Visualization and quantification of cell displacement in a 3-D environment to enhance the cell seeding efficiency

The following thesis describes the study of the local fluid dynamics inside scaffolds through the use of micro particle image velocimetry (μPIV) system and computational fluid dynamic (CFD) simulations. This thesis is part of a wider project in collaboration between the Laboratory of Biological Structure Mechanics - LaBS (Politecnico di Milano, Milan, Italy) and INSIGNEO (Department of Mechanical Engineering, The University of Sheffield, UK). The aim of the work is the visualization and quantification of cells displacement inside a three-dimensional (3-D) scaffold during the cell seeding procedure for the development of in vitro tissue. The initial part of the work focuses on the development, at LaBS, of μPIV protocols in combination with CFD to characterise the fluid velocity at the pore level inside the scaffold with fluorescent beads and with stained cells. The use of fluorophores is adopted in the μPIV system for particle, or cell, tracking. The computational work at INSIGNEO is carried out to implement user- defined functions (UDFs) in C language, to enhance the standard performance of Ansys Fluent, in order to simulate variable mass flow rates and reproduce the flow rates experimentally imposed by the pump. CFD simulations of the experimental conditions are extended to predict the effect of different substrate properties on the local fluid dynamics.

La seguente tesi descrive lo studio della fluidodinamica locale all’interno di scaffold attraverso l’utilizzo del sistema μPIV (micro particle image velocimetry) e di simulazioni CFD (computational fluid dynamic). Questo lavoro di tesi si inserisce all’interno di un progetto più ampio in collaborazione con il laboratorio di meccanica delle strutture biologiche – LaBS (Politecnico di Milano, Milano, Italia) e con il dipartimento di ingegneria meccanica – INSIGNEO (The University of Sheffield, UK). L’obiettivo di questo progetto è atto a visualizzare e quantificare il movimento delle cellule all’interno di uno scaffold tridimensionale durante la procedura di semina cellulare per lo sviluppo di tessuti in vitro. La parte iniziale del lavoro, svolta al LaBS, è focalizzata allo sviluppo di protocolli per l’utilizzo del μPIV in combinazione con simulazioni CFD per caratterizzare il campo di velocità all’interno dello scaffold, in particolare a livello dei pori, mediante l’utilizzo di particelle fluorescenti e di cellule colorate. L’uso di fluorofori è essenziale sia per le particelle sia per le cellule, per permettere al μPIV di tracciarne il percorso. Il lavoro computazionale, svolto in INSIGNEO, è stato improntato all’implementazione in linguaggio C di UDFs (user defined functions) per incrementare le potenzialità di Ansys Fluent, al fine di simulare un flusso variabile, riproducendo così il flusso sperimentalmente imposto alla pompa- siringa. Le simulazioni CFD servono a predire il comportamento cellulare a seguito di cambiamenti nelle condizioni di prova.