Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Cartilage tissue examination using atomic force microscopy

Paluch Jarosław, Markowski Jarosław, Pilch Jan, Smółka Wojciech, Jasik Krzysztof Piotr, Kilian Filip, Likus Wirginia, Bajor Grzegorz, Chrobak Dariusz, Glowka Karsten, Starczewska Oliwia

Engineering of Biomaterials

|

2022

|

vol. 25, no. 167

17--23

EN

Life sciences, a field closely intertwined with human biology and physiology, employ various research methods, including morphology studies and quantitative analysis through non-destructive techniques. Biological specimens often consist of three-phase structures, characterized by the presence of gas, liquid, and solid components. This becomes crucial when the chosen research methodology requires the removal of water from samples or their transfer to a cryostat. In the current research, mechanical and topographical examination of cartilage was performed. The materials were generously provided by the Department of Anatomy at the Medical University of Silesia, thereby eliminating any concerns regarding their origin or ethical use for scientific purposes. Our research methodology involved the application of atomic force microscopy (AFM), which minimally disrupts the internal equilibrium among the aforementioned phases. Cartilage, recognized as a ‘universal support material’ in animals, proves to be highly amenable to AFM research, enabling the surface scanning of the examined material. The quantitative results obtained facilitate an assessment of the internal structure and differentiation of cartilage based on its anatomical location (e.g., joints or ears). Direct images acquired during the examination offer insights into the internal structure of cartilage tissue, revealing morphological disparities and variations in intercellular spaces. The scans obtained during the measurements have unveiled substantial distinctions, particularly in the intercellular ‘essence’, characterized by granularities with a diameter of approximately 0.5 μm in ear cartilage and structural elements in articular cartilage measuring about 0.05 μm. Thus, AFM can be a valuable cognitive tool for observing biological samples in the biological sciences, particularly in medicine (e.g. clinical science).

2

Multiple regression analysis predicts the dynamic of chondrocytes stimulated by magnetic and electric fields

Vaca-Gonzalez Juan Jairo, Escobar Juan Felipe, Garzon-Alvarado Diego Alexander

Acta of Bioengineering and Biomechanics

|

2021

|

Vol. 23, no. 3

109--124

EN

Purpose: The aim of this study was to implement a multiple regression analysis to find mathematical models that estimate the proliferative rate and the molecular synthesis of chondrocytes when these cells are stimulated either by magnetic or electric fields. Methods: Data derived from previous studies performed in our laboratory were used for statistical analyses, which consisted of applying magnetic fields (1 and 2 mT) and electric fields (4 and 8 mV/cm) to chondrocytes. Data from cell proliferation and glycosaminoglycan expression were used to adjust and to validate each mathematical model. Results: The root square model efficiently predicted the chondrocyte dynamics, evidencing determination coefficients of R2 = 92.04 for proliferation and R2 = 70.95 for glycosaminoglycans when magnetic fields were applied, and R2 = 88.19 for proliferation and R2 = 74.79 for glycosaminoglycans when electric fields were applied. Conclusions: The reduced, interactive, quadratic and combined models exhibited lower R2 values, nevertheless, they were useful to predict proliferation and glycosaminoglycan synthesis, as the right-skewed distribution, determined by the F parameter, evidenced a Frejected < Fcomputed. The models are efficient since the prediction of chondrocyte dynamics is comparable to the cell growth and to the molecular synthesis observed experimentally. This novel formulation may be dynamic because the variables that fit the models may be modified to improve in vitro procedures focused on cartilage recovery.

3

May metallic biomaterials used for orthopaedic implants promote carcinogenesis? Preliminary transcriptomic research on human chondrocytes

Walkowiak-Przybyło Magdalena

Engineering of Biomaterials

|

2020

|

Vol. 23, no. 157

15--19

EN

The aim of this research was to assess the risk of carcinogenesis induced by the metallic materials intended for orthopaedic implants. The report is an analytical summary of changes in the expression of cancer-related genes in human chondrocytes of normal and neoplastic phenotype. Cq values (quantification cycle values) obtained from qRT-PCR reactions (quantitative real-time polymerase chain reactions) were used to count Fc values (fold change values) for each gene. Differences in Fc values obtained for primary and cancer cells grown on the surface of medical steel AISI316L and titanium-aluminum-vanadium alloy Ti6Al4V were then analyzed by t-Student test. The results indicate that for cancer cells grown on the surfaces of both examined materials the fold change greater than 2, usually considered essential, was found for LUM gene involved in sarcoma induction. For FOS gene, also involved in sarcoma induction, the Fc value was also very close to 2 in the primary cells exposed to Ti6Al4V alloy. The remaining observed changes were rather subtle, although they cannot be omitted from further studies because differences in gene expression in primary and tumor cells grown on the same biomaterial were statistically significant in several cases. The compilation of qRT-PCR experiments carried out on primary and cancer cells in parallel allowed to identify possible future contraindications for patients with a genetic predisposition to cancer or with cancer history.

4

Excessive tensile strain induced the change in chondrocyte phenot

Zhong D., Chen X., Luo Z.-P.

Acta of Bioengineering and Biomechanics

|

2018

|

Vol. 20, no. 2

3--10

EN

Chondrocyte extracellular matrix type II collagen and proteoglycans ensure an important compression-bearing structure in synovial joint. However, much more type I collagen is generated in osteoarthritis, which implies the presence of abnormal tensile strain in cartilage. We hypothesize that tensile stress influences chondrocyte phenotype at the cellular level, leading to potential osteoarthritis. Methods: Chondrocytes were stimulated with cyclic excessive tensile (10%) or mild tensile or compressive strain (5%) at 0.5 Hz, 3 h per day for 3 days. Chondrocyte morphology and matrix proteoglycans level was separately determined by Rhodamine phalloidin and toluidine blue staining. The expression of cartilage marker molecules was measured using quantitative reverse transcription polymerase chain reaction and enzyme-linked immunosorbent assays. Results: Chondrocytes demonstrated significant fibroblastic morphology, reduced proliferation and increased apoptosis following exposure to 10% tensile strain. The 10% tensile strain group induced the lowest matrix proteoglycans level. It observably reduced the expression of COL2A1, Acan and SOX9, and increased COL1A1 expression level. The 5% tensile (5% compression) group, maintained the chondrocyte phenotype. Conclusions: The findings identified the effects of different magnitudes of tensile stress on chondrocyte phenotype compared to compressive strain. Further studies on cartilage biomechanical micro-environment might benefit from this study.

5

Hybrydowy układ hodowlany do otrzymywania implantów tkanki chrzęstnej

Pilarek M., Grabowska I., Janicka J., Wojasiński M., Dąbkowska K., Ciach T.

Inżynieria i Aparatura Chemiczna

|

2014

|

Nr 4

284--285

PL

Opracowano hybrydowy układ do hodowli przestrzennej chondrocytów linii CP5 na polilaktydowym rusztowaniu o strukturze włóknistej wykorzystujący dwie niemieszające się fazy ciekłe: perfluorodekalinę (faza perfluorowana) i pożywkę (faza wodna). Proponowane rozwiązanie bioprocesowe zapewniło odpowiednie warunki do rozwoju komórek chrząstki nie tylko na powierzchni implantu, ale także do migracji i przerastania komórkami włóknistej struktury wewnętrznej rusztowania.

EN

A hybrid culture system which utilized two immiscible liquid phases: perfluorodecalin (hydrophobic phase) and culture medium (aqueous phase) was developed as a new method of 3-D culture of CP5 chondrocytes on fibrous polylactide scaffolds. Perfluorinated compound was applied as liquid-gas carrier which enhances the mass transfer in case of supplying/removing c respiratory gases (O2 and CO2). Robust and intensive growth of chondrocytes on the surface as well as inside scaffolds were achieved.

6

Expression pattern of histone H3 subtypes in articular chondrocytes

Kulczycka A., Orchel J., Orchel A., Dzierżewicz Z., Bednarek I.

Engineering of Biomaterials

|

2012

|

Vol. 15, no. 113

2--5

EN

Three-dimensional cell culture used for tissue engineering has its own rules and directions. There is a deficiency of proliferative markers suitable for tissue engineering research when cells are cross-linked in network of fibers or suspended in hydrogel. It limits cell harvesting or impairs the flow to cell area conventional chemicals used as proliferative markers. According to current published data, the expression of replication-dependent histone H3 genes could be novel proliferative marker of cells. The intensive synthesis of H3 histones is tightly correlated with DNA synthesis and H3 mRNA is rapidly degraded when the S phase is completed or inhibited by cell cycle inhibitors. Based on this relation, non-dividing cells contain no H3 mRNA. The aim of the study was to determine expression pattern of replication-dependent H3 subtypes and tissue-specific H3/t subtype in normal human connective tissue cells. Analyzed cellular model was chondrocytes cell line due to the phenomenon that articular cartilage doesn't have natural ability to heal its injuries, consequently development of cartilage engineering is necessary. Evaluation of expression pattern was performed using Reverse Transcription PCR and reaction products were visualized on the gel electrophoresis. This study demonstrated that RT-PCR technique can be successfully used to study the expression of different histone H3 subtypes. Presented electrophoregram showed differential expression of the analyzed subtypes (no expression of H3/g and H3/t subtypes). Incubation with sodium butyrate and quantitative Real Time PCR enabled quantification of mRNA level of selected H3/d subtype. This part of study showed a significant reduction in the mRNA level of H3/d when the sodium butyrate was added. Obtained results indicated the possibility of using the expression of individual histone H3 subtype as a new proliferative marker.

7

Ocena sekrecji pozapalnych cytokin przez ludzkie chondrocyty hodowane na bioresorbowalnych materiałach polimerowych

Wawszczyk J., Orchel A., Jelonek K., Paduszyński P., Orchel J., Dobrzyński P., Kasperczyk J., Bielecki I.

Engineering of Biomaterials

|

2011

|

Vol. 14, no. 104

14--22

PL

Tkanka chrzęstna charakteryzuje się małą zdolnością regeneracji oraz niewielkim potencjałem do prawidłowej odbudowy, dlatego też, dotychczas stosowane metody leczenia uszkodzeń chrząstki są niewystarczające. Nadzieję na przełom w leczeniu wielu chorób chrząstki, jak również regenerację tej tkanki, daje inżynieria tkankowa wykorzystująca m.in. syntetyczne polimery z grupy poliestrów alifatycznych i poliwęglanów takie jak kopoolimery glikolidu, ε-kaprolaktonu, L-laktydu oraz trimetylenowęglanu zsyntetyzowane za pomocą nowatorskiej metody wykorzystującej jako inicjator polimeryzacji acetyloctan cyrkonu. W ramach niniejszej pracy dokonano oceny biozgodności wybranych biodegradowalnych materiałów w oparciu o poziom sekrecji prozapalnych cytokin IL-1α i IL-1β, IL-6 oraz IL-8 oznaczonych metodą ELISA. Spośród badanych polimerów biodegradowalnych pod-łoża o składzie PCLGA 92:8, PLAGA 85:15, PLATMC 70:30, PLATMC 30:70, PLATMC 50:50 wydają się charakteryzować największą biozgodnością, gdyż ich obecność nie powodowała istotnego wzrostu sekrecji cytokin prozapalnych przez chondrocyty rosnące na ich powierzchni. Pozostałe badane materiały polimerowe powodowały pewne niepożądane reakcje komórek związane ze stymulacją uwalniania niektórych spośród analizowanych cytokin prozapalnych przez chondrocyty. Uzyskane wyniki pozwoliły na wyciągnięcie wniosku, iż podłoża wykonane z analizowanych w pracy polimerów biodegradowalnych zsyntetyzowanych przy użyciu acetyloacetonianu cyrkonu zasługują na dalszą uwagę, gdyż niosą nadzieję na umożliwienie leczenia ubytków tkanki chrzęstnej.

EN

Cartilage characterizes low potential to regeneration and proper reconstruction. Nowadays, methods of cartilage lesions treatment are unsatisfactory. Tissue engineering is very promising in therapy of many cartilage injures as well as regeneration of this tissue. Biodegradable aliphatic polyesters and polyesterocarbonates such as copolymers of glycolide, L-lactide, ε-caprolactone and trimethylene carbonate were synthesized using a novel method employing non-toxic zirconium acetylacetonate as initiator of polymerization. The aim of the study was to examine biocompatibility of selected biodegradable materials based on the level of secretion of proinflammatory cytokines IL-1α, IL-1β, IL-6 and IL-8. Our results show, that among the studied biodegradable polymers the PCLGA 92:8, 85:15 PLAGA, PLATMC 70:30, PLATMC 30:70, 50:50 PLATMC were characterized by highest biocompatiblity, because they do not cause a significant increase in secretion of proinflammatory cytokines by chondrocytes growing on their surface. Other polymers could cause up-regulation of some proinflammatory cytokines secretion by chondrocytes cultured on their surface. The other tested polymeric materials did not induce the release of proinflammatory cytokines by chondrocytes. Generally, it should be concluded that the studied biodegradable copolymers synthesized with the use of zirconium acetylacetonate as initiator of polymerization deserve further attention, as being promising for the treatment of cartilage defects.

8

Ewaluacja procedury alginanowo-chitozanowo-alginanowej enkapsulacji chondrocytów

Wasiak I., Ciach T.

Engineering of Biomaterials

|

2011

|

Vol. 14, no. 106-108

167--171

PL

Celem niniejszej pracy była ewaluacja mikroenkapsułek otrzymanych z warstw alginianowo-chitozanowo-alginianowej (ACA) jako matrycy do unieruchamiania chondrocytów. Przygotowanie ACA mikroenkapsułek obejmuje przygotowanie kapsułek z alginianu wapnia, adsorpcji dodatnio naładowanego chitozanu na ich powierzchni, tworząc w ten sposób alginianowo-chitozanową membranę, i ostatecznie wytworzenie wierzchniej alginianowej warstwy. Zbadano własności otrzymanych mikrokapsułek, między innymi ich właściwości mechaniczne, porowatość i szybkość dyfuzji substancji małocząsteczkowej. Kapsułki alginianowe otrzymano za pomocą elektrostatycznej metody generowania kropli. Technika ta wykorzystuje wytłaczanie roztworu alginianu w połączeniu z siłami elektrostatycznymi, które zakłócają powierzchnię cieczy na końcu kapilary / igły, tworząc strumień małych kropelek. Prowadzi to do produkcji jednolitych kulek o małej średnicy.

EN

The objective of this paper was to verify microcapsules obtained from alginate-chitosan-alginate (ACA) system as a matrix for chondrocytes immobilization. Preparation of ACA microencapsules includes formation of the calcium alginate beads, adsorption of a positively charged chitosane on their surface, to form alginate – chitosane membrane, and finally coating with alginate. Properties of obtained microcapsules, their mechanical properties, porosity and diffusion rate were investigated. Electrostatic droplet generation method was employed for microbeads production. This technique employs extrusion combined with electrostatic forces to disrupt a liquid surface at the capillary/needle tip, forming a charged stream of small droplets. This leads to the production of uniform small-diameter beads.

9

Biodegradowalne polimery z pamięcią kształtu – badania na ludzkich chondrocytach w układzie in vitro

Kłosek K., Komacki J., Jelonek K., Orchel A., Dobrzyński P., Kasperczyk J., Dzierżewicz Z.

Engineering of Biomaterials

|

2010

|

Vol. 13, no. 96-98

121--125

PL

W niniejszej pracy analizowano wpływ substancji wymywalnych, otrzymanych w drodze ekstrakcji z bioresorbowalnych terpolimerów zsyntetyzowanych przy użyciu Zr(Acac)4 i przetwarzanych metodą prasowania, na wzrost chondrocytów ludzkich w warunkach in vitro. Matryce wykonane z poli(L-laktydo- ko-glikolido-ko-węglanu trimetylenu) 75:14:11 oraz poli(L-laktydo-ko-glikolido-ko-ε-kaprolaktonu) 55:29:16 charakteryzowano za pomocą spektroskopii NMR, GPC oraz DSC. Ekstrakcję przeprowadzono w medium hodowlanym z matryc polimerowych przed degradacją oraz po 30, 60 i 90 dniach degradacji. Nie stwierdzono zahamowania wzrostu chondrocytów inkubowanych w obecności ekstraktów uzyskanych z matryc P(L-LA-GA-TMC) 75:14:11 w porównaniu z kontrolą (medium hodowlane) oraz UHMWP, niezależnie od zastosowanego rozcieńczenia i stopnia zdegradowania matryc. Zaobserwowano natomiast zahamowanie wzrostu chondrocytów inkubowanych w obecności rozcieńczonych pożywką ekstraktów (1:4), otrzymanych z matryc P(L-LA-GA-CL) 55:29:16, poddanych 60- i 90-dniowej degradacji.

EN

The influence of substances extracted from bioresorbable terpolymers, synthesized with Zr(Acac)4 as initiator and processed by compression, on human chondrocytes growth in vitro, was analyzed in this study. The matrices obtained from poly (L-lactideco- glycolide-co- trimethylene-carbonate) 75:14:11 and poly (L-lactide-co-glycolide-co-ε-caprolactone) 55:29:16 were characterized by means of NMR spectroscopy, GPC and DSC. Extracts were prepared of polymeric matrices before and after 30, 60 and 90 days of degradation in chondrocytes growth medium. The obtained results did not show growth inhibition of chondrocytes incubated with extracts of P(LA-GATMC) 75:14:11, compared to growth medium (control) and UHMWP (negative control), regardless the used dilution and degree of matrices’ degradation. Growth inhibition was observed in the case of chondrocytes incubated with extracts of P(LA-GA-CL) 55:29:16 matrices after 60 and 90 days of degradation diluted with medium to 1:4.

10

Badanie cytokompatybilności kopolimerów ε-kaprolaktonu i TMC z wykorzystaniem hodowli ludzkich chondrocytów

Orchel A., Jelonek K., Pastusiak M., Mizera D., Kasperczyk J., Dzierżewicz Z.

Engineering of Biomaterials

|

2010

|

Vol. 13, no. 96-98

58--61

11

Wzrost i różnicowanie ludzkich chondrocytów hodowanych na biodegradowalnych trójwymiarowych nośnikach polimerowych

Orchel J., Orchel A., Kasperczyk J., Pamuła E., Paduszyński P., Dobrzyński P., Pałasz A., Bielecki I., Jelonek K., Dzierżewicz Z.

Engineering of Biomaterials

|

2008

|

Vol. 11, no. 81-84

8--11

12

Flow on the bio-cell surfaces as an element of microbearing tribology

Wierzcholski K., Miszczak A.

Journal of KONES

|

2007

|

Vol. 14, No. 2

553-560

EN

In this paper author presents the comparisons between lubricating flows in the thin layer liquids occurring in micro-bearings for a journal diameter not greater than 1 mm and with the velocity distributions existing in liquid micro-layers flowing around the cartilage cells in bioreactors. The exactly testing of mechanisms of liquid velocity distributions inside super thin layers laying on the cartilage cell surfaces during the cultivation in bioreactors enables to perform the optimization of lubrication process in intelligent micro-bearings, where cooperating surfaces could be change geometry and adapt to the external conditions during the exploitation. Fluid flows presented in thin layer about 10 nanometres height are localized in this paper on the surfaces about 20mi mx20mi m. Experiences gained during the numerical determination of velocity values in the level of some micrometers per second in bioreactors confirmed with the experimental measurement data obtained by means of Atomic Forces Microscope (AFM) enable to need the presented theory for determination of the friction forces and friction coefficient occurring in slide bearing and in an intelligent microturbine, where cooperating surfaces similarly as chondrocytes will be change your geometry and shape. In this paper author presents the comparisons between lubricating flows in the thin layer liquids occurring in micro-bearings for a journal diameter not greater than 1 mm and with the velocity distributions existing in liquid micro-layers flowing around the cartilage cells in bioreactors. The exactly testing of mechanisms of liquid velocity distributions inside super thin layers laying on the cartilage cell surfaces during the cultivation in bioreactors enables to perform the optimization of lubrication process in intelligent micro-bearings, where cooperating surfaces could be change geometry and adapt to the external conditions during the exploitation. Fluid flows presented in thin layer about 10 nanometres height are localized in this paper on the surfaces about 20mi m x20mi m. Experiences gained during the numerical determination of velocity values in the level of some micrometers per second in bioreactors confirmed with the experimental measurement data obtained by means of Atomic Forces Microscope (AFM) enable to need the presented theory for determination of the friction forces and friction coefficient occurring in slide bearing and in an intelligent microturbine, where cooperating surfaces similarly as chondrocytes will be change your geometry and shape.

PL

W niniejszej pracy autor dokonuje porównania pomiędzy przepływami cieczy w cienkich warstwach smarującej mikro-łożyska o średnicach czopa nie przekraczających 1mm a rozkładami prędkości w mikro-warstewkach cieczy opływającej komórki chrząstki stawowej w bioreaktorach. Dokładne przebadanie mechanizmu rozkładu prędkości cieczy w super cienkich warstewkach zalegających na powierzchniach komórek chrząstki stawowej podczas hodowli w bioreaktorze pozwoli optymalizować proces smarowania inteligentnych mikro łożysk, w których współpracujące powierzchnie mogą w trakcie eksploatacji zmieniać swoje geometrie i dostosowywać się do warunków zewnętrznych. Rozpatrywane w pracy przepływy cieczy lokalizowane na powierzchniach o wymiarach 20 mi m x20 mi m realizują się w warstwach cieczy osiągających często grubość poniżej 10 nanometrów. Zdobyte doświadczenia w trakcie wyznaczania numerycznego prędkości cieczy rzędu wartości kilku mikrometrów na sekundę w bioreaktorach potwierdzone wynikami doświadczalnymi uzyskanymi przy wykorzystaniu Mikroskopu Sił Atomowych umożliwią zdaniem autora wyznaczenie właściwych sił tarcia oraz wykorzystanie przedstawionej teorii przy wyznaczaniu współczynników tarcia w inteligentnych mikro-łożyskach, gdzie współpracujące powierzchnie podobnie jak chondrocyty będą zmieniać geometrię, osiągając odkształcenia postaciowe.

13

Flow and friction around the growing cartilage cells.

Wierzcholski K., Miszczak A.

Zagadnienia Eksploatacji Maszyn

|

2006

|

Vol. 41, nr 2

199-212

EN

The aim of this paper is viscous biological fluid flow in boundary layer direct near the cartilage cells surface. Presented flow is caused by the perfusion and diffusion and growth of superficial layer surface of chondrocytes in bioreactor. Analytical considerations performed in this paper are presented flow parameter such as velocity components of the fluid and friction forces arise during the flow. Results of this paper are need to the optimisation of cartilage cultivation in bioreactor and to optimize the growth of cells.

PL

Inżynieria tkankowa jest jedną z najszybciej rozwijających się dziedzin biotechnologii stosowanej. Nowe metody badawcze tej nauki mogą być rozwiązane jedynie przy wzajemnej współpracy biologów, tribologów, mechaników, ortopedów klinicystów. Schorzenia chrząstki stawowej dotyczą milionów ludzi na świecie, często nawet w młodym wieku. Od kilkunastu lat z powodzeniem prowadzone są próby rekonstrukcji czrząstki stawowej oparte na dwóch różnych koncepcjach. Pierwsza z nich polega na przeszczepianiu chrząstki pobranej z innego stawu lub z nieobciążonego miejsca tego samego stawu. Druga opiera się na wykorzystaniu możliwości mnożenia się chondrocytów chrząstki w bioreaktorach i wszczepianiu ich do ubytków chrząstki (pod łatę okostnową). Jednym z licznych rezultatów badań autorów jest tribologiczny model obliczeniowy sił tarcia w tym lepkich naprężeń ścinających wywołanych gadientem profili prędkości na granicy pomiędzy powierzchnią hondrocytu a nawet większych części chrząstek stawowych a cieczą biologiczną, co umożliwia symulację i określenie procesu wzrostu komórek w bioreaktorze jak również sterowanie oraz optymalizację sił tarcia występujących na kontaktujących się powierzchniach w trakcie hodowli. Rozpatruje się opory tarcia przepływu lepkiej cieczy poprzez porowatą strukturę warstwy wierzchniej tkanki. Opisany równaniami hydrodynamiki proces odżywiania chrząstek stawowych, odbywa się dzięki wnikaniu do nich płynu z jamy stawowej, spowodowanym naciskiem na chrząstkę i jej odprężaniem zachodzącym w trakcie ruchów wykonanych w stawie. Tak więc aby wypełnić niedostatek wiedzy teoretycznej i technologicznej w zakresie hodowli tkanek, pożądane są liczne przybliżenia wsparte interdyscyplinarnymi i wielodziedzinowymi badaniami zawierającymi analityczne rozwiązania, numeryczne obliczenia oraz eksperymentalne pomiary. W pracy przedstawiono prototyp bioreaktora pracującego w Instytucie Badawczym Cienkich Biologicznych Warstw Granicznych w Karlsruhe.