1. Modelado computacional del comportamiento de las células madre en un biodispositivo impreso en 3D
- Author
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Ramírez López, Diana Victoria and Rojas Arciniegas, Álvaro José
- Subjects
Bioingeniería ,Impresión en tercera dimensión ,Infarto cardíaco ,Células madre mesenquimales ,Biodispositivo ,Ingeniería Mecatrónica ,Inteligencia artificial - Abstract
The following document presents the development of an agent based model which simulates the behavior of mesenchymal stem cells (MSC), cardiomyocites and endothelial cells in a 3D-printed biodevice which is implanted on the infarcted myocardium as part of a potential treatment for the regeneration of the affected tissue. Examples of computational modeling applied to the behavior of cells are shown and some 3D bioprinting techniques are explained, such as microextrusion, which is used for the fabrication of the biodevices. The context for which the model has been thought is also described, taking into account the use of 3D printing as fabrication technique and the in vitro tests that would validate the results. After this, some machine learning techniques are presented, given that they were considered as alternatives to develop the model. Following the implementation of an ordinary differential equation-based model, the use of agent based modeling was considered as a tool that would better allow including the cellular microenvironment characteristics in the model. Thus, the development of the model with the software Netlogo, its functioning and the result’s visualization are explained step by step. At last, some results are shown, which were obtained after running determined experiments defined through an experimental design and their analysis, which shows that the model can simulate processes that occur in the cellular microenvironment of the infarcted myocardium through the interactions of cells and that it allows the observation of emergent behaviors that can be helpful to determine the characteristics that favor the success that is expected the treatment with the 3D- printed biodevice.t A continuación se presenta el desarrollo de un modelo basado en agentes en el cual se simula el comportamiento de células madre mesenquimales (MSC), cardiomiocitos y células endoteliales en un biodispositivo impreso en 3D que se implantará en el miocardio infartado como parte de un potencial tratamiento el cual busca la regeneración del tejido afectado. Se muestran ejemplos de modelado computacional aplicado al comportamiento de células y se explica el funcionamiento de algunas técnicas de bioimpresión 3D, como la microextrusión utilizada en la fabricación del biodispositivo. De igual manera, se describe el contexto para el cual se ha decidido realizar el modelo, teniendo en cuenta el uso de la impresión 3D como técnica de fabricación y las pruebas in vitro que validarían sus resultados. Seguido a esto se presentan algunas técnicas de machine learning que fueron consideradas como alternativas para realizar el modelo. Después de la implementación de un modelo basado en ecuaciones diferenciales se decide optar por el modelado basado en agentes, considerando que es una herramienta que permitirá incluir en el modelo las características del microambiente celular. Por consiguiente, se describe paso a paso la realización del modelo en el software Netlogo, su funcionamiento y la visualización de los resultados. Finalmente, se muestran algunos resultados obtenidos tras la realización de experimentos definidos mediante un diseño experimental y su análisis, el cual muestra que el modelo puede simular procesos del microambiente celular del miocardio infartado a través de las interacciones de las células y que permite observar comportamientos emergentes que pueden ayudar a determinar las características que favorecen la obtención del éxito esperado mediante el tratamiento con el biodispositivo impreso en 3D Proyecto de grado (Ingeniero Mecatrónico)— Universidad Autónoma de Occidente, 2018. Pregrado Ingeniero(a) Mecatrónico(a)
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- 2018
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