमति देगा। प्लाज्मा उपचार से पहले पीपी 6 अच्छी तरह से थाली पर MG63 कोशिकाओं की (बी) गैर-पालन की छवियां, (सी) प्लाज्मा पर MG63 कोशिकाओं के आसंजन और प्रसार का इलाज पीपी 6 अच्छी तरह से थाली, और (डी) MG63 कोशिकाओं एक मानक पर सुसंस्कृत कॉर्निंग पीएस 6-अच्छी तरह से प्लेट। साभार: वैज्ञानिक रिपोर्ट, doi: 10.1038 / s41598-019-49422-4              कैंपसी एट अल। 1 हर्ट्ज और 5 kHz की आवृत्तियों के बीच इष्टतम नैनोस्केल कंपन देने के लिए विशिष्ट सामग्री विकल्पों और कल्चरवेयर अनुलग्नक के साथ बायोरिएक्टर का निर्माण किया। उन्होंने गुंजयमान प्रवर्धन या भिगोना को रोकने के लिए ऑपरेशन की आवृत्ति के ऊपर तंत्र के गुंजयमान आवृत्ति को सुनिश्चित किया। डिवाइस के उपयुक्त आयामों को निर्धारित करने के लिए, रिसर्च टीम ने ANSYS कार्यक्षेत्र सॉफ्टवेयर का उपयोग करके FEA का प्रदर्शन किया। वैज्ञानिकों ने इसके निर्माण के लिए 13 से 15 पाइजो सरणियों का उपयोग करके सस्ते में बायोरिएक्टर का निर्माण किया। उत्पाद डिज़ाइन ने संस्कृति के दौरान कंपन के असंगत स्तरों को प्राप्त करने के लिए कोशिकाओं के लिए न्यूनतम और अधिकतम विस्थापन के अलग-अलग वैकल्पिक बैंड की अनुमति दी। टीम ने प्रायोगिक सेटअप पर उनके प्रभाव को समझने के लिए पीजोएक्ट्यूएटर्स और अन्य डिवाइस घटकों की आंतरिक अनुनाद आवृत्ति का अनुमान लगाया। अनुसंधान टीम ने तब बहुलक की सतह ऊर्जा को बढ़ाने के लिए प्लाज्मा सतह सक्रियण का उपयोग करते हुए सेल आसंजन और प्रसार की सहायता के लिए प्लास्टिक कल्चरवेयर की सतह रसायन विज्ञान को संशोधित किया। पांच मिनट के हवाई-आधारित प्लाज्मा उपचार के बाद, उन्होंने मानव ऑस्टियोब्लास्ट जैसी कोशिकाओं को संवर्धित किया ताकि कल्चरवेयर के लिए सेल लगाव का निरीक्षण किया जा सके। उन्होंने संशोधन और सतह की अस्थिरता की सतह ऊर्जा को निर्धारित करने के लिए बहुलक के जल संपर्क कोण को मापा। वैज्ञानिकों ने बहुलक कल्चरवेयर के प्लाज्मा सक्रियण पर प्रूफ-ऑफ-थ्योरी और अनुकूल सेल लगाव के लिए सतह wettability पर इसके प्रभाव का प्रदर्शन किया। उन्होंने अपनी स्थिरता और शेल्फ जीवन सुनिश्चित करने के लिए इसी तरह से कल्चरवेयर सतहों को विकसित करने का लक्ष्य रखा।                               शीर्ष: इंजेक्शन ढाला पीपी 6-अच्छी तरह से संस्कृति के साथ बायोरिएक्टर कंपन प्लेट। (ए) बायोरिएक्टर के बेहतर संस्करण में एक हल्का आधार होता है, हैंडल और एक recessed टॉप प्लेट, साथ में 1 kHz और 30? एनएम विस्थापन आयाम की साइन लहर के उत्पादन के लिए डिज़ाइन की गई बिजली की आपूर्ति। (बी) इंजेक्शन ढाला पीपी संस्कृति के साथ प्रत्येक अच्छी तरह से आधार में शामिल halbach फेराइट रिंग मैग्नेट। कुओं के फ्रेम और दीवारों की मोटाई 1.5 मिमी है? बॉटम: इंटरफेरोमीटर माप सेटअप और आउटपुट सिग्नल। (ए) नैनोस्केल विस्थापन को मापने के लिए इंटरफेरोमीटर लेजर सिर से एक लेजर बीम का उत्सर्जन करता है जो कि मापा जा रहा वस्तु से फोटोडेटेक्टर (लेजर सिर के भीतर भी) पर वापस परिलक्षित होता है। उत्पादित ऑप्टिकल हस्तक्षेप पैटर्न का विश्लेषण विस्थापन प्राप्त करने की अनुमति देता है। (बी) इंटरफेरोमीटर द्वारा मापा गया समय श्रृंखला डेटा का उदाहरण। (सी) समय श्रृंखला डेटा पर एक एफएफटी विश्लेषण का उदाहरण। बायोरिएक्टर का 1 kHz शिखर स्पष्ट रूप से देखा जाता है और 750 पर एक बड़ी चोटी भी है? हज़, हालांकि, यह संकेत इंटरफेरोमीटर के संदर्भ दर्पण द्वारा निर्मित होता है जो नियंत्रण प्राप्त करने के लिए एक निश्चित आवृत्ति पर लगातार उत्साहित होता है। संकेत है। साभार: वैज्ञानिक रिपोर्ट, doi: 10.1038 / s41598-019-49422-4              अनुसंधान दल ने वर्तमान कार्य में बायोरिएक्टर के डिजाइन में काफी सुधार किया, जो कि उनके द्वारा पहले प्रस्तुत किए गए प्रोटोटाइप की तुलना में हल्का आधार बनाने के लिए किया गया था। उन्होंने आसान ट्यूनिंग के साथ बिजली की आपूर्ति के लिए AD9833 पावर वेवफॉर्म जनरेटर का उपयोग किया और शुद्ध 1 kHz साइन वेव ड्राइव सिग्नल प्राप्त करने के लिए उपयुक्त फ़िल्टरिंग बनाए रखा। शोधकर्ताओं ने जनरेटर के पावर वर्णक्रमीय घनत्व का अनुमान लगाने के लिए पूर्व और बाद के फ़िल्टर सिग्नल का एक पावर स्पेक्ट्रम प्राप्त किया। उन्होंने विस्थापन में नैनोस्केल परिवर्तन का निर्धारण करने के लिए एक लेजर इंटरफेरोमीटर का उपयोग करके बायोरिएक्टर के एफईए मॉडलिंग और अंशांकन का सत्यापन किया। वैज्ञानिकों ने प्रत्येक प्रकार की निचली सतह पर बंधे हुए प्रिज़मैटिक परावर्तक टेप का उपयोग किया जो कल्चरवेयर को आयामों को मापने के लिए किए गए थे जो चुंबकीय रूप से बायोरिएक्टर से जुड़े थे। इस तकनीक में MSCs से 3-डी मिनरलाइज्ड मैट्रिक्स उत्पन्न करने के लिए एक विशाल गुंजाइश है जो हड्डियों के मचानों को बनाने के लिए कोलेजन जेल में होता है। उदाहरण के लिए, सुसंस्कृत कोशिकाओं को कंपन के दौरान एक आवधिक त्वरण बल मिला, जिसने कोशिका झिल्ली और साइटोस्केलेटन पर ओस्टोजेनेसिस को प्रेरित करने के लिए कार्य किया। यह प्रभाव सेल कल्चर मीडिया के भीतर पर्यावरण की कठोरता से संबंधित हो सकता है, जिससे स्टेम सेल विभेदीकरण प्रभावित हो सकता है और एमएससी में ओस्टोजेनेसिस को प्रेरित किया जा सकता है। कारण को अलग करने के लिए, कैंपसी एट अल। उन्होंने AFM का उपयोग कठोरता में किसी भी परिवर्तन का पता लगाने के लिए किया, जबकि उन्होंने कोलेजन जेल को नैनोविब्रेट किया। उन्होंने जेल के भीतर तनाव सख्त होने के महत्वपूर्ण प्रभावों का निरीक्षण नहीं किया और यंग के मापांक नरम कोलेजन जैल के मूल्यों को बनाए रखा; इस प्रकार अकेले नैनोविभाजन के लिए सेल भेदभाव को जिम्मेदार ठहराया।



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