Computational simulation of biomechanical parameters of a bioreactor for biological tissues maturation

Orientadores: Gregory Bregion Daniel, Pedro Yoshito NoritomiDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: O desenvolvimento de novas tecnologias aplicadas à saúde permite a criação de novos métodos de produção de substitutos e/ou dispositivos reparadores para tecidos biológicos danificados, como é o caso do processo de bioimpressão. Apesar de este ser um conceito já difundido, ainda é um processo em desenvolvimento, e a aplicação de Tecnologia da Informação, como é o caso de softwares de design e simulação, permite estudar as diferentes fases deste método, reduzindo gastos dispendiosos em laboratório. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi desenvolver um modelo virtual de um biorreator, que permita estudar características de operação relacionadas à manutenção e maturação de um tecido produzido por bioimpressão e avaliar a fluido dinâmica de um biorreator de perfusão. Para alcançar os resultados, foram realizadas análises em Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD), a fim de simular alguns parâmetros de operação deste biorreator de perfusão, tais como: temperatura, velocidade do escoamento do meio de cultura e tensão de cisalhamento na parede das células. A escolha do biorreator de perfusão deu-se em função de sua capacidade em mimetizar melhor as condições às quais o tecido será exposto no corpo. Este biorreator permite escoamento contínuo do fluido de nutrição, e o do modelo estudado considera agulhas porosas para alimentação do tecido. Estas agulhas agem como um sistema circulatório artificial para o tecido, até que ele desenvolva o próprio. Assim, foram gerados dois modelos de análise, aplicando uma técnica de homogeneização para tornar a análise de CFD mais eficiente e versátil, para que outros parâmetros, além dos discutidos neste trabalho, possam ser acrescentados. Os modelos permitiram a análise do comportamento de escoamento fornecido pela agulha, e verificar como a troca térmica entre este escoamento e o tecido auxilia na manutenção do tecido a uma temperatura estável para sua sobrevivência. Além disso, a partir dos modelos, foi possível estimar o número de agulhas que um tecido, de volume finito, necessita para a manutenção do ambiente em temperatura ótima para sua sobrevivência. Ao final do trabalho, o modelo de homogeneização foi validado, justificando as hipóteses de que a troca térmica no tecido biológico o aproximam a um trocador de calor. Os fenômenos testados são coerentes ao esperado e o modelo é versátil para que outros parâmetros sejam analisadosAbstract: The development of new technologies for medical treatments allow to create new processes to manufacture substitutes and/or devices to assist the regeneration of damaged biological tissues. New processes like bioprinting, which is a concept in the stage of in vivo trials, despite the fact that this is a spreaded concept, it is still under development. With Information Technologies such as CAD and CAE software, those new processes can be developed in virtual scenarios, reducing expensive laboratory experiments. In this context, the objective of this project is to create a virtual model of a bioreactor to study the operational parameters to maintain and mature a bioprinted tissue. The simulations were done in Computational Fluid Dynamics (CFD), to study the operational parameters like temperature, flux velocity of the culture medium and wall shear at cell membrane, in a perfusion bioreactor. This type of bioreactor provides a continuous flux of culture medium to the tissue, and create a similar environment to which the tissue will be expose inside the body. The studied model of perfusion bioreactor uses porous needles to nourish the center of the bioprinted structure, and to help maintain a viable temperature for the development of the tissue. Those needles act like an artificial circulatory system until the body develop its own. Thereby, two analysis models were generated, applying a homogenization technique to make CFD analysis more efficient and versatile, allowing the addition of other parameters, besides those discussed in this work. The models allowed the analysis of the flow behavior provided by the needle and verified how the thermal exchange between this flow and the tissue, helps to maintain the tissue at a stable temperature for its survival. In addition, from the models, it was possible to estimate the number of needles a finite volume tissue needs to maintain the ideal temperature for cells survival. At the end of the work, the homogenization model was validated, justifying the hypotheses that the thermal exchange in the biological tissue brings it closer to a heat exchanger. The tested phenomena are consistent with the expected and the model is versatile so that other parameters can be analyzedMestradoEngenharia MecanicaMestra em Engenharia Mecânic

Development of a device useful to reproducibly produce large quantities of viable and uniform stem cell spheroids with controlled diameters

Three-dimensional cellular aggregates can mimic the natural microenvironment of tissues and organs and obtaining them through controlled and reproducible processes is mandatory for scaling up and implementing drug cytotoxicity and efficacy tests, as well as tissue engineering protocols. The purpose of this work was to develop and evaluate the performance of a device with two different geometries fabricated by additive manufacturing. The methodology was based on casting a microwell array insert using a non-adhesive hydrogel to obtain highly regular microcavities to standardize spheroid formation and morphology. Spheroids of dental pulp stem cells, bone marrow stromal cells and embryonic stem cells showing high cell viability and average diameters of around 253, 220, and 500 μm, respectively, were produced using the device with the geometry considered most adequate. The cell aggregates showed sphericity indexes above 0.9 and regular surfaces (solidity index higher than 0.96). Around 1000 spheroids could be produced in a standard six-well plate. Overall, these results show that this method facilitates obtaining a large number of uniform, viable spheroids with pre-specified average diameters and through a low-cost and reproducible process for a myriad of applications