Bioreaktor untuk rekayasa jaringan tulangAbstrak: Jaringan
tulang teknik untuk menggunakan di orthopaedics pose beberapa
tantangan.Menyediakan lingkungan pertumbuhan sesuai yang akan
memungkinkan jaringan yang kompleks seperti tulang tumbuh adalah
salah satu tantangan ini. Ada beberapa desain faktor yang harus
dipertimbangkan untuk menghasilkan jaringan fungsional in vitro
untuk bedah penggantian di klinik. Kompleks bioreaktor telah
dirancang yang memungkinkan rezim stres berbeda seperti kompresi,
geser, dan rotasi pasukan untuk diterapkan ke tiga dimensi (3D)
rekayasa konstruksi. Ulasan ini Alamat pertimbangan ini dan
menguraikan jenis-jenis bioreaktor yang telah dikembangkan dan
sedang digunakan.Kata kunci: bioreaktor, enigineering jaringan,
tulang, MSC1 Pendahuluan ada adalah peningkatan kebutuhan baru
terapi untuk mengobati kerusakan tulang yang timbul dari trauma dan
penyakit.Rekayasa jaringan menawarkan solusi keterbatasan yang
hadir di saat perawatan seperti integrasi miskin implan dan
integritas mekanis jangka panjang.Jaringan standar konsep rekayasa
menempatkan autologous sel ke perancah degradable threedimensional
(3D) dan lingkungat in vitro sebelum pasien implantasi terdengar
relatif sederhana di pertama. Namun, kenyataannya jauh lebih
kompleks, seperti beberapa faktor yang mempengaruhi lingkungan
budaya in vitro harus dipertimbangkan dalam urutan cepat untuk
menghasilkan jaringan tulang fungsional untuk aplikasi
klinis.Faktor atau prinsip-prinsip generik yang konsisten untuk
berbagai organ berbagai in vitro implan jaringan-rekayasa1.1 Desain
pertimbangan yang pertama dari faktor-faktor ini adalah ukuran
membangun tissueengineered akan dibuat. Hal ini penting untuk semua
sel dalam jaringan 3D untuk menerima nutrisi yang cukup dan
penghapusan produk limbah yang efektif.Dalam budaya statis, sel-sel
yang buang bijinya di pinggiran konstruksi 3D tumbuh mudah; Namun,
mereka yang berada di pusat kota membangun cenderung mengalami
nekrosis [1, 2]. Konstruksi kecil seperti 10mm kubus dapat
menderita dari fenomena ini. Dalam konstruksi dengan tingkat yang
lebih rendah dari porositas dan berkurangnya perfusi, efek ini
diamati lebih cepat dalam budaya dengan konstruksi yang lebih
kecil. In vivo, fisiologis jaringan tidak menderita dari rendah PO2
atau massa transfer karena kehadiran pembuluh darah yang mengangkut
nutrisi dan produk-produk limbah.Dalam rangka untuk mengatasi
masalah ini, beberapa berbeda bioreaktor telah dirancang yang
meningkatkan massa transfer ke konstruksi jaringan yang lebih
besar. Itu ditunjukkan oleh Ishaug et al. [3] hanya sel-sel dalam
200800 mm permukaan perancah layak selama statis budaya. Sistem
yang mengatasi masalah ini (seperti labu spinner, bioreaktor
pemanas, dan sistem perfusi) dibahas secara lebih rinci di bawah
ini.1.2 Struktur dan bentuk bentuk tulang direkayasa jaringan
diciptakan adalah faktor penting lain untuk dipertimbangkan. Banyak
bioreaktor dirancang untuk menciptakan bentuk sederhana
direproduksi jaringan seperti silinder atau batu. Namun, ini
mungkin bermanfaat untuk aplikasi klinis (seperti bedah mulut)
untuk membuat bentuk tertentu jaringan. Bioreaktor partikel
magnetik, seperti yang dijelaskan di bawah ini, memiliki kemampuan
ini.
1.3 Integrasi sel faktor lain yang harus dianggap mengenai
tulang jaringan-rekayasa konstruksi (terutama ketika mengingat
skala-up ukuran jaringan) adalah metode untuk menempatkan
(penyemaian) sel secara efektif ke membangun.Biasanya, konstruksi
yang optimal membutuhkan sebuah sel tunggal homogen penyemaian
seluruh membangun seluruh. Sistem perfusi telah digunakan untuk
menyampaikan sel di seluruh seluruh membangun [4]. Dalam beberapa
keadaan, namun, variabel penempatan sel mungkin diperlukan
(misalnya, sejumlah besar sel-sel dalam satu porsi membangun dan
sel-sel tidak buang bijinya di bagian lain dari
membangun).Bioreaktor memiliki potensi untuk mengontrol sel
penyemaian strategi ketika lingkungat konstruksi ini.1.4 Populasi
sel ada berbagai jenis sel yang berbeda dalam tulang, dan biasanya
tulang-matriks-memproduksi sel (osteoblast) atau prekursor
osteoblast seperti sel induk mesenchymal (MSC) berasal dari sumsum
tulang stroma yang digunakan untuk membuat membangun
tulang-tissueengineered. Pendekatan-pendekatan lain untuk teknik
ini termasuk cocultures jenis sel atau berbagai sumber sel-sel
tulang-berasal dari jaringan adiposa atau tulang rawan. Osteoblas,
dan osteoklas telah berbudaya bersama-sama pada bahan-bahan di
bioreaktor untuk mengaktifkan jaringan direkayasa untuk semula
ekstrinsik dan intrinsik faktor, dengan pemandangan untuk membuat
membangun lebih fungsional [5]. Konsep ini hypothesizes bahwa waktu
budaya in vitro diperpendek, sebagai faktor pertumbuhan komunikasi
antara jenis dua sel akan meningkatkan produksi matriks
ekstraseluler serta meningkatkan integrasi situs host membangun.
Sistem coculture lain seperti untuk osteochondral cangkokan,
menggabungkan tulang dan chondrogenic nenek moyang sel dalam
konstruksi yang sama.Desain ini coculture bioreaktor terfokus pada
ortopedi aplikasi lebih kompleks fungsional struktur menimbulkan
tantangan khusus.
1.5 Kekuatan mekanik ketika sel-sel yang membentuk tulang tumbuh
in vitro, diberikan kimia suplementasi benar, mereka akan
menghasilkan matriks ekstraseluler lembut dan keras.Namun, jika
kekuatan mekanik diterapkan ke sel, matriks ekstraseluler produksi
dapat meningkat dan meletakkan di daerah mekanis didefinisikan [6].
Peningkatan pengurangan matriks produksi dan potensi dalam budaya
waktu sering mengakibatkan membangun jaringan-engineered lebih
fungsional. Dengan demikian, banyak desain dari bioreaktor termasuk
stimulus kekuatan mekanik potensial baik dengan menerapkan kekuatan
langsung ke sel atau ditransfer ke sel melalui pasukan yang
diterapkan untuk perancah di mana sel-sel berada [7, 8].Teks
berikut menjelaskan bioreaktor masa lalu dan sekarang yang telah
digunakan untuk tumbuh segmen tulang sebagai percobaan menguji
sistem untuk pharma atau untuk aplikasi klinis dengan maksud untuk
memproduksi lebih fungsional jaringan yang meningkatkan integrasi
dan perbaikan jangka panjang.
2 SPINNER FLASK termos spinner adalah desain sederhana
bioreaktor dibahas dalam makalah ini, terdiri dari sel-sel yang
buang bijinya ke perancah 3D yang ditangguhkan melalui kawat di
volume besar budaya media. Media budaya diaduk menggunakan bar
magnetik di rotasi khas r/min 50. Banyak jenis jaringan telah
meneliti menggunakan jenis bioreaktor. Bonetissue-rekayasa
konstruksi berbudaya menggunakan sistem ini telah dibuktikan untuk
menunjukkan viabilitas sel ditingkatkan, proliferasi dan distribusi
sepanjang membangun dibandingkan dengan statis budaya [8]. Namun,
meskipun diulang dan mudah digunakan, konfigurasi labu pemintal
memiliki keterbatasan.Ukuran jaringan ditanam menggunakan metode
ini dibatasi karena trade-off antara gizi Difusi dan terapan
tegangan. Memberikan penyampaian nutrisi yang efektif dan
penghapusan limbah, magnetik bar rotasi perlu ditingkatkan agar
nutrisi untuk mencapai sel-sel di pusat konstruksi yang lebih
besar. Aliran turbulent ini meningkatkan sesar yang kemudian
diantar ke pinggiran konstruksi ditempatkan dan mengarah ke sel
nekrosis di daerah ini.
3 Berputar kapal A kekuatan cairan bioreaktor adalah bioreaktor
berputar-dinding kapal (RWV) yang awalnya dirancang oleh Schwarz
dan rekan-rekannya di NASA Johnson space centre.Mereka berdasarkan
bioreaktor dua prinsip-prinsip desain dasar: (1) padat tubuh rotasi
dan (2) silikon karet membran untuk oksigenasi. Rotasi tubuh padat
adalah sebuah kapal yang berputar horizontal dan diisi dengan
budaya media. Metode ini mensimulasikan beberapa aspek
mikrogravitas dengan mengurangi geser dan turbulensi terkait dengan
diaduk bioreaktor. Oksigen dapat menyebar melalui membran silikon,
yang berada pusat di kapal ini [9]. Sistem ini sekarang tersedia
secara komersial dari Synthecon (Houston, Texas) dan dari Cellon
(Luxembourg) di Eropa, yang menggambarkan produk sebagai horizontal
berputar, gelembung bebas kapal dengan pertukaran gas difusi.
Sistem meminimalkan geser kekuatan-kekuatan dan kerusakan yang
dapat terjadi dalam sel, seperti sel-sel dalam sistem membangun
lingkungan seragam, rendah-geser, cairan suspensi orbit dalam
kapal.Ada dua jenis utama dari RWV: kapal lateral slowturning
(STLV) dan kapal tinggi-aspectratio (HARV). STLV telah digunakan
pada stasiun ruang angkasa MIR, serta untuk percobaan bumi
berbasis. Fungsinya adalah untuk mengendalikan kondisi budaya
seperti pasokan oksigen, pH, dan suhu, dan diputar dengan kecepatan
yang konstruksi dalam keadaan terus-menerus jatuh bebas, atau
'stasioner'. Kapal HARV ini sangat mirip dengan STLV; Namun,
kecepatan yang diperlukan untuk menjaga konstruksi 'stasioner'
berkurang, dan meningkatkan pertukaran gas [4].Kapal
berputar-dinding pada awalnya dirancang untuk mengurangi tekanan
geser yang dihasilkan selama peluncuran dan pendaratan pesawat
ulang-alik. Namun, ketika sistem diuji di bumi itu diamati bahwa
sel dikumpulkan dan membentuk struktur yang menyerupai jaringan.
Studi sebelumnya telah menunjukkan bahwa penggunaan bioreactor
berputar meningkatkan jumlah sel-sel yang hadir dalam konstruksi
setelah 28 hari budaya dibandingkan dengan statis dan perfusi
budaya [10].Hal ini diduga menjadi hasil dari peningkatan massa
transportasi antara sel-sel yang diunggulkan dalam konstruksi dan
culture media [11].Menggunakan bioreaktor berputar, Granet et al.
[12] melaporkan bahwa osteoblast-seperti sel-sel mampu berkembang
biak dan membedakan, memperkuat potensi untuk digunakan dalam
rekayasa jaringan tulang. Sikavitsas et al. [13] dibandingkan tiga
kondisi budaya berbeda-statis, labu pemintal dan bioreaktor
berputar-dinding dalam hal kemampuan mereka untuk mempromosikan
proliferasi sel stroma dan diferensiasi ketika buang bijinya ke
perancah berpori PLGA. Mereka melaporkan bahwa termos spinner
osteoblastik aktivitas meningkat setelah 21 hari dalam budaya, dan
didirikan bahwa peningkatan aktivitas karena superior pencampuran
dalam labu spinner dibandingkan dengan statis dan berputar-dinding
bioreaktor. Botchwey et al. [14] telah menunjukkan bahwa, ketika
osteoblas berbudaya pada microcarriers polimer di bioreaktor RWV
selama 7 hari, osteoblas mempertahankan fenotipe osteoblastik dan
kegiatan peningkatan alkali fosfatase dibandingkan dengan budaya
statis. MSC di bioreaktor ini pada sutra perancah telah menunjukkan
peningkatan pengumpulan kalsium dibandingkan dengan statis
kebudayaan dan telah mengakibatkan konstruksi yang menyerupai
tulang trabecular struktur dan mineralized jaringan [15].Dalam
karya sebelumnya oleh penulis hadir, biomimetic-kalsium
fosfat-berlapis poly(caprolactone) nanofibre jerat (BCP-NM)
dipertunjukkan agar lebih efektif dalam mendukung lampiran sel dan
proliferasi di bawah kondisi statis dari jala-jala nanofibre Poli
(caprolactone) (PCL-NM). Kondisi dinamis, produksi protein yang
terkait dengan ECM tulang adalah lebih tinggi pada konstruksi
BCP-NM daripada dalam konstruksi PCL-NM, yang menunjukkan bahwa
sampel dilapisi dapat menyediakan sel-sel dengan lingkungan yang
lebih baik untuk pertumbuhan jaringan. Disarankan bahwa peningkatan
massa transfer bioreaktor dalam kombinasi dengan substrat sesuai
adalah faktor yang menentukan hasil ini sangat positif untuk
menghasilkan tulang [16].Ketika membuat jaringan tulang 3D
menggunakan sistem kapal berputar, metode penyemaian sel ke
perancah penting. Jones dan Cartmell [17] telah menyelidiki Apakah
penyemaian perancah dengan osteoblas sebelum menempatkan ke dalam
satu bioreactor berputar atau menempatkan perancah ke bioreaktor
dengan suspensi sel untuk memungkinkan penyemaian optimal. Hasilnya
menunjukkan bahwa, dibandingkan dengan kondisi penyemaian statis,
penyemaian optimal sel terjadi ketika perancah ditempatkan ke dalam
kapal secara terpisah untuk sel-sel dalam suspensi.
4 Sistem PERFUSI perfusi bioreaktor telah digunakan untuk
memberikan sel untuk membangun rekayasa 3D melalui aliran
dikendalikan, yang membalikkan bolak dalam membangun [18]. Selain
itu, perfusi langsung dari konstruksi 3D tissueengineered dikenal
untuk meningkatkan osteogenesis, yang dapat diperkirakan dikaitkan
dengan peningkatan gizi dan limbah transportasi. Selain itu,
flowmediated tegangan dikenal upregulate osteogenic diferensiasi
dan mineralisasi [9]. Kuantifikasi hidrodinamik lingkungan karena
itu penting untuk menafsirkan dan membandingkan hasil percobaan
bioreaktor in vitro. Pemodelan matematika telah dilakukan untuk
menganalisis efek dari kekuatan mekanik perfusi pada 3D
jaringan-rekayasa konstruksi [19]. Studi ini telah membantu dalam
desain optimal perancah konfigurasi dan lingkungan mekanik untuk
pertumbuhan.Kekuatan bukti efek geser cairan pada perilaku sel
tulang berasal dari studi planar in vitro, yang meniru mengalir
canicularhadir dalam jaringan osteocytic di tulang [6].Dengan
kultur sel planar telah membuktikan bahwa aliran dinamis rejimen
menimbulkan respon yang disempurnakan selular atas aliran rejimen.
Hasil dari studi terbaru pengujian berbagai berbeda rezim aliran
perfusi tulang-rekayasa sistem telah menunjukkan bahwa semua
kondisi aliran dapat meningkatkan ekspresi osteopontin dan alkali
fosfatase aktivitas. Selain itu, penanda ini preferentially
ditingkatkan oleh aliran pulsatile atas aliran kontinu, menunjukkan
bahwa sel-sel peka terhadap frekuensi aliran pulsatile [20].
Faktor-faktor lain yang mempengaruhi desain lingkungan budaya
perfusi adalah frekuensi aliran dan laju aliran. Cartmell et al.
[21] telah menggambarkan budaya osteoblast-unggulan 3D membangun
(menggunakan tulang trabecular manusia sebagai sebuah perancah)
dalam sistem perfusi. Setelah 7 hari budaya, itu menunjukkan bahwa
berbagai laju aliran dari 0,01-2 mL/min memiliki efek dramatis pada
viabilitas sel dan sel aktivitas.Menjaga laju aliran rendah
tergolong kenaikan dalam kelangsungan hidup sel dan proliferasi.
Namun, peningkatan laju aliran, meskipun beberapa sel nekrosis
diamati, mengakibatkan peningkatan kadar ekspresi gen osteogenic
(dinormalisasi ke nomor sel).5 KOMPRESI sistem lingkungan in vivo
tulang dan tulang rawan adalah sedemikian rupa sehingga mereka
menerima kombinasi dari berbagai jenis mekanis loading, termasuk
ketegangan, kompresi, lentur, geser dan torsi. Untuk meniru ini
lebih dekat, pendekatan baru untuk bioreaktor memungkinkan
penerapan beberapa jenis rangsangan fisik untuk
konstruksi.Baru-baru ini, bioreaktor telah dikembangkan yang
menerapkan kekuatan mekanik melalui sistem piston kompresi, lentur
substrat, hidrodinamik kompresi, dan cairan geser (untuk review,
lihat referensi [8]). Perfusi bioreaktor kompresi, pertama kali
dirancang pada tahun 1991 oleh El Haj et al., telah ditunjukkan
untuk mempertahankan layak tulang explants ex vivo.Bioreaktor
kemudian telah disesuaikan untuk memungkinkan pertumbuhan
sel-unggulan konstruksi [22]. Pada tahun 2005, El Haj et al. [23]
berbudaya poli-L-laktat asam (PLLA) perancah buang bijinya dengan
sel-sel (osteosarkoma sel baris) MG63 dalam sistem ini diadaptasi.
Setelah 3 minggu kebudayaan di bawah perfusi, buang bijinya sel
konstruksi diajukan loading rezim 0,1 persen strain untuk 1 jam per
hari pada frekuensi 1Hz untuk 7 hari, dengan media yang perfused
melalui sistem pada tingkat 0, 1 mL/menit. Kombinasi kompresi dan
perfusi mengakibatkan signifikan meningkatkan ekspresi osteogenic
penanda yang dibandingkan dengan sampel statis dan
perfusi-hanya.Karya terbaru oleh Bolgen et al. telah menunjukkan
kegunaan ini bioreaktor untuk pengujian konstruksi tissueengineered
dalam studi ini, kondisi dynamic (perfusi dan/atau kompresi)
meningkatkan sel ingrowth dan sintesis matriks ekstraseluler (ECM).
Hasil kegiatan alkali fosfatase mengkonfirmasi efek positif dari
kondisi dynamic pada sel-sel tulang [24].Selain itu, bioreaktor ini
juga telah digunakan untuk budaya rekayasa jaringan tulang rawan.
Ini telah menunjukkan bahwa beban fisiologis in vivo kadang-kadang
terlalu berlebihan untuk rekayasa konstruksi, dan rendahnya tingkat
strain dapat memiliki efek growthpromoting yang lebih besar [2].
Sistem perfusi/tarik/kompresi telah diperdagangkan oleh perusahaan
seperti BOSE Ltd dan menjadi semakin digunakan untuk penelitian
rekayasa jaringan tulang.Sistem komersial ini menggabungkan
bioreaktor dengan lingkungan mekanik Ruangan (AC) dan sistem
pengukuran yang memungkinkan jaringan pematangan dan integritas
mekanis akan dimonitor dengan waktu.Perbaikan desain teknis dan
evaluasi dengan sistem ini bergerak ini bioreaktor lebih cepat
terhadap peraturan penerimaan untuk digunakan dalam lingkungan
klinis.Studi ini menunjukkan bagaimana kemampuan untuk memahami
perilaku sel relatif terhadap ketegangan profil akan memungkinkan
optimalisasi rezim mekanik Ruangan (AC) di rekayasa jaringan
tulang. Para penulis telah merancang sistem model untuk menyelidiki
efek dari profil ketegangan pada perilaku sel tulang dalam
pori-pori. Model sederhana ini telah dirancang dengan tujuan untuk
memberikan wawasan ke dalam jenis distribusi ketegangan terjadi di
pori-pori tunggal dari sebuah perancah yang dikenakan perfusi
kompresi ruangan "(Hotel AC di [25]). Studi ini menunjukkan
korelasi langsung antara stres yang diterapkan dan mineralisasi
matriks sekitar sel dalam pori-pori. 3D studi telah lebih lanjut
untuk menyelidiki di membangun seluruh multiporous. Menggunakan
sistem kompresi perfusi serupa seperti yang dijelaskan di atas,
Baas et al. [26] telah menunjukkan, menggunakan FE pemodelan dan
analisis uCT, korelasi antara bidang ketegangan tinggi dan matriks
mineralisasi dalam membangun tulang-jaringan-rekayasa (Fig.
1).Rotasi kompresi bioreaktor juga telah digunakan dalam rekayasa
jaringan tulang rawan. Pada tahun 2006, Grad et al. [27] diterapkan
dinamis kompresi dan aliran fluida kondrosit-unggulan 3D scaffolds
menggunakan bola hip keramik berosilasi untuk mewakili in vivo
kondisi
Gambar 1 peragaan busana secara lengkap profil beban untuk
pengendapan matriks. () FE pemodelan buang bijinya tulang-sel
perancah yang telah dikenakan untuk siklus kompresi dalam satu
bioreactor kompresi perfusi atas satu beban tekan siklus. Grafik
menunjukkan tingkat stres seluruh perancah berpori. (b) uCT gambar
dari sebuah perancah berpori PLLA tanpa sel. (c) uCT analisis
tulang-sel-unggulan perancah berpori tumbuh di perfusi kompresi
bioreaktor.
hadir dalam sendi pinggul. Meskipun semua sampel menjalani
dinamis kompresi, sampel yang terkena aliran fluida dan kompresi
menunjukkan peningkatan yang ditandai dalam tingkat ekspresi gen
terkait dengan tulang rawan, menunjukkan keuntungan dari
menggabungkan rangsangan untuk menciptakan lingkungan yang lebih
mewakili yang ditemukan di vivo. Oleh karena itu, kombinasi
kompresi dan rotasi dapat meningkatkan diferensiasi sel-sel batang
mesenchymal.Namun, ada masalah yang terkait dengan jenis
bioreaktor. Setiap mekanisme memproduksi Angkatan yang menyerang
bioreaktor (seperti sistem piston kompresi) dapat menyebabkan
infeksi.Bahan-bahan perancah harus mengirimkan kekuatan untuk
sel-sel, dan, untuk menahan beban dalam satu bioreactor perfusi
kompresi, perancah harus kuat. Hal ini sering menyebabkan degradasi
panjang kali. Untuk menghasilkan matriks biologis yang baru,
dukungan perancah yang sering cepat merendahkan, yang mengabaikan
sifat mekanik mereka dan membuat mereka lemah. Perancah mekanis
lemah ini oleh karena itu mungkin tidak mampu memancarkan kekuatan
yang diperlukan dan mungkin tidak cocok untuk berbagai macam
tersedia bioreaktor. Meskipun kekuatan-kekuatan yang diperlukan
untuk mengaktifkan saluran ion MS melalui membran sel deformasi
kecil (5100 pN) [28], persyaratan ini dapat menyajikan masalah
teknis untuk desain bioreaktor dan perancah.Aspek yang paling
penting dari desain bioreaktor adalah validasi dan pemantauan.
Sistem yang berlaku strain mekanik untuk konstruksi melalui
penerapan langsung kekuatan bergantung pada tiga aspek penting dari
sistem loading: () kontak langsung antara piring loading dan
sampel;(b) direproduksi gerakan piring loading;(c) bahkan
distribusi beban sedang diterapkan untuk sampel.Jumlah kesalahan
yang tergabung dalam setiap aspek ini perlu dipertimbangkan ketika
menentukan jumlah regangan diterapkan untuk jaringan-rekayasa
konstruksi. Gambar 2 menunjukkan pengukuran strain konstruksi tiga
dalam satu bioreactor kompresi beberapa. Ini menjamin akurasi dan
konsistensi di piring loading, tetapi bergantung pada dimensi
seragam dan presisi moulding untuk perancah implan untuk tumbuh di
bioreaktor.
Gambar 2 (sebuah) foto yang menampilkan bioreaktor dengan
pengukur regangan melekat Teflon silinder dan ditempatkan di antara
dasar bioreaktor dan piring loading. (b) diperbesar gambar (dari
kotak putih) perancah hantu Teflon dengan terlampir pengukur
regangan. (c) grafik yang menunjukkan persentase ketegangan yang
diterapkan untuk silinder tiga dikenakan mechanical kompresi di
bioreaktor multiple-sampel
6 Gaya magnet BIOREAKTOR meskipun sistem pendingin mekanik ini
dapat mendukung pengembangan dasar tulang rawan dan tulang, mereka
masih menghadapi beberapa masalah. Sebagai contoh, perfusi nutrisi
sel menjadi terganggu, sterilitas jangka panjang adalah sering
masalah, dan, dalam kasus sistem kompresi, gel harus menyusup
matriks untuk mengirimkan pasukan diterapkan melalui matriks
perancah ke sel dalam pori-pori. Dalam kebanyakan bioreaktor
Desain, pasukan diterapkan ke perancah daripada langsung ke membran
sel atau Sitoskeleton mana mereka diperlukan.Selain itu, tidaklah
mungkin untuk menerapkan spasial berbagai tekanan dalam tiga
dimensi dalam rangka untuk bentuk kompleks jaringan struktur
seperti bersama lengkap dengan sebuah antarmuka tulang rawan
tulang. Ada juga masalah serius dengan skala-up ketika beberapa
sistem kompresi diterapkan untuk sampel, misalnya dalam kasus
tinggi-throughput skrining aplikasi dalam jumlah besar.Perkembangan
baru dalam bioreaktor Desain didasarkan pada prinsip-prinsip
teoritis dan desain prototipe sistem Penyejuk mekanik
novel-magnetik memaksa bioreaktor (MFB), yang dirancang untuk
menerapkan stres langsung ke membran sel menggunakan kekuatan
bertindak pada partikel nano magnetik (Fig. 3) [29]. Dalam sistem
ini, partikel-partikel magnetik biokompatibel melekat ke membran
sel (misalnya melalui RGD, kolagen atau integrin reseptor) atau
langsung ke protein membran saluran ion. Sel mungkin dalam dua
dimensi (2D) budaya atau buang bijinya ke berpori, bioresorbable
scaffolds dan diperkenalkan ke dalam bioreaktor.Angkatan Terapan
mensimulasikan mekanik pemuatan membran sel tanpa memerlukan akses
langsung ke sel dalam bioreaktor dan tanpa memerlukan stres untuk
ditransmisikan dari perancah ke sel. Beban dapat bervariasi dengan
mudah dengan mengubah Medan magnet dan gradien atau sifat-sifat
magnetik partikel nano. Sel-sel yang membawa partikel dengan sifat
magnetik yang berbeda dapat buang bijinya ke berbagai daerah dalam
perancah 3D, menghasilkan variasi spasial dalam angkatan
menggunakan Medan magnet geometri yang sama.Penerapan siklus magnet
eksternal (di frekuensi fisiologis seperti 13Hz) berlaku baik gaya
translasi (karena daya tarik magnetik partikel nano sepanjang Medan
magnet
Fig. 3 foto dari bioreaktor gaya magnet (MFB), yang berlaku
magnet siklus monolayer budaya sel-sel yang tumbuh di standar
kultur jaringan labu. Partikel-partikel magnetik yang melekat pada
sel, dan siklus stres kemudian dapat diterapkan pada membran sel
atau spesifik reseptor ditargetkangradien) atau kombinasi dari
translational kekuatan dan torsi (untuk lebih besar, magnetis
diblokir partikel nano dan mikropartikles) yang dikirim langsung ke
membran sel atau Sitoskeleton dan dapat bervariasi dalam tiga
dimensi dalam sebuah perancah. Hughes et al. [30] telah menunjukkan
mikropartikles bagaimana magnetik yang melekat pada saluran ion
melalui Histagged klon dapat diaktifkan dari jarak jauh dengan
timevarying magnet.Hasil awal dari statis budaya 3D dan 2D yang
menggunakan sistem ini menunjukkan signifikan upregulation tulang
matriks protein [29, 31]. Setelah 1 minggu di budaya, osteocalcin,
osteopontin dan alkali fosfatase menunjukkan upregulation bila
dibandingkan dengan kontrol.Pekerjaan sekarang maju menuju bangunan
kompleksitas dalam model biologis dengan cocultures andmultiple
jaringan. Systemis juga alignable untuk bioreaktor perfusi
memungkinkan transfer massa untuk diatasi. Sistem MFB harus
memberikan beberapa keunggulan dibandingkan dengan
currentmechanical sistem rangsangan, seperti:1. Tinggi-presisi
kontrol parameter stres fisik yang dimungkinkan melalui variasi
gaya magnet.2. 2. Seperti stres diterapkan langsung ke membran sel,
bahan-bahan kuat perancah tidak lagi diperlukan.3. 3. Partikel
jarak jauh digabungkan ke magnet array, dengan tidak ada komponen
yang terhubung ke bioreaktor, yang mengarah ke penurunan infeksi.4.
4. Sistem scalable dan menyajikan potensi untuk menerapkan profil
beban spasial berbagai melalui penyemaian dengan partikel sifat
magnetik yang berbeda.5. Selain untuk kultur sel dan perancah 3D
berbasis budaya kerja, MFB telah digunakan untuk menyelidiki
aktivasi magnetik kalsium jalur sel-sel induk sumsum tulang
manusia. Pengamatan Ca2 + fluoresensi aktivitas dalam sel-sel ini
menunjukkan tingkat signifikan baseline kalsium aktivitas dalam 30
50 persen sel, dengan banyak dari ini menunjukkan tray tingkat
kalsium intraseluler. Penerapan magnet statis 600G tidak sangat
mempengaruhi perilaku sel-sel yang sudah menjalani Ca2 + osilasi;
Namun, sel-sel dengan tingkat Ca2 + mantap awal menunjukkan
transien jelas karakteristik dalam menanggapi rangsangan magnetik,
menunjukkan aktivasi mechanosensitive kalsium jalur [30].7
BIOREAKTOR COCULTURE sebagaimana disebutkan di atas, sel-sel
osteoblast dan osteoclast telah tumbuh bersama-sama di bioreaktor
pemanas Synthecon [5]. Rasio 1: 100 osteoblast: osteoklas
cocultured selama 10 hari di pembuluh Synthecon 50 mL sekali pakai.
Sel-sel yang berbudaya dengan film dentin, chitosan, PLLA, atau
fibroin sutra. Perbandingan dengan budaya statis dibuat, dan
ternyata bahwa bioreaktor budaya tidak membaik sel kepatuhan atau
proliferasi. Para penulis yang sama juga dilakukan pemanas
bioreaktor budaya menggunakan jenis dua sel pada perancah 3D
daripada film, dan melihat hasil yang sama [12]. Konsentrasi yang
lebih rendah dari DNA yang diamati dalam kelompok bioreaktor,
dibandingkan dengan budaya statis, yang menunjukkan bahwa sel-sel
telah ditaati perancah dalam kondisi budaya kedua, tetapi sel dalam
budaya bioreaktor Apakah tidak berkembang biak pada tingkat yang
sama sebagai sel dalam budaya statis. Ini juga telah dilaporkan
oleh Botchwey et al. [14], yang melaporkan penurunan yang
signifikan dalam jumlah sel pada hari ke-7 di perancah yang dalam
budaya berputar, dibandingkan dengan bebas berputar statis budaya.
Telah dilaporkan, sebagaimana diuraikan di atas, sel-sel yang
perbenihan di bioreaktor pemanas mungkin lebih berhasil jika
sel-sel tersuspensi dalam media dan kemudian bermigrasi ke
perancah, bukan oleh penyemaian sel ke perancah dan kemudian
mentransfer ke kapal [17].osteoblas telah preseeded (di bagian
ruang tulang dimensi silinder 10mm height6 15mm diameter).
Penyelidikan lebih lanjut mengendalikan pencampuran tulang rawan
dan tulang budaya media sedang berjalan oleh kelompok penelitian
ini dengan tujuan menciptakan suatu wilayah hipertrofik di segmen
tulang rawan yang lebih rendah dan sehingga menghasilkan
peningkatan penahan tulang rawan jaringan-engineered bagian
direkayasa jaringan tulang. Kelompok-kelompok penelitian lain juga
dianalisis perfusi bioreaktor dengan cara yang sama untuk
menghasilkan osteochondral colokan [33, 34].8 Pemantauan aspek
penting lain dari validasi desain bioreaktor adalah kemampuan untuk
melakukan pemantauan lingkungan budaya online. Khusus penginderaan
dan alat pengukuran yang sedang dikembangkan untuk membantu dalam
budaya terkendali dari sel-sel di bioreaktor. Proses sel dan kultur
jaringan dinamis, dan karenanya kontrol optimal membutuhkan
pemantauan variabel kunci proses. Ketika sel-sel yang diberikan
kondisi yang sesuai untuk kelangsungan hidup dan pertumbuhan,
jumlah sel akan meningkat dengan cara yang dapat diprediksi, dengan
konsumsi simultan O2 dan glukosa dan produksi CO2, bersama dengan
pergeseran budaya media pH. Penelitian telah menunjukkan bahwa
faktor-faktor ini dapat mempengaruhi perkembangan dan diferensiasi
sel-sel dalam budaya [35], dan oleh karena itu pemantauan variabel
ini akan bermanfaat dalam mengoptimalkan sistem bioreaktor.Dalam
hal bioreaktor proses pemantauan, ada dua kemungkinan strategi yang
tersedia menggunakan biosensors.Salah satu strategi melibatkan
penggunaan sensor yang ditempatkan di dalam bioreaktor. Metode ini
invasif, yang mana biosensor dapat ditemukan baik dalam budaya
cairan atau dalam kontak langsung dengan sel atau jaringan perancah
membangun, dapat menguntungkan dalam situasi di mana sampel
ekstraksi dan transportasi bisa menyebabkan kesulitan.Namun,
biosensor harus mampu bertahan sterilisasi, dan kalibrasi perangkat
selama menggunakan sulit. Microelectrodes dapat digunakan dalam
satu bioreactor; microelectrodes pada dasarnya digunakan untuk
mengukur konsentrasi O2 ketika terjadi perubahan potensi oksidasi.
Namun, ada beberapa kelemahan dengan strategi ini. Elektroda harus
diperkenalkan ke sampel dan di lokasi yang berbeda, kalibrasi
panjang dan sulit, dan masalah dapat timbul dengan sterilisasi
[36]. Invasif sensor serat optik juga telah digunakan untuk
pengukuran PO2 dan pH.Non invasif penginderaan dapat dilakukan
menggunakan metode optik seperti Spektrofotometri atau fluorimetry.
Pendekatan ini jelas menghindari kesulitan yang perlu untuk
mensterilkan sensor, tapi ada lebih banyak tantangan dalam mencapai
kekhususan tinggi dan sensitivitas tinggi untuk target molekul
seperti glukosa. Reporter patch tetap ke bagian dalam jendela optik
di dinding bioreaktor sedang diselidiki. Patch tersebut mengandung
ion-sensitif pewarna atau O2-quenchable fluorophores [37].
Penggunaan biosensors di luar bioreaktor menawarkan banyak
keuntungan. Masalah sensor sterilisasi sepenuhnya dihindari, dan
setiap preparasi sample diperlukan, seperti pengenceran untuk dalam
jangkauan linear sensor, penyesuaian pH dengan penambahan buffer
yang sesuai, dan pengukuran suhu, dapat dicapai dengan mudah.
9 MONOLAYER budaya bisa dicatat bahwa ada perangkat lain,
seperti bioreaktor paralel-piring, model membungkuk empat poin, dan
flexcell jaringan kereta sistem, yang telah digunakan untuk menguji
kultur sel tulang di monolayers dalam format standar kultur
jaringan plastik. Namun, instrumen ini tidak dibahas di sini karena
mereka untuk ilmu dasar tujuan pengujian, bukan untuk memproduksi
jaringan fungsional yang mungkin dapat digunakan untuk penggunaan
klinis.10 Kesimpulan bioreaktor mengaktifkan budaya sel dalam
lingkungan 3D dan dapat digunakan untuk menerapkan diulang dan
akurat rezim kekuatan mekanik untuk konstruksi cellseeded.
Bioreaktor sehingga dapat digunakan untuk menyelidiki efek
stimulasi mekanik pada sel-sel dalam lingkungan 3D, yang sebelumnya
telah ditunjukkan untuk meningkatkan diferensiasi sel-sel batang
mesenchymal sepanjang banyak keturunan dan kemampuan untuk sel-sel
tulang untuk menghasilkan matriks peningkatan produksi secara
mekanis diarahkan.Tujuan akan menghasilkan lebih fungsional
konstruksi yang telah dikondisikan untuk beban mereka akan
menghadapi di vivo.Tantangan berikutnya adalah untuk skala ini
bioreaktor ke produksi tinggi jumlah konstruksi di lingkungan
secara klinis relevan. Komersialisasi rekayasa jaringan tulang akan
bergantung pada GMP proses untuk skala besar produksi jaringan
tulang, yang dapat bersaing dengan sumber yang ada allograft tulang
bank manufaktur.