Computational model of flow and biochemical transport in a multichamber bioreactor

The osteoarthritis, common type of arthritis, it’s one of the major pathology that acts on the joints and affects more than 25% of the over 65 population. The problem manifests and evolves in the cartilage matrix much before that the symptoms become evident. Moreover the osteoarthritis (OA) affects many other areas surrounding joint cartilage such as synovial membrane capsule, adjacent tissues and periarticular muscles. In the worst case it’s possible to observe osteophytes (bone tissue outgrowth), eburnation (bone tissue abnormal hardening) and subchondral cysts (fluid sack in the bone). The main osteoarthritis symptoms are pain, stiffness, cracking, enlargement and deformity of the damaged joint and possible inflammation in the more advanced stage of disease. Since the wide range of people affected and the pathological consequences associated becomes increasingly necessary first of all, to understand and define the causes and development of the disease and, consequently, to develop appropriate drug therapy able to cure the disorder permanently. A possible tool in this regard can be found in tissue engineering andin the use of bioreactors. In fact, although these devices were originally designed to regenerate tissues in order to be implanted in the presence of trauma, from 2010 a different use of them has been identified. The idea is using bioreactors to cultivate cells and generate tissues in order to use them during thedrug screening process[1]. In this trend fits the bioreactor studied during this work that, developed at the McGowan Institute of Regenerative Medicine of Pittsburgh [2], is composed by two different chambers, fed with two different culture media.The ambitious goal is to recreate the osteochondral complex in order to use it to evaluate both the effectiveness and the toxicity of the drugs tested in vitro. The nature of the examined tissue requires a significant amount of extracellular matrix that, consequently implies dimensions of the bioreactor of the order of millimeters and not of microns as usually happens. The larger size makes the perfusion of nutrients within the device more difficult. In fact in order to avoid cellular necrosis and obtain an adequate development of the tissue it is necessary that the nutrients reach every region of the bioreactor, including those more internal. The purpose of this work is therefore to define a computational model able to quantitatively measure the degree of mixing of the two culture media and that of perfusion of nutrients in each region of the device. This study also wants to evaluate two different configurations of the bioreactor with scaffold in gelatin methacrylate (Gelma) and in poly-L-lactate (PLLA) respectively to identify which is the most suitable for the regeneration of osteochondral tissue.

L’osteoartrite, forma più comune di artrite, è uno dei maggiori disturbi che affligge le articolazioni colpendo oltre il 25% della popolazione sopra i 65 anni. Il problema si manifesta e si sviluppa nella matrice della cartilagine, molto prima che i sintomi siano evidenti. Inoltre oltre alla cartilagine articolare, l'osteoartrite (OA) colpisce anche numerose altre zone interne e circostanti quali la membrana della capsula sinoviale, la capsula stessa, i tessuti circostanti ed i muscoli periarticolari. Nei casi avanzati si possono anche riscontrare osteofiti (escrescenze di tessuto osseo), eburneazione (anormale indurimento del tessuto osseo) e cisti subcondrali (sacche di fluido nell'osso). I sintomi principali dell’osteoartrite sono dolore, rigidità, scricchiolii, ingrossamento e deformità dell'articolazione interessata con possibile infiammazione negli stadi più avanzati. Data l’ampia fascia di popolazione colpita e le conseguenze patologiche associate si dimostra sempre più necessario in primo luogo, comprendere e definire le cause e lo sviluppo della patologia e, conseguentemente, adeguate terapie farmacologiche in grado di curare il disturbo in maniera definitiva. Un possibile strumento a riguardo può essere individuato nell’ingegneria tissutale e nell’utilizzo di bioreattori. Infatti benché tali dispositivi siano stati inizialmente progettati per rigenerare tessuti da impiantare in presenza di traumi, a partire dal 2010 è stato individuato un loro diverso utilizzo. L’idea è quella di utilizzare i bioreattori per coltivare cellule e generare tessuti da utilizzare in fase di screening farmacologico[1]. In quest’ottica si inserisce il bioreattore oggetto di studio che, sviluppato presso il McGowan Institute of Regenerative Medicine di Pittsburgh[2], prevede la presenza di due diverse camere, alimentate con due diversi mezzi di coltura.L’ambizioso obiettivo è quello di ricreare il complesso osteocartilagineo da poter utilizzare per la valutazione sia dell’efficacia che della tossicità dei farmaci testati in vitro. La natura del tessuto in esame impone una quantità rilevante di matrice extracellulare che, di conseguenza implica dimensioni del bioreattore dell’ordine dei millimetri e non dei micron come avviene usualmente. Le maggiori dimensioni rendono la perfusione di nutrienti all’interno del dispositivo più difficoltosa. Infatti al fine di evitare la necrosi cellulare ed ottenere un adeguato sviluppo del tessuto è necessario che i nutrienti raggiungano ogni regione del bioreattore, comprese quelle più interne. Lo scopo di questo lavoro di tesi consiste pertanto nel costruire un modello computazionale in grado di misurare quantitativamente il grado di perfusione dei nutrienti in ogni regione del dispositivo e quello di commistione dei due mezzi di coltura. Questo studio si prefigge inoltre l’obiettivo di valutare due diverse configurazioni di bioreattore con scaffold rispettivamente in gelatina metacrilata (gelMA) e in poli-L-lattato (PLLA) per identificare quale sia la più adeguata alla rigenerazione di tessuto osteocartilagineo.