Parametric optimization of culture chamber for cell mechanobiology research

机械生物学 有限元法 材料科学 基底膜 拉伤 生物医学工程 基质(水族馆) 参数统计 复合材料 组织工程 结构工程 化学 解剖 数学 工程类 生物 生态学 生物化学 统计
作者
Xutong Guo,Ziqi Wang,Lilan Gao,Chunqiu Zhang
出处
期刊:Experimental Biology and Medicine [SAGE]
卷期号:248 (20): 1708-1717
标识
DOI:10.1177/15353702231198079
摘要

Mechanical signals influence the morphology, function, differentiation, proliferation, and growth of cells. Due to the small size of cells, it is essential to analyze their mechanobiological responses with an in vitro mechanical loading device. Cells are cultured on an elastic silicone membrane substrate, and mechanical signals are transmitted to the cells by the substrate applying mechanical loads. However, large areas of non-uniform strain fields are generated on the elastic membrane, affecting the experiment’s accuracy. In the study, finite-element analysis served as the basis of optimization, with uniform strain as the objective. The thickness of the basement membrane and loading constraints were parametrically adjusted. Through finite-element cycle iteration, the “M” profile basement membrane structure of the culture chamber was obtained to enhance the uniform strain field of the membrane. The optimized strain field of culture chamber was confirmed by three-dimensional digital image correlation (3D-DIC) technology. The results showed that the optimized chamber improved the strain uniformity factor. The uniform strain area proportion of the new chamber reached 90%, compared to approximately 70% of the current chambers. The new chamber further improved the uniformity and accuracy of the strain, demonstrating promising application prospects.

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