عنوان پایان‌نامه
بهینه سازی طراحی دو داربست پلی کاپرولاکتون و پلی لاکتیک اسید مهندسی بافت استخوان با در نظر گیری پارامترهای مکانیکی
- رشته تحصیلی
- مهندسی پزشکی - بیو مواد
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 70044
- تاریخ دفاع
- ۲۵ شهریور ۱۳۹۴
- دانشجو
- امیرعلاء بخشیان نیک
- استاد راهنما
- بهمن وحیدی
- چکیده
- داربست به عنوان سازهی نگهدارندهی سلول از اهمیت ویژهای در مهندسی بافت استخوان برخوردار است. قرارگیری داربست در محیط کشت دینامیک، مانند بایوراکتور نفوذی، نقش پارامترهای مکانیکی از قبیل تنش برشی و فشار هیدرودینامیک را پر رنگ تر میکند. از سویی دیگر، این پارامترهای مکانیکی به شدت متاثر از طرح داربست هستند. در پایان نامه‌ی پیشرو، به بررسی تاثیر طرح داربست استخوانی بر نحوه‌ی عملکرد تحریکات مکانیکی و پیش بینی سرنوشت سلول‌های بنیادی مزانشیمی پرداخته شده است. با استفاده از ابزار شبیه سازی کامپیوتری، پنج داربست استخوانی (با نامهای جیروید، جیروید پرتخلخل، دیاموند، IWPو داربست با شیب اندازه تخلخل) مبتنی بر توابع ریاضی سطوح ضمنی طراحی شدند و در محیط کشت دینامیک شبیه سازی شده تحت عبور جریان سیال با سرعت های ورودی?m/s ?، ??، ??، ?? و ??? قرار گرفتند. در این گام، تنش برشی ناشی از عبور سیال و نیز فشار هیدرودینامیک به عنوان تنش نرمال در مواضع مختلف داربست مورد تحلیل قرار گرفت. در مرحله‌ی بعدی تجمع سلولها روی داربست به صورت یک لایه به ضخامت 5/8 میکرون در نظر گرفته شد. به این ترتیب برای دو داربست، لایه‌ها طراحی شد و تحت شرایط شبیه سازی قرار گرفتند. با توجه به نتایج بدست آمده، داربست با طرح دیاموند بهترین عملکرد را از منظر یکنواختی تنش‌های ایجاد شده به خود اختصاص داد. تنش برشی ایجاد شده با سرعت سیال ورودی ?m/s 100 در بیش از 70 درصد سطح این ساختار mPa5/6 بود که این تنش برای تمایز استخوانی مناسب است. در حضور لایه‌ی سلولی نیز، تنش فون مایسیس به میزان mPa60 و 50 به ترتیب در داربست جیروید و IWP بدست آمد که تمایز استخوانی را ترویج خواهد نمود.
- Abstract
- In the Bone Tissue Engineering, the scaffold as a supportive structure, plays a vital role. Putting the scaffold in a dynamic cell culture, such as perfusion bioreactor, makes the role of mechanical parameters such as shear stress and hydrodynamic pressure more important. On the other hand, these mechanical parameters are influenced by scaffold architecture. In this study, the effects of bone scaffold architecture on mechanical stimuli have been analyzed and the mesenchymal stem cell fate has been predicted. Using computational simulation tool, five bone scaffolds (Gyroid, high porous Gyroid, Diamond, IWP and gradient architecture Gyroid) based on mathematical functions of minimal surfaces were designed and exposed in a simulated dynamic cell culture under the inlet velocities of 1, 10, 25, 50, and 100 ?m/s. in this stage, the fluid shear stress and hydrodynamic pressure as normal pressure were analyzed. In the next step, cell accumulation on the inner part of scaffold was considered as 8.5-micron layer. This layer was designed for Gyroid and IWP scaffolds. Based on the results, Diamond scaffold showed the most efficient performance from homogeneity of stresses point of view. There were the same shear stress fields in the interface of fluid-scaffold in Diamond design in different positions of scaffold and this matter leaded to homogenous signaling in cultured cells. On the other hand, in gradient architecture scaffold under dynamic conditions, there was a gradient in shear stress caused various signaling in different positions of scaffold and facilitates multi-differentiation on the same scaffold. The inlet velocity affected the mechanical stimuli too. Considering the zero outlet pressure, increase in inlet velocity increased the shear stress magnitudes. Using computational fluid dynamic tool and fluid-structure interaction gives a more precise insight of mechanical stimuli in microenvironment of scaffolds. Further, the solutions satisfied mesh independence and con
