Development of an innovative bioreactor system for human bone tissue engineering

Abstract

In the last decades significant progress has been carried out leading to significant advances in the development of engineered tissues, thanks to taking into account three fundamental components: the cells to address tissue formation, a scaffold useful as substrate for tissue growth and development, growth factors and/or biomechanical stimuli to address the differentiation of cells within the scaffolds. In particular, mechanical stimuli are known to play a key role in bone tissue formation and mineralization.Mechanical actuators, namely bioreactor systems, can be used to enhance in vitro culture steps in the overall cell-based tissue engineering strategy of expanding in vitro a stem cell source to be cultured and differentiated on a three-dimensional scaffold, aiming at implanting this scaffold in vivo. The purpose of this study is thus to design a stand-alone perfusion/compression bioreactor system. The developed prototypal system allows to apply physical stimuli mimicking native loading regimens. The results obtained in human bone marrow stem cells (hBMSCs) onboard of a 3D graphene/chitosan scaffold indicate that their exposure to a controlled dynamic environment is suitable to address bone tissue commitment.

Undanfarana áratugi hefur orðið mikil framför á sviði vefjaverkfræði og frumumeðferða. Það má helst nefna þrjá þætti sem hafa leitt til þessara framfara: mikilvægar uppgötvanir í frumuræktunum, þróun og hönnun á lífstoðefnum sem nota má í burðarvirki meðal annars til að örva vefjamyndun í gegnum mekaníska og lífræna örvun. Mekaníska örvunin er talin vera sérstaklega mikilvæg þegar kemur aðþví að hanna og smíða beinvef, sérstaklega þegar kemur að steinefnamyndun í frumunum og myndun á utanfrumuefni sem gegnir lykilhlutverki í lífeðlisfræðilegri virkni beinvefs.Tæki sem hægt er að nota til að örvar frumuvöxt og beinmyndun munu í framtíðinni gegna mikilvægu hlutverki í þróun beinvefjar sem ætlað er að gegna hlutverki í læknisfræðilegri meðferð.Markmiðþessarar doktorsritgerðar var aðþróa og smíða tæki (bioreactor) sem getur líkt eftir þeim áhrifum sem frumur verða fyrir í beinmyndun. Um er að ræða tæki sem þarf ekki að staðsetja inni í frumuræktunarskáp og getur örvað vefjmyndunina bæði meðmekanískum hætti og flæði sem tryggir næringu innan 3D burðarvirkisins. Heildarniðurstaða verkefnisins var að mesenkímal stofnfrumur fjölga sér og sérhæfast betur þegar þær eru ræktaðar á grafín/ kítósan burðarvirki í tækinu heldur en þegar þær eru ekki ræktaðar í slíku tæki. Um er að ræða tæki sem gæti nýst við rannsóknir á beinmyndun í framtíðinni.