The effect of electric fields on hyaline cartilage: an in vitroand in silicostudy

Abstract: Hyaline cartilage is a dense connective tissue with low self-healing capacity when is affected by degenerative pathologies. Therefore, electrical stimulation has been proposed as a possible non-invasive alternative therapy to enhance the restoration of the cartilaginous tissue. Accordingly...

Full description

Autores:
Vaca González, Juan Jairo
Tipo de recurso:
Doctoral thesis
Fecha de publicación:
2019
Institución:
Universidad Nacional de Colombia
Repositorio:
Universidad Nacional de Colombia
Idioma:
spa
OAI Identifier:
oai:repositorio.unal.edu.co:unal/69657
Acceso en línea:
https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/69657
http://bdigital.unal.edu.co/71744/
Palabra clave:
0 Generalidades / Computer science, information and general works
5 Ciencias naturales y matemáticas / Science
53 Física / Physics
54 Química y ciencias afines / Chemistry
57 Ciencias de la vida; Biología / Life sciences; biology
61 Ciencias médicas; Medicina / Medicine and health
62 Ingeniería y operaciones afines / Engineering
Cartílago hialino
Condrocitos
Campo eléctrico
Condrogénesis
Proliferación
Síntesis molecular
Hyaline cartilage
Electric fields
Molecular Synthesis
Rights
openAccess
License
Atribución-NoComercial 4.0 Internacional
id UNACIONAL2_914176233a3ac10767e63a6b2bcd68a5
oai_identifier_str oai:repositorio.unal.edu.co:unal/69657
network_acronym_str UNACIONAL2
network_name_str Universidad Nacional de Colombia
repository_id_str
dc.title.spa.fl_str_mv The effect of electric fields on hyaline cartilage: an in vitroand in silicostudy
title The effect of electric fields on hyaline cartilage: an in vitroand in silicostudy
spellingShingle The effect of electric fields on hyaline cartilage: an in vitroand in silicostudy
0 Generalidades / Computer science, information and general works
5 Ciencias naturales y matemáticas / Science
53 Física / Physics
54 Química y ciencias afines / Chemistry
57 Ciencias de la vida; Biología / Life sciences; biology
61 Ciencias médicas; Medicina / Medicine and health
62 Ingeniería y operaciones afines / Engineering
Cartílago hialino
Condrocitos
Campo eléctrico
Condrogénesis
Proliferación
Síntesis molecular
Hyaline cartilage
Electric fields
Molecular Synthesis
title_short The effect of electric fields on hyaline cartilage: an in vitroand in silicostudy
title_full The effect of electric fields on hyaline cartilage: an in vitroand in silicostudy
title_fullStr The effect of electric fields on hyaline cartilage: an in vitroand in silicostudy
title_full_unstemmed The effect of electric fields on hyaline cartilage: an in vitroand in silicostudy
title_sort The effect of electric fields on hyaline cartilage: an in vitroand in silicostudy
dc.creator.fl_str_mv Vaca González, Juan Jairo
dc.contributor.advisor.spa.fl_str_mv Gallego Ferrer, Gloria (Thesis advisor)
Guevara Morales, Johana María (Thesis advisor)
dc.contributor.author.spa.fl_str_mv Vaca González, Juan Jairo
dc.contributor.spa.fl_str_mv Garzón Alvarado, Diego Alexander
dc.subject.ddc.spa.fl_str_mv 0 Generalidades / Computer science, information and general works
5 Ciencias naturales y matemáticas / Science
53 Física / Physics
54 Química y ciencias afines / Chemistry
57 Ciencias de la vida; Biología / Life sciences; biology
61 Ciencias médicas; Medicina / Medicine and health
62 Ingeniería y operaciones afines / Engineering
topic 0 Generalidades / Computer science, information and general works
5 Ciencias naturales y matemáticas / Science
53 Física / Physics
54 Química y ciencias afines / Chemistry
57 Ciencias de la vida; Biología / Life sciences; biology
61 Ciencias médicas; Medicina / Medicine and health
62 Ingeniería y operaciones afines / Engineering
Cartílago hialino
Condrocitos
Campo eléctrico
Condrogénesis
Proliferación
Síntesis molecular
Hyaline cartilage
Electric fields
Molecular Synthesis
dc.subject.proposal.spa.fl_str_mv Cartílago hialino
Condrocitos
Campo eléctrico
Condrogénesis
Proliferación
Síntesis molecular
Hyaline cartilage
Electric fields
Molecular Synthesis
description Abstract: Hyaline cartilage is a dense connective tissue with low self-healing capacity when is affected by degenerative pathologies. Therefore, electrical stimulation has been proposed as a possible non-invasive alternative therapy to enhance the restoration of the cartilaginous tissue. Accordingly, this work presents a combined computational and experimental approach to understand better the hyaline cartilage biology and its response to electrical stimulation using different in vitro models. On the one hand, a mechanobiological model was developed to simulate the endochondral ossification process. On the other hand, the electrical stimulation on hyaline cartilage was evaluated in three different scenarios. Initially, cell proliferation and glycosaminoglycans synthesis of chondrocytes, cultured in monolayer and stimulated with electric fields, was analyzed. Then, a histomorphometric analysis was performed to chondroepiphysis explants that were electrically stimulated. Finally, the effects of the electric fields on chondrogenic differentiation of mesenchymal stem cells cultured in hydrogels was assessed. The results indicated that electrical stimulation is a promising biophysical stimulus, due to the fact that this type of stimulation enhances the viability and the proliferation of cells, induces morphological changes in the chondrocytes, and stimulates the synthesis of the main molecules that compose the hyaline cartilage, such as SOX-9, glycosaminoglycans and aggrecan. Moreover, this project is the first step towards the implementation of an alternative biophysical stimulus that modifies the cellular dynamics of growth plate chondrocytes in ex vivo conditions. Additionally, this study highlights the potential effect of electric fields to induce the chondrogenesis process of mesenchymal stem cells cultured in basal conditions. Overall, the assessment of electrical stimulation on chondrocytes, tissues and scaffolds is a useful tool that may contribute to the current knowledge of regenerative therapies focused on hyaline cartilage healing.
publishDate 2019
dc.date.accessioned.spa.fl_str_mv 2019-07-03T10:32:14Z
dc.date.available.spa.fl_str_mv 2019-07-03T10:32:14Z
dc.date.issued.spa.fl_str_mv 2019-04-08
dc.type.spa.fl_str_mv Trabajo de grado - Doctorado
dc.type.driver.spa.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
dc.type.version.spa.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/acceptedVersion
dc.type.coar.spa.fl_str_mv http://purl.org/coar/resource_type/c_db06
dc.type.content.spa.fl_str_mv Text
dc.type.redcol.spa.fl_str_mv http://purl.org/redcol/resource_type/TD
format http://purl.org/coar/resource_type/c_db06
status_str acceptedVersion
dc.identifier.uri.none.fl_str_mv https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/69657
dc.identifier.eprints.spa.fl_str_mv http://bdigital.unal.edu.co/71744/
url https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/69657
http://bdigital.unal.edu.co/71744/
dc.language.iso.spa.fl_str_mv spa
language spa
dc.relation.ispartof.spa.fl_str_mv Universidad Nacional de Colombia Sede Bogotá Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica Ingeniería Mecatrónica
Ingeniería Mecatrónica
dc.relation.references.spa.fl_str_mv Vaca González, Juan Jairo (2019) The effect of electric fields on hyaline cartilage: an in vitroand in silicostudy. Doctorado thesis, Universidad Nacional de Colombia - Sede Bogotá.
dc.rights.spa.fl_str_mv Derechos reservados - Universidad Nacional de Colombia
dc.rights.coar.fl_str_mv http://purl.org/coar/access_right/c_abf2
dc.rights.license.spa.fl_str_mv Atribución-NoComercial 4.0 Internacional
dc.rights.uri.spa.fl_str_mv http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
dc.rights.accessrights.spa.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
rights_invalid_str_mv Atribución-NoComercial 4.0 Internacional
Derechos reservados - Universidad Nacional de Colombia
http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
http://purl.org/coar/access_right/c_abf2
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.mimetype.spa.fl_str_mv application/pdf
institution Universidad Nacional de Colombia
bitstream.url.fl_str_mv https://repositorio.unal.edu.co/bitstream/unal/69657/1/JuanJairoVacaGonz%c3%a1lez.2019.pdf
https://repositorio.unal.edu.co/bitstream/unal/69657/2/JuanJairoVacaGonz%c3%a1lez.2019.pdf.jpg
bitstream.checksum.fl_str_mv 133f3ab4bebc8637d90cc0f090188531
509d2da4229fdfeb9692c6f3c09d04e2
bitstream.checksumAlgorithm.fl_str_mv MD5
MD5
repository.name.fl_str_mv Repositorio Institucional Universidad Nacional de Colombia
repository.mail.fl_str_mv repositorio_nal@unal.edu.co
_version_ 1814090158744535040
spelling Atribución-NoComercial 4.0 InternacionalDerechos reservados - Universidad Nacional de Colombiahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Garzón Alvarado, Diego AlexanderGallego Ferrer, Gloria (Thesis advisor)0b1c9d6c-66f6-4d13-8c8f-8796cb00ac27-1Guevara Morales, Johana María (Thesis advisor)2610a6e6-1f11-431b-bea6-7bfca94158e7-1Vaca González, Juan Jairoec4e0c17-b36b-4cc3-ba45-d315c2a25f453002019-07-03T10:32:14Z2019-07-03T10:32:14Z2019-04-08https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/69657http://bdigital.unal.edu.co/71744/Abstract: Hyaline cartilage is a dense connective tissue with low self-healing capacity when is affected by degenerative pathologies. Therefore, electrical stimulation has been proposed as a possible non-invasive alternative therapy to enhance the restoration of the cartilaginous tissue. Accordingly, this work presents a combined computational and experimental approach to understand better the hyaline cartilage biology and its response to electrical stimulation using different in vitro models. On the one hand, a mechanobiological model was developed to simulate the endochondral ossification process. On the other hand, the electrical stimulation on hyaline cartilage was evaluated in three different scenarios. Initially, cell proliferation and glycosaminoglycans synthesis of chondrocytes, cultured in monolayer and stimulated with electric fields, was analyzed. Then, a histomorphometric analysis was performed to chondroepiphysis explants that were electrically stimulated. Finally, the effects of the electric fields on chondrogenic differentiation of mesenchymal stem cells cultured in hydrogels was assessed. The results indicated that electrical stimulation is a promising biophysical stimulus, due to the fact that this type of stimulation enhances the viability and the proliferation of cells, induces morphological changes in the chondrocytes, and stimulates the synthesis of the main molecules that compose the hyaline cartilage, such as SOX-9, glycosaminoglycans and aggrecan. Moreover, this project is the first step towards the implementation of an alternative biophysical stimulus that modifies the cellular dynamics of growth plate chondrocytes in ex vivo conditions. Additionally, this study highlights the potential effect of electric fields to induce the chondrogenesis process of mesenchymal stem cells cultured in basal conditions. Overall, the assessment of electrical stimulation on chondrocytes, tissues and scaffolds is a useful tool that may contribute to the current knowledge of regenerative therapies focused on hyaline cartilage healing.El cartílago hialino es un tejido conectivo denso con poca capacidad de auto regeneración cuando es afectado por patologías degenerativas. Por lo tanto, la estimulación eléctrica se ha propuesto como una terapia alternativa no invasiva para mejorar la reparación del cartílago hialino. De acuerdo con esto, este trabajo presenta un enfoque computacional y experimental combinado para entender mejor la biología del cartílago hialino y su respuesta a la estimulación eléctrica usando diferentes modelos in vitro. En primer lugar, se ha desarrollado un modelo mecanobiológico para simular el proceso de osificación endocondral. Por otro lado, se ha evaluado el efecto de la estimulación eléctrica sobre el cartílago hialino en tres escenarios diferentes. Inicialmente se ha analizado la proliferación celular y la síntesis de glicosaminoglicanos de condrocitos cultivados en monocapa y estimulados con campos eléctricos. Luego, se ha realizado un análisis histomorfométrico a explantes de condroepífisis que fueron estimulados eléctricamente. Por último, se ha evaluado el efecto de los campos eléctricos sobre la diferenciación condrogénica de células madre mesenquimales cultivadas en hidrogeles. Los resultados indican que la estimulación eléctrica es un estímulo biofísico prometedor, ya que este tipo de estimulación mejora la viabilidad y la proliferación celular, induce cambios morfológicos en los condrocitos, y estimula la síntesis de las principales moléculas que componen el cartílago hialino, tales como SOX-9, glicosaminoglicanos y agrecan. Además, este proyecto es el primer paso hacia la implementación de un estímulo biofísico alternativo que modifica la dinámica celular de los condrocitos de la placa de crecimiento en condiciones ex vivo. Adicionalmente, este estudio resalta el efecto potencial de los campos eléctricos para inducir el proceso de condrogénesis de células madre mesenquimales cultivadas en condiciones basales. En general, la evaluación de la estimulación eléctrica sobre condrocitos, tejidos y andamios es una herramienta útil que puede contribuir al conocimiento actual de las terapias regenerativas enfocadas en la regeneración del cartílago hialino.El cartílag hialí és un teixit connectiu dens amb poca capacitat d'auto regeneració quan es veu afectat per patologies degeneratives. Per tant, l'estimulació elèctrica s'ha proposat com una teràpia alternativa no invasiva per millorar la reparació del cartílag articular. D'acord amb això, aquest treball presenta un enfoc computacional i experimental combinat per entendre millor la biologia del cartílag hialí i la seva resposta a l'estimulació elèctrica usant diferents models in vitro. En primer lloc, s’ha desenvolupat un model mecanobiològic per simular el procés d'ossificació endocondral. D'altra banda, s’ha avaluat l'efecte de l'estimulació elèctrica sobre el cartílag hialí en tres escenaris diferents. Inicialment s’ha analitzat la proliferació cel·lular i la síntesi de glicosaminoglicans de condròcits cultivats en monocapa i estimulats amb camps elèctrics. Després, s’ha realitzat una anàlisi histomorfomètrica a explants de condroepífisis que van ser estimulats elèctricament. Finalment, s'ha avaluat l'efecte dels camps elèctrics sobre la diferenciació condrogénica de cèl·lules mare mesenquimals cultivades en hidrogels. Els resultats indiquen que l'estimulació elèctrica és un estímul biofîsic prometedor, ja que aquest tipus d'estimulació millora la viabilitat i la proliferació cel·lular, indueix canvis morfològics en els condròcits, i estimula la síntesi de les principals molècules que componen el cartílag hialí, com ara SOX-9, glicosaminoglicans i agrecan. A més, aquest projecte és el primer pas cap a la implementació d'un estímul biofísic alternatiu que modifica la dinàmica cel·lular dels condròcits de la placa de creixement en condicions ex vivo. Addicionalment, aquest estudi ressalta l'efecte potencial dels camps elèctrics per induir el procés de condrogènesi de cèl·lules mare mesenquimals cultivades en condicions basals. En general, l'avaluació de l'estimulació elèctrica sobre condròcits, teixits i scaffolds és una eina útil que pot contribuir al coneixement actual de les teràpies regeneratives enfocades a la regeneració del cartílag hialí.Doctoradoapplication/pdfspaUniversidad Nacional de Colombia Sede Bogotá Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica Ingeniería MecatrónicaIngeniería MecatrónicaVaca González, Juan Jairo (2019) The effect of electric fields on hyaline cartilage: an in vitroand in silicostudy. Doctorado thesis, Universidad Nacional de Colombia - Sede Bogotá.0 Generalidades / Computer science, information and general works5 Ciencias naturales y matemáticas / Science53 Física / Physics54 Química y ciencias afines / Chemistry57 Ciencias de la vida; Biología / Life sciences; biology61 Ciencias médicas; Medicina / Medicine and health62 Ingeniería y operaciones afines / EngineeringCartílago hialinoCondrocitosCampo eléctricoCondrogénesisProliferaciónSíntesis molecularHyaline cartilageElectric fieldsMolecular SynthesisThe effect of electric fields on hyaline cartilage: an in vitroand in silicostudyTrabajo de grado - Doctoradoinfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/coar/resource_type/c_db06Texthttp://purl.org/redcol/resource_type/TDORIGINALJuanJairoVacaGonzález.2019.pdfapplication/pdf10810748https://repositorio.unal.edu.co/bitstream/unal/69657/1/JuanJairoVacaGonz%c3%a1lez.2019.pdf133f3ab4bebc8637d90cc0f090188531MD51THUMBNAILJuanJairoVacaGonzález.2019.pdf.jpgJuanJairoVacaGonzález.2019.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg4737https://repositorio.unal.edu.co/bitstream/unal/69657/2/JuanJairoVacaGonz%c3%a1lez.2019.pdf.jpg509d2da4229fdfeb9692c6f3c09d04e2MD52unal/69657oai:repositorio.unal.edu.co:unal/696572024-06-01 23:11:25.428Repositorio Institucional Universidad Nacional de Colombiarepositorio_nal@unal.edu.co