نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی
نویسندگان
1 کارشناسی ارشد مهندسی پزشکی، بیومکانیک، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران
2 استادیار مهندسی پزشکی، گروه مهندسی علوم زیستی، بخش مهندسی پزشکی، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران
چکیده
بررسی تحریکات مکانیکی موثر بر سلول بنیادی در شرایط طبیعی بدن و همچنین شرایط کشت آزمایشگاهی، موضوعی بسیار مهم درجهت دستیابی به توانایی کنترل بر رفتار و پاسخهای سلولی همچون رشد، تکثیر و تمایز میباشد. درمورد عوامل بیومکانیکی دخیل در این پدیده پژوهشهای فراوانی انجامشده است. امروزه ثابتشده است که عواملی همچون مورفولوژی سلول، آرایش اجزای زیرسلولی، هندسة داربست، سختی بستر و تحریک مکانیکی اعمالی از جانب آن و یا جریان سیال تاثیر بسزایی در پاسخهای سلولی دارند. در پژوهش حاضر سعیشده است تا با استفاده از تحلیل اجزای محدود، یکی از عوامل مذکور در تحریک مکانیکی موثر بر سلول بنیادی مزنشیمال یعنی اثر سختی و ضخامت بستر و پاسخ سلول از جنس تنش و کرنش به این عامل ارزیابی شود. برای این منظور از بسترهای پایه کلاژنی بهعنوان ماتریس خارجسلولی مصنوعی استفاده شد و شرایط کشت سلول درون یک بیوراکتور و در حضور جریان سیال شبیهسازی شد. با بهکارگیری روش برهمکنش سیال و سازه برای شبیهسازی و حل آن به شیوة جفتشوندگی دوطرفة معادلات سیال و جامد، تاثیر افزایش سختی بستر و ضخامت آن به ترتیب در افزایش و کاهش تنشهای وارده بر سلول از جانب بستر به میزان حداکثر 15 درصد در نتایج مشاهده شد. همچنین مشاهده شد که تغییر سختی بستر تنها در بازهی 1/0 تا 100 کیلو پاسکال میتواند در تغییر رفتار سلول درمقابل تحریک خارجی موثر باشد. نتایج بهدست آمده از این تحقیق در کنار سایر تحقیقات مشابه میتوانند یک راهنما برای محققان جهت بهینهسازی شرایط ریزمحیطی سلول بنیادی در محیط کشت آزمایشگاهی و درنهایت دستیابی به نتایج کارآمدتر در پژوهشهای مرتبط با مهندسی سلولهای بنیادی محسوب شود.
کلیدواژهها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
Effect of Collagen Substrate Stiffness and Thickness on the response of a Mesenchymal Stem Cell in Cell Culture Environment: A Computational Study
نویسندگان [English]
- Mahdi Moradkhani 1
- Bahman Vahidi 2
1 MSc of Biomedical Engineering-Biomechanics, Faculty of New Sciences and Technologies (FNST), University of Tehran, Tehran. Iran
2 Assistant Professorof Biomedical Engineering, Faculty of New Sciences and Technologies (FNST), University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده [English]
Investigating the mechanical stimuli on stem cells under in vitro and in vivo conditions is a very important topic to achieve an ability tocontrol the cellular responses like growth, proliferation and differentiation. Many investigations carried out about biomechanical factors involved in this phenomenon and nowadays, it is proved that some factors like as cell morphology, subcellular elements configuration, scaffold architecture, substrate stiffness and mechanical stimulation via substrate displacement or fluid flow, have got an important effecton cellular responses. In this study, we have tried to evaluate the responses of a stem cell to the stiffness and thickness of the substrate by the means of finite element method. For this purpose, we have used collagen-based scaffolds as the artificial ECM and a cell culture in a bioreactor with fluid flow was simulated. By use of fluid-structure interaction method and solving the equations in two-way coupling scheme, the results show that the increase in thickness and stiffness of the substrate will result in15 percent change in cell-substrate stresses, respectively. Also, it was seen that the change of substrate stiffness only in the range of 0.1-100 KPa could affect the cell response to an external stimulation. These results, along with other similar investigations, could be used as an instructor by the researchers to optimize the stem cell’s microenvironment in vitro, and finally get the most out of their stem cell related Investigations.
کلیدواژهها [English]
- Mechanical Modulation
- finite element method
- Fluid Structure Interaction
- Substrate Thickness and Stiffness
- collagen
- Stem Cell