In silico μελέτη της ενδοκυτταρικής κατανομής των τάσεων και των παραμορφώσεων που δημιουργούνται σε προσκολλημένα οστεοβλαστικά κύτταρα υπό συνθήκες εξωτερικών μηχανικών φορτίσεων
Creators: name: Κανακουσάκη, Δήμητρα Γεωργίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2020
Subjects: Οστεοβλαστικό κύτταρο
Κυτταρικό μοντέλο
Πεπερασμένα στοιχεία
Osteoblastic cell
Cell model
Finite element analysis

description: Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η διερεύνηση των συνολικών μετατοπίσεων και της κατανομής των τάσεων και των δημιουργούμενων ανηγμένων παραμορφώσεων σε ενδοκυτταρικό επίπεδο, σε οστεοβλαστικά κύτταρα που ήταν προσκολλημένα σε επιφάνεια Ti. Το κυτταρικό μοντέλο που επιλέχθηκε ήταν μία ανθρώπινη οστεοβλάστη, με τις φυσικές διαστάσεις αυτής, η οποία αποτελείτο από κυτταρική μεμβράνη, ακτινικό δίκτυο, κυτταρόπλασμα, μικροσωληνίσκους, πυρήνα και μιτοχόνδρια. Χρησιμοποιήθηκαν στοιχεία της βιβλιογραφίας για να ανακτηθούν τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά μίας οστεοβλάστης. Η τρισδιάστατη γεωμετρία του κυττάρου και του κυτταροσκελετού εισήχθει σε λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων, προκειμένου να μελετηθεί η κατανομή τάσεων στα επιμέρους κυτταρικά οργανίδια. Για το σκοπό αυτόν ορίστηκαν οι μηχανικές ιδιότητες όλων των εμπλεκομένων δομών καθώς και οι οριακές συνθήκες και οι φορτίσεις, βάσει βιβλιογραφικών δεδομένων. Προκειμένου να ερευνηθεί η μετάδοση των εξωτερικών φορτίσεων σε αυτές τις κυτταρικές δομές, επιλέχθηκαν τέσσερα σενάρια φόρτισης που αξιολογήθηκαν μέσω στατικής ανάλυσης, σχετικά με τις μέγιστες τάσεις και τις ανηγμένες παραμορφώσεις που παρατηρήθηκαν σε αυτά. Η ανάλυση των δεδομένων έδειξε πως οι μέγιστες μετατοπίσεις των συνολικών μοντέλων παρουσίασε μείωση όσο η φόρτιση απομακρυνόταν από τον πυρήνα. Από τα αποτελέσματα της παρούσας έρευνας προκύπτει πως υπάρχει τροποποίηση στις μέγιστες τάσεις von Mises και στις ανηγμένες παραμορφώσεις σε οστεοβλαστικά κύτταρα, υπό την επίδραση εξωτερικών μηχανικών φορτίσεων, η οποία σχετίζεται με τη θέση εφαρμογής των φορτίσεων αυτών. Όσον αφορά τις βιολογικές επιπτώσεις σε μηχανική φόρτιση οστεοβλάστης, είναι πιθανή η συσχέτιση με συγκεκριμένα σηματοδοτικά μονοπάτια. Τέλος, η ρήξη της κυτταρικής μεμβράνης και του πυρηνικού φακέλου από τις μηχανικές φορτίσεις στο παρόν μοντέλο δεν ήταν δυνατή.
description: The aim of this study was the investigation of the displacements and the created stresses and strains in a subcellular level, in osteoblastic cells which were adherent in Ti surface. An osteoblast was reverse-engineered based on cell images retrieved from literature data. The final 3D model of the osteoblast consisted of a plasma membrane, actin network, nucleus, mitochondria, microtubules and cytoplasm. All cellular structures were modelled as linear elastic ones. Model verification and validation procedures took place in order to provide acceptable results for the purposes of the study. To provide insight on the transduction of external loads into the cell’s organelle, four different loading scenarios were evaluated in a static analysis. Data analysis indicated that the maximum displacement values decreased as the loading distance from the nucleus increased. The results of this study suggest that there is a modification of the maximum von Misses stress and strain values in osteoblastic cells, when under external mechanical loading, which is related to the position of the loading. As for the biological implications in an osteoblastic cell under mechanical loading, there is a possible correlation with specific signalling pathways. Finally, the results in the current study cannot be conclusive regarding possible ruptures of the plasma membrane and the nuclear envelope.