Die Autoren bedanken sich bei der Kommission für Technologie und Innovation (KTI, Schweiz) für die finanzielle Unterstützung (Nr 13.236,1 PFFLI-LS) zu danken.

Die Untersuchungen wurden mit einem Pipe Pumpenaufbau (Figu erneut 2), die mechanische Belastung Experimente bei Flussraten von bis zu 60 L ermöglicht min -1 und Druckabfälle bis zu 2 bar durchgeführt werden. Wie in Fig u re 2 Der Versuchsaufbau ist aus dem Lagerbehälter, der Pumpschaltung und der Ausrüstung für die Inline-Endoskopie-Technik zusammen. Das Laufrad der Speicherbehälter nur verwendet wurde, um das Tensid zu vermischen. Peripherieelemente wurden in dem geschlossenen Kreislauf integriert ist, um die Strömungsgeschwindigkeit v und der Druckabfall P an unterschiedlichen Pumpeneinstellungen zu überwachen. Die Untersuchungen wurden mit Hilfe des Handrades Ventil variiert. 1. Versuchsaufbau <ol><li> Sicherzustellen, dass der Bioreaktor (D = 0,15 m, H / D = 2,2) mit einem Laufrad für die Auflösung des surfacta ausgestattetent und sicherstellen, dass das Einlassrohr taucht in das Fluid, um ein eintretendes Gas zu vermeiden. </li><li> Rüsten Sie die Pumpe Schleife mit einer Spritze Port, der untersucht Pumpe, einem Clamp-On-Durchflussmesser, einen Einweg-Drucksensor und einem Handrad Ventil. Nach Anschluss der Pumpe Schleife in den Vorratsbehälter, schließen Sie den Pumpenkopf mit dem Motor und bereiten die Endoskopsonde. </li><li> Montieren Sie den veränderbaren Reflexionsebene, ein Rhodium Spiegel in diesem Fall an der Sondenspitze und den Abstand zwischen Spiegel und Linse bis 150 um. Stellen Sie die Schraube bei 100 &amp; mgr; m, um die Schärfe des Objektivs zu konzentrieren. </li><li> Verbinden die Sonde am Stroboskop über ein faseroptisches Kabel und der Kamera des Endoskops an den Computer über ein Ethernet-Kabel. Dann schließen Sie die Kamera und das Stroboskop zusammen über einen Trigger-box-Kabel. </li><li> Starten Sie den Computer und öffnen Sie die Hersteller-Software zur Verfügung gestellt, das eine Bildaufnahme und Erkennungssoftware sowie Folge-Analysator-Software enthält. </li><li> Wählen Sie die Bildaufnahme-Software in das Hauptmenü. </li><li> Klicken Sie auf die Schaltfläche &quot;Detect-Gerät&quot; in der oberen linken Ecke des Bildschirms, um die Kamera zu erkennen. </li><li> Wählen Sie unter &quot;Verzeichniseinstellungen&quot; wählen Sie den Speicherort auf dem Computer zum Speichern von Bildern und aktivieren Sie den Befehl &quot;Create Trigger Unterordner&quot;. </li><li> Geben Sie die Prozessparameter im Abschnitt &quot;Trigger-Modus: Betriebsbereit&quot;. Bildfrequenz: 7,5 Hz Bilder pro Trigger: 50 Anzahl der Trigger: 60 Trigger-Intervall: 60 s </li><li> Nach Abschluss der Vorarbeiten, gießen 5 L VE-Wasser in den Vorratsbehälter und schalten Sie die Pumpe, die Pumpe und die Pumpe Schleife zu füllen. </li><li> Schalten Sie die Pumpe und fügen Sie 0,9 ml Tensid (c Tensid = 0,18 ml L -1, ρ Tensid, 20 ° C = 1,070 kg m -3, kritische Micellenkonzentration (CMC): ω cmc0; ≈ 0,018 ml L -1, ω Tensid ≈ 10 · ω CMC) mit einer 10 ml Pipette unter Rühren. Nach 10 min das Tensid vollständig aufgelöst ist. </li><li> Schalten Sie das Laufrad und schalten Sie die Pumpe. Positionieren die Endoskopsonde, so dass die Linse direkt unterhalb des Einlaßrohres befindet. </li><li> Stellen Sie die Durchflussrate von 3,4 L min -1 und den Druckabfall von 0,03, 0,3 oder 0,61 bar durch Variation der Laufraddrehzahl und die Hand-Rad-Ventil. </li><li> Wiegen 6,3 g Öl direkt in die Spritze (β Öl = 1,26 g L -1, ρ Öl, 20 ° C = 989,5 kg m -3). </li><li> Starten Sie die Bildaufnahme-Software und fügen Sie das Öl über die Spritze Port. Die Laufpumpe verteilt die Emulsionstropfen. </li><li> Nach 1 Stunde, schliessen Sie die Schubspannung Untersuchung und reinigen Sie die Inline-Endoskop sowie dem Bioreaktormit der integrierten Pumpe Schleife. Anschließend bereiten Sie die Versuchsanordnung für den nächsten Pumpvorgang. </li></ol> 2. Messung und Bildanalyse <ol><li> Öffnen der automatischen Bilderkennungssoftware in das Hauptmenü. </li><li> Unter &quot;Batch-Root-Verzeichnis&quot; wählen Sie den Speicherort auf dem Computer zum Speichern der Dateien (Alle * .csv). </li><li> Wählen Sie die Spalte &quot;Bildsequenz Path&quot; und klicken Sie auf die Schaltfläche &quot;Add Image Series Unterordner&quot; in der linken unteren Ecke des Bildschirms, um das Bild-Serie laden. </li><li> Laden die Verfahrensparameter, die vom Hersteller bereitgestellt werden. Wählen Sie die Spalte &quot;Sucheinstellungen (* .pss oder auftrag _ *. Mat)&quot; und klicken Sie auf die Schaltfläche &quot;Set Search Settings&quot; in der unteren Mitte des Bildschirms, um Prozessparameter, um die Tropfen Anerkennung geben zu laden. </li><li> Wählen Sie die Spalte &quot;Suchmuster (* .psp oder F _ *. Mat) und klicken Sie auf die Schaltfläche&quot; Set Search Pattern &quot;in der unteren rechten Ecke des Bildschirms, um die Prozessparameter, um die Drop-Analyse festlegen zu laden. </li><li> Starten Sie die Bilderkennung durch Klicken auf die Schaltfläche &quot;Start Batch&quot;. </li><li> Nach Abschluss der Bilderkennung, ausdrücklich die erfassten Tropfengrößen von der Sauter-Durchmesser (d 32), oder jede andere repräsentative Mittelwert oder Verteilung der Wahl unter Verwendung des Ergebnisses Analysator-Software. </li><li> Öffnen Sie das Ergebnis Analysator-Software in das Hauptmenü. </li><li> Aktivieren Sie den Befehl &quot;alle * .csv in 1 Folder&quot;, und klicken Sie auf die Schaltfläche &quot;Load Folder (n)&quot; in der oberen linken Ecke des Bildschirms, um die zuvor gespeicherte alle * .csv-Datei zu laden. </li><li> Wählen Sie den entsprechenden Wert (zB Sauter-Durchmesser) in der Dropdown-Liste in der oberen Mitte des Bildschirms, um die Ergebnisse zu visualisieren. Für die Berechnung des Durchmessers geben die Skalierung 0,6591 &amp; mgr; m Pixel -1 auf der rechten Seite, die vom Hersteller bereitgestellt wird,. </li></ol><img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/53052/53052fig2.jpg" /> Abbildung 2. Versuchsaufbau Pumpenschaltung zur Pumpe verrohrt Setup mit Inline-Endoskopie als der Messtechnik:. (1) Vorratsbehälter, (2) Spritze Hafen, (3) Pumpe (4) Drucksensor (5) Durchflusssensor, ( 6) Stroboskop (7) Computer mit dem Hersteller bereitgestellte Software und (8) Endoskopsonde. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53052/53052fig2highres.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a>

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	<li>Wollny, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Partikelbeanspruchung in ger&#252;hrten (Bio ) Reaktoren (Experimental and numerical investigations of particle stress in stirred (bio-) reactor). , (2010).</li><li>Jaouen, P., Vandanjon, L., Qu&#233;m&#233;neur, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+shear+stress+of+microalgal+cell+suspension+(Tetraselmis+suecica)+in+tangential+flow+filtration+systems:+the+role+of+pumps.">The shear stress of microalgal cell suspension (Tetraselmis suecica) in tangential flow filtration systems: the role of pumps.</a> Bioresour. Technol. 68 (2), 149-154 (1999).</li><li>Bee, J. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Response+of+a+concentrated+monoclonal+antibody+formulation+to+high+shear.">Response of a concentrated monoclonal antibody formulation to high shear.</a> Biotechnol. Bioeng. 103 (1), 936-943 (2009).</li><li>Klaus, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Bluttraumatisierung bei der Passage zeitkonstanter und zeitvarianter Scherfelder (Blood trauma during passage through steady and transient shear fields). , (2004).</li><li>Blaschczok, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Investigations+on+mechanical+stress+caused+to+CHO+suspension+cells+by+standard+and+single-use+pumps.">Investigations on mechanical stress caused to CHO suspension cells by standard and single-use pumps.</a> Chem. Ing. Tech. 85 (1-2), 144-152 (2012).</li><li>Dittler, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+cost-effective+and+reliable+method+to+predict+mechanical+stress+in+single-use+and+standard+pumps.">A cost-effective and reliable method to predict mechanical stress in single-use and standard pumps.</a> Eng. Life Sci. 14 (3), 311-317 (2014).</li><li>Kaiser, S. C., Eibl, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-use+Pumpen+in+der+Prozesstechnologie+(Single-use+pumps+in+the+process+technology).">Single-use Pumpen in der Prozesstechnologie (Single-use pumps in the process technology).</a> Chemie extra. , 30-31 (2013).</li><li>Aggarwal, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Use+of+a+single-circuit+CentriMag&#174;+for+biventricular+support+in+postpartum+cardiomyopathy.">Use of a single-circuit CentriMag&#174; for biventricular support in postpartum cardiomyopathy.</a> Perfusion. 28 (2), 156-159 (2012).</li><li>Kouretas, P. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experience+with+the+Levitronix+CentriMag&#174;+in+the+pediatric+population+as+a+bridge+to+decision+and+recovery.">Experience with the Levitronix CentriMag&#174; in the pediatric population as a bridge to decision and recovery.</a> Artif. Organs. 33 (11), 1002-1004 (2009).</li><li>Khan, N. U., Al Aloul, M., Shah, R., Yonan, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Early+experience+with+the+Levitronix+CentriMag&#174;+device+for+extra+corporeal+membrane+oxygenation+following+lung+transplantation.">Early experience with the Levitronix CentriMag&#174; device for extra corporeal membrane oxygenation following lung transplantation.</a> Eur. J. of Cardio Thorac. 34 (6), 1262-1264 (2008).</li><li>Zhang, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Computational+and+experimental+evaluation+of+the+fluid+dynamics+and+hemocompatibility+of+the+CentriMag+blood+pump.">Computational and experimental evaluation of the fluid dynamics and hemocompatibility of the CentriMag blood pump.</a> Artif. Organs. 30 (3), 168-177 (2006).</li><li>Maa&#223;, S., Gr&#252;nig, J., Kraume, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+techniques+for+drop+size+distributions+in+stirred+liquid-liquid+systems.">Measurement techniques for drop size distributions in stirred liquid-liquid systems.</a> Chem. Process Eng. 30 (4), 635-651 (2009).</li><li>Maa&#223;, S., Rojahn, J., H&#228;nsch, R., Kraume, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automated+drop+detection+using+image+analysis+for+online+particle+size+monitoring+in+multiphase+systems.">Automated drop detection using image analysis for online particle size monitoring in multiphase systems.</a> Comput. Chem. Eng. 45, 27-37 (2012).</li><li>Maa&#223;, S., Wollny, S., Voigt, A., Kraume, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+comparison+of+measurement+techniques+for+drop+size+distributions+in+liquid/liquid+dispersions.">Experimental comparison of measurement techniques for drop size distributions in liquid/liquid dispersions.</a> Exp. Fluids. 50 (2), 259-269 (2011).</li><li>Henzler, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Particle+Stress+in+Bioreactors.">Particle Stress in Bioreactors.</a> Adv. Biochem. Eng./ Biotechnol. 67, 35-82 (2000).</li><li>Sprow, F. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Drop+size+distributions+in+strongly+coalescing+agitated+liquid-liquid+systems.">Drop size distributions in strongly coalescing agitated liquid-liquid systems.</a> AIChE J. 13 (5), 995-998 (1967).</li><li>Shinnar, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+behaviour+of+liquid+dispersions+in+mixing+vessels.">On the behaviour of liquid dispersions in mixing vessels.</a> J. Fluid Mech. 10 (2), 259-275 (1961).</li><li>Ritter, J., Kraume, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On-line+measurement+technique+for+drop+size+distributions+in+liquid/liquid+systems+at+high+dispersed+phase+fractions.">On-line measurement technique for drop size distributions in liquid/liquid systems at high dispersed phase fractions.</a> Chem. Eng. Technol. 23 (7), 579-581 (2000).</li><li>Fries, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Quantifizierung der mechanischen Beanspruchung von Pumpen auf tierische Zellen mittels des nicht-biologischen Modellsystems Emulsion (Quantification of mechanical stress caused by pumps on mammalian cells using a non-biological emulsion model system). , (2014).</li><li>Maa&#223;, S., Wollny, S., Sperling, R., Kraume, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Numerical+and+experimental+analysis+of+particle+strain+and+breakage+in+turbulent+dispersions.">Numerical and experimental analysis of particle strain and breakage in turbulent dispersions.</a> Chem. Eng. Res. Des. 87 (4), 565-572 (2009).</li><li>Maa&#223;, S., Metz, F., Rehm, T., Kraume, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Prediction+of+drop+sizes+for+liquid/liquid+systems+in+stirred+slim+reactors+-+Part+I:+Single+stage+impellers.">Prediction of drop sizes for liquid/liquid systems in stirred slim reactors - Part I: Single stage impellers.</a> Chem. Eng. 162 (2), 792-801 (2010).</li></ol>

Wolfgang Dornfeld und Reto Schöb sind Mitarbeiter von Levitronix, Ltd., Hersteller der MagLev Kreiselpumpen.

Das Ziel des Protokolls ist es, die Eignung der inline Endoskopie Technik zur Tropfengrößenmessung in Pumpprozessen zeigen. Hierzu Tropfengrößen eines Öl-Wasser-Emulsionssystems wurden bestimmt und eine gemessene mittlere Sauter-Durchmesser wurde berechnet, charakterisieren die mechanische Belastung des MagLev Kreiselpumpen sowie wie ihre Gegenstücke, eine peristaltische und einer 4-Kolben-Membranpumpe. Die Ergebnisse zeigten, niedrige Variation der gemessenen mittleren Sauter-Durchmesser, die von Standardabweichungen von weniger als 15% beziffert wurden, was darauf hinweist, dass die Tropfengrößen sind zuverlässig und genau gemessen. Als Folge könnte der gemessenen mittleren Durchmesser nach Sauter erfolgreich als Vergleichskriterium verwendet, um die mechanische Belastung der Pumpen sucht bewerten. Die MagLev Kreiselpumpen ergab größere gemessen Sauter mittleren Durchmessern, was auf geringere mechanische Spannungen auf Emulsionstropfen im Vergleich zu den Schlauch und 4-Kolben-Membranpumpen. Im Gestüties bis heute hat inline Endoskopie wurde gezeigt, dass eine robuste und einfache Technik für eine zuverlässige Tropfengrößenmessung 1,6,12-14,20-21, die ebenfalls in dieser Studie bestätigt werden. Im Vergleich zu alternativen Messtechniken, wie der optischen Faser FBR Sensor, dem FBRM und die 2D-ORM Technik wird das Endoskop Technik kann als das Standardverfahren für den Erhalt von genauen Daten in Flüssig / Flüssig-Anwendungen 12,14 verwendet werden. Die einfache Handhabung des Inline Endoskopie und die einfache Herstellung der nicht-biologisches Öl-Wasser-Emulsionssystem ermöglicht ein einfaches Verfahren zur Tropfengrößenerkennungen gemß dem Protokoll Text (siehe oben). Dennoch sollte darauf hingewiesen werden, dass die Position des Endoskopsonde ist abhängig von der Fluidströmung in den Speicherbehälter. Weitere Untersuchungen (Daten nicht gezeigt) haben ergeben, dass das Objektiv der Sonde sollte direkt unterhalb der Einleitungsrohr für geringere Durchflussmengen bis zu 5 L min angeordnet sein -1um eine Mehrfacherkennung von einem Tropfen 19 zu vermeiden. Für scharfe Bilder bei Flussraten über 5 L min -1, ist es empfehlenswert, die Sonde mindestens 10 cm entfernt von dem Einlaßrohr zu positionieren. Prozessparametern unabhängig, sollte der Halter des Inline Endoskopie stabil sein, um eine Verschiebung der Sonde, die zu unscharfen Bildern führen können, zu vermeiden. Ferner sollte besonders beachtet werden, dass die Tropfengröße erfasst wird, nahe an der unteren Nachweisgrenze der angewandten Foto-optische System, wobei die minimale erfassbare Tropfendurchmesser beträgt 6,5 &amp; mgr; m sein. Wie der Hersteller bereitgestellte Software wurde verbessert, kann inline Endoskopietechniken zuverlässig erkennen eine minimale Tropfengröße von 1 &amp; mgr; m. Darüber hinaus wird die Bildverarbeitung weiterentwickelt, um die Online-Überwachung von industriellen Anwendungen zu ermöglichen. Während die vorliegende Studie konzentrierte sich auf relativ niedrigen Durchflussraten von bis zu 3,4 L<html> 60; min -1, sollten künftige Studien ein breiteres Spektrum von Betriebsbedingungen zu prüfen. Erste Untersuchungen wurden bei Durchflussraten von bis zu 20 L min -1 durchgeführt (Daten nicht gezeigt). Jedoch eine 1: 2-Verdünnung (c Tensid = 0,09 ml L -1, c Öl = 0,64 ml L -1) des Öl-Wasser-Emulsionssystem mit Durchflussraten über 10 L empfohlen min -1 19, wie erhöhte Drop Auflösung durch höhere mechanische Belastung sonst beeinflussen Tropfenerfassung und zur Verringerung der Anzahl der Tropfen festgestellt. Tests wurden mit einem 1: 2 ausgeführt Verdünnung und im Vergleich mit Ergebnissen von unverdünntem Öl-Wasser-Emulsionssystems. Für beide Ansätze, der Sauter-Durchmesser wurden verlässlich bestimmt (Standardabweichung von weniger als 5%). Daher reduzierte Volumenanteil: hat (1 2 Verdünnung) keinen Einfluss auf die gemessene mittlere Sauter-Durchmesser und damit eine Drop-Drop Auseinanderbrechen war vernachlässigbar. nt &quot;&gt; Diese leistungsstarke experimentelle Ansätze bieten eine gute Grundlage für die Verbesserung der Endoskopietechnik sowie der damit verbundenen Bildaufnahme, Anerkennung und Ergebnis Analysator-Software. Darüber hinaus ist die Eignung des Endoskopie-Technik zur Pumpentypen und Serie zu klassifizieren nach ihrer mechanischen Stress wurde erfolgreich gezeigt. Die erhaltenen Ergebnisse sind für Pumpendesign Entwicklung und Optimierung von Pumpen, um Zellschäden zu reduzieren.

Die Pumpen werden verwendet, um Zellkulturen in der pharmazeutischen und biotechnologischen Industrie zu übertragen. Während des Pumpvorgangs, können mechanische Belastung in irreversible Zellschäden, die die Menge und die Qualität des Produkts 1-4 beeinträchtigen könnten zur Folge haben. Die Höhe der mechanischen Belastung abhängig von den Einstellungen Pumpentyp und Pumpe, wie in früheren Studien gezeigt 5-6. Üblicherweise werden Schlauchsystem, Spritze, Membranpumpen zum Einmalgebrauch (SU) Technologie basierten Anwendungen verwendet. Diese Pumpen führen zu hohen durch die Kompression des Pumpschlauches und der pulsierende Strömung 7 verursacht lokale Scherkräfte. Um diese Nachteile, magnetgelagerten Kreiselpumpen (MagLev Kreiselpumpen) zu überwinden, stellen eine vielversprechende Alternative. Der Motor magnetisch, um enge Spalten zwischen Laufrad und Pumpengehäuse (1) zu vermeiden, angetrieben. In einer früheren Studie untersuchten die MagLev KreiselPumpen und zeigten geringere mechanische Spannung in Chinese Hamster Ovary (CHO) -Zellen, verglichen mit peristaltischer und 4-Kolbenmembranpumpen 5. Zusätzlich Hämolyse Analysen zeigten keine signifikante Bluttrauma und Thrombusbildung über einen Bereich von Betriebsbedingungen mit Hilfe dieser Pumpen 8-11. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verwendung dieser speziell für Pumpen gilt weniger mechanische Belastung auf biologische Systeme im Vergleich zu Schlauch und Membranpumpen. Um die mechanische Belastung begrenzt mit experimentellen Aufwand zu untersuchen, wird ein Öl-Wasser-Emulsion Modellsystem aufgrund seiner Wirtschaftlichkeit (ca. 99,8%) und zeit reduziert (ca. 99,5%) Anwendung im Vergleich zu biologischen Zellkultur-Systeme empfohlen. Wie Drop Auseinanderbrechen der Öl-Wasser-Emulsionssystem ist eine Funktion der mechanischen Beanspruchung, Tropfengrößen müssen über die Versuchsdauer von Schubspannung Untersuchungen gezählt werden. Viele Techniken zur Dimensionierung Tropfen zur Verfügung stehen, which kann in Ton, Laser und Foto basierte Techniken 12 aufgeteilt werden. Insbesondere die Verwendung der photooptische Sonde inline Endoskopie zeigt fast identische Tropfengrößen für manuelle und automatische Erkennungen (Standardabweichung unter 10%) und ermöglicht eine Detektion von 250 Tropfen pro Minute 13. Wegen ihrer Genauigkeit und Zuverlässigkeit, Endoskop Technik wurde gezeigt, dass eine effektive Standardmessverfahren für die Tropfengrößenverteilungen in flüssig / flüssig-Dispersionen, wenn sie mit anderen häufig verwendeten Sonden (zB optische Faser-Vorwärts-Rückwärts-Verhältnis (FBR) Sensor gegen , fokussierten Strahlreflexionsverfahren (FBRM) und die zweidimensionale optische Reflexionsmesstechnik (2D-ORM)) 12,14. Außerdem ist die Eignung der inline Endoskopie zur Messung Tropfengrößen in einem Rührgefäß wurde mehrmals in früheren Untersuchungen 15-18 demonstriert. Auf der Grundlage einer vorherigen Studie 6, beschreibt dieses Protokolldie Verwendung von Inline-Endoskopie zur Tropfengrößen bestimmen (Sauter-Durchmesser) einer Öl-Wasser-Emulsionssystem in Pumpen. Der Sauter-Durchmesser wurde als Vergleichskriterium, um die mechanische Beanspruchung der Multi-Use (MU) MagLev Kreiselpumpen, eine peristaltische und einer Einweg (SU) 4-Kolben-Membranpumpe abzuschätzen. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/53052/53052fig1.jpg" /> Abbildung 1. Magnetgelagerte Zentrifugalpumpe-System. (A) Das Prinzip eines lagerlosen Motors und (B) der PuraLev 200mu werden als Beispiel gezeigt. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53052/53052fig1highres.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a>

<table><tbody><tr><td>CCD camera</td><td>Allied Vision Technologies GmbH</td><td>GX2750</td><td>Equipment for inline endoscopy</td></tr><tr><td>C-Flex Biopharmaceutical Tubing</td><td>Saint-Gobain Performance Plastics</td><td>374-375-4</td><td>Tube&lt;br/&gt; Select a tubing length of about 45&amp;nbsp;cm before the pump.</td></tr><tr><td>C-Flex Biopharmaceutical Tubing</td><td>Saint-Gobain Performance Plastics</td><td>374-375-3</td><td>Tube&lt;br/&gt; Select a tubing length of about 45&amp;nbsp;cm after the pump and clamp on the flow sensor to this tubing.</td></tr><tr><td>CLAVE Connector</td><td>Victus</td><td>011-C2000</td><td>Sampling port</td></tr><tr><td>Controller LPC-200.1-02</td><td>Levitronix GmbH</td><td>100-30030</td><td>PuraLev 200MU controller</td></tr><tr><td>Controller LPC-600.1-02</td><td>Levitronix GmbH</td><td>100-30033</td><td>PuraLev 600MU controller</td></tr><tr><td>LeviFlow Clamp-On Sensor LFSC-12</td><td>Levitronix GmbH</td><td>100-30329</td><td>Flow sensor for flow rates below 5&amp;nbsp;L&amp;nbsp;min&lt;sup&gt;-1&lt;/sup&gt;</td></tr><tr><td>LeviFlow Converter LFC-1C-CS</td><td>Levitronix GmbH</td><td>100-30328</td><td>Flow sensor output device&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Masterflex I/P Easy Load</td><td>Fisher Scientific AG</td><td>EW-77963-10</td><td>Peristaltic pump</td></tr><tr><td>Mitos free flow valve</td><td>Parker Hannifin Europe S&amp;agrave;rl</td><td>FFLQR16S6S6AM</td><td>Valve</td></tr><tr><td>Mobil Eal Arctic</td><td>Exxon Mobil Corporation</td><td>Mobil EAL Arctic 22</td><td>Oil&lt;br/&gt; Prepare the emulsion directly before the experiment.</td></tr><tr><td>Motor</td><td>Elektromotorenwerk Brienz AG</td><td>7WAC72N4THTF</td><td>Motor for agitator shaft</td></tr><tr><td>Motor BSM-1.4</td><td>Levitronix GmbH</td><td>100-10005</td><td>PuraLev 200MU motor</td></tr><tr><td>Motor LPM-600.4</td><td>Levitronix GmbH</td><td>100-10038</td><td>PuraLev 600MU motor</td></tr><tr><td>Norm-Ject 10 ml Luer Lock</td><td>Restek Corporation</td><td>22775</td><td>Syringe</td></tr><tr><td>Pump Head LPP-200.5</td><td>Levitronix GmbH</td><td>100-90525</td><td>PuraLev 200MU pump head</td></tr><tr><td>Pump Head LPP-600.18</td><td>Levitronix GmbH</td><td>100-90548</td><td>PuraLev 600MU pump head</td></tr><tr><td>Quattroflow 1200-SU</td><td>Almatechnik AG</td><td>QF 1200</td><td>4-piston diaphragm pump</td></tr><tr><td>SciPres Sensor</td><td>SciLog</td><td>080-695PSX</td><td>Pressure sensor</td></tr><tr><td>SciPres Sensor Monitor</td><td>SciLog</td><td>080-690</td><td>Pressure sensor output device&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>SOPAT-VF Inline Endoscopic Probe</td><td>SOPAT GmbH</td><td></td><td>Inline endoscopy</td></tr><tr><td>Stroboscope</td><td>Drello GmbH &amp;amp; Co KG</td><td>Drelloscop 255-01</td><td>Equipment for inline endoscopy</td></tr><tr><td>Triton X-100</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>X100</td><td>Surfactant&lt;br/&gt;Handle with gloves and goggles.&lt;br/&gt; (acute toxicity, eye irritation)</td></tr></tbody></table>

a cost-effective and reliable method to predict mechanical stress in single-use and standard pumps

Die Pumpen werden vor allem bei der Übertragung von sterilen Kulturbrühen in der biopharmazeutischen und biotechnologischen Produktionsprozessen. Jedoch wird während des Pumpvorgangs Scherkräfte auftreten, die qualitative und / oder quantitative Produktverlust führen kann. Für die Berechnung der mechanischen Belastung mit begrenzt experimentellen Aufwand wurde ein Öl-Wasser-Emulsionssystem verwendet, deren Eignung für Tropfengröße Erkennungen in Bioreaktoren 1 gezeigt. Wie Drop Auseinanderbrechen der Öl-Wasser-Emulsionssystem ist eine Funktion der mechanischen Beanspruchung, Tropfengrößen müssen über die Versuchsdauer von Schubspannung Untersuchungen gezählt werden. In früheren Studien wurde die inline Endoskopie wurde gezeigt, daß eine genaue und zuverlässige Messtechnik für die Tropfengrößenerkennungen in flüssig / flüssig-Dispersionen sein. Das Ziel des Protokolls ist es, die Eignung der inline Endoskopie Technik zur Tropfengrößenmessung in Pumpprozessen zeigen. Um die Tropfengröße zu äußern, die Sauter-Durchmesserd 32 wurde als der repräsentative Durchmesser der Tropfen in das Öl-Wasser-Emulsion verwendet. Die Ergebnisse zeigten eine geringe Variation in den mittleren Sauter-Durchmesser, die mit Standardabweichungen von weniger als 15% quantifiziert wurden, was die Zuverlässigkeit der Messtechnik.

Optische Beurteilung Fig u re 3 zeigt die Partikelerkennung Bilder nach einer Pumpzeit von 1 Stunde. Die oberen vier Bilder zeigen die Tropfen vor der Erkennung und die unteren vier Bilder zeigen die von der Erkennungssoftware markiert Tropfen. Die erfassten Tropfen werden mit einem grünen Rand hervorgehoben. Vergleichen der oberen und unteren Bilder zeigen, dass die Tropfenkanten eben vom Bilderkennungssoftware erkannt. Die Bilder auf der linken Seite zeigen die Fallverteilung für die MagLev Kreiselpumpen PuraLev 200mu und PuraLev 600MU, und die auf der rechten Seite zeigen die 4-Kolben-Membran und die Schlauchpumpe. Eine optische Beurteilung erlaubt eine erste Klassifizierung der mechanischen Spannung im Modell Emulsionssystem. Diese ergab, dass größere Tropfengrößen und Unter Tropfen zählt wurden von den MagLev Kreiselpumpen erzeugt im Vergleich zum 4-Kolben MEMBagm und Schlauchpumpe. Folglich sind die MagLev Kreiselpumpen, insbesondere die PuraLev 200mu zeigten reduzierte Drop Bruch, was geringere mechanische Belastungen. <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/53052/53052fig3.jpg" /> Abbildung 3. Bilder des Inline Endoskopie. Emulsion Tropfen vor (A, B, C, D) und nach (E, F, G, H) Partikelerkennung nach 1 h unter Verwendung von Pumpen (A, E) die PuraLev 200mu ( B, F) die PuraLev 600MU, (C, G) die 4-Kolben-Membranpumpe, und (D, H) der Schlauchpumpe unter identischen Betriebsbedingungen (3.4 L min -1 und 0,03 bar). <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53052/53052fig3highres.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um einen Blick Größere Version der Figur.</a> Sauter michein Durchmesser Weitere Untersuchungen zeigten, Standardabweichungen unter d 32 ± 0,4 um und garantiert reproduzierbare Ergebnisse bei der Verwendung von Inline-Endoskopie 19. Daher wurden mehrere Untersuchungen für diesen Ansatz, der die experimentellen Aufwand zusätzlich reduziert erforderlich. Um die Tropfengröße zu äußern, die Sauter-Durchmesser d 32 (siehe Gl. 1) wurde als Vertreter Durchmesser der Tropfen in der Öl-Wasser-Emulsion für diesen Ansatz verwendet. Im Allgemeinen ist die Sauter-Durchmesser verringert im Laufe der Zeit für alle Pumpentypen und Einstellungen bis zur stationären Zustand 12. Untersuchungen in dieser Studie bestätigt, das Fortschreiten der Sauter-Durchmesser (Bild u re 4A bis D), Kurven der PuraLev 200mu (Bild u re &amp;# 160; 4A) und die peristaltische Pumpe (Fig u re 4D) ist beispielhaft in dieses Protokolls erörtert. Im Gegensatz zu der PuraLev 200mu der Sauter-Durchmesser wurden bis zu 40% kleiner für die Schlauchpumpe bei den gleichen Betriebsbedingungen (Fließgeschwindigkeit = 3,4 L min -1; Druckabfall = 0,03 bar). Infolgedessen führte eine höhere mechanische Spannungen in einem erhöhten Tropfenauseinanderbrechen und damit kleineren Tropfengrößen. Ferner die Sauter-Durchmesser mit zunehmender Druckabfall in der PuraLev 200mu (Fig u re 4A), die die Abhängigkeit der Tropfengröße beim Druckabfall angezeigt. Im Gegensatz dazu zeigten die peristaltische Pumpe einen mittleren Sauter-Durchmesser von d = 10 &amp; mgr; m 32,60min am Ende des Experiments für alle Prozessparameter (Figu re 4D). Daher ist der Sauter-Durchmesser wurde festgestellt, unabhängig von Druckabfall sein. Die Ergebnisse beziehen sich jedoch physikalische Verständnis der Tropfenauseinanderbrechen: mit höherer mechanischer Belastung wurden kleinere Sauter mittleren Durchmessern bestimmt (siehe auch Abb u re 5). Für jeden Messpunkt wurden mindestens 300 Tropfen, um statistische Sicherheit garantieren bestimmt. Die maximale Standardabweichung sank die PuraLev 200mu von d 32,4min ± 42 &amp; mgr; m und für die PuraLev 600MU von d 32,6min ± 21 &amp; mgr; m bis ca. 32 d ± 0,5 &amp; mgr; m am Ende des Pumpvorgangs. Die verringerte Standardabweichung resultiert aus der erhöhten homogene Tropfengrößenverteilung, bis Gleichgewichtszustand erreicht wurde. Im Vergleich to den MagLev Kreiselpumpen zeigten die Peristaltik und 4-Kolben-Membranpumpen Standardabweichungen unter d 32 ± 10 um. <img alt="Gleichung 1" src="/files/ftp_upload/53052/53052eq1.jpg" width="80" /> (1) <img alt="Figur 4" src="/files/ftp_upload/53052/53052fig4.jpg" /> Abbildung 4. Typische Profile der Sauter-Durchmesser d 32 im Laufe der Zeit und die Bestimmung der gemessenen mittleren Sauter-Durchmesser d 32, m. Vergleich der mittleren Sauter-Durchmesser D 32 (A) für die PuraLev 200mu, (B) für die PuraLev 600MU, (C) für die 4-Kolben-Membranpumpe ist, und (D) für die peristaltische Pumpe. Die Sauter mittleren Durchmessern D 32 wurden bei einer Flussrate von 3,4 L min -1 bestimmt und Druckverluste im Bereich von 0,03 bis 0,61 bar.Die gemessene mittlere Sauter d 32 Durchmesser, wurde m für die letzten 10 min (Grenze) berechnet. Das resultierende Standardabweichung der mittleren Sauter Durchmesser d 32 (N ≥ 300) gezeigt. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53052/53052fig4highres.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> Gemessen Sauter-Durchmesser als Vergleichssystem Wie oben beschrieben, der Sauter-Durchmesser verringert im Laufe der Zeit, bis die Tropfengrößen erreicht stabilen Zustand. In den letzten 10 min der Versuchszeit wird der Mittelwert der mittlere Sauter-Durchmesser wurde berechnet, um die gemessenen Sauter bestimmen mittleren Durchmesser, der als Vergleichskriterium verwendet wurde (siehe Fig Grenze u re 4A bis D). Die gemessenen mittleren Sauter-Durchmesser d 32, M für eine Durchflussrate von 3,4 L &amp; gezeigt# 160; min -1 und einem Druckabfall Bereich 0,03 bis 0,61 bar in Fig u erneut 5. Größere Mess Sauter mittleren Durchmesser wurden für beide MagLev Kreiselpumpen (200mu und 600MU) und der 4-Kolben-Membranpumpe bei niedrigeren Druckabfall und Laufraddrehzahlen bestimmt. Die Schlauchpumpe ergab gemessen Sauter-Durchmessern von d 32, m = 10 &amp; mgr; m für alle Prozessparameter. Wie zuvor erwähnt, waren unabhängig von dem Druckabfall für die Peristaltikpumpe Scherkräfte. Der größte gemessene mittlere Sauter-Durchmesser von d 32, M = 36 &amp; mgr; m für die PuraLev 200mu und d 32, M = 34 &amp; mgr; m für die PuraLev 600MU wurden bei einem Druckabfall von 0,03 bar erreicht. Im Vergleich mit ihren Kollegen, die MagLev Kreiselpumpe Serie erhalten bis zu 59% größer gemessen Sauter-Durchmessern. Diese resultierens ergab eine niedrigere Rate von Tropfen auseinanderbrechen und damit geringere mechanische Belastung aus der Verwendung der Kreiselpumpen entstehen. Die Standardabweichung der gemessenen mittleren Sauter-Durchmesser während des stationären Zustands war unter 15%, was bestätigt, zuverlässige und genaue Werte für die Tropfengrößen. <img alt="Figur 5" src="/files/ftp_upload/53052/53052fig5.jpg" /> Abbildung 5: Vergleich der gemessenen mittleren Sauter-Durchmesser d 32, m. Gemessen Sauter-Durchmesser für die MagLev Kreiselpumpen und ihre Kollegen bei 3,4 L min -1 und Druckverluste von 0,03, 0,30 und 0,61 bar. Die resultierenden Standardabweichungen der gemessenen mittleren Sauter-Durchmesser d 32, m während des stationären Zustands gezeigt. Abkürzungen <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53052/53052fig5highres.jpg" target="_blank">Ple</a>ase Klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td> 2D-ORM </td><td> zweidimensionale optische Reflexionsmessung </td></tr><tr><td> CCD </td><td> Charge-Coupled Device </td></tr><tr><td> CHO </td><td> Ovarzellen des chinesischen Hamsters </td></tr><tr><td> cmc </td><td> kritische Mizellenkonzentration </td></tr><tr><td> FBR </td><td> Vorwärts-Rückwärts-Verhältnis </td></tr><tr><td> FBRM </td><td> fokussierten Strahl Reflexionsverfahren </td></tr><tr><td> MU </td><td> Mehrzweck </td></tr><tr><td> SU </td><td> Einweg </td></tr></tbody></table> Nomenklatur <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td><img alt="V" fo:content-="" src="/files/ftp_upload/53052/V.jpg" width="8
" /></td><td> [M 3 s -1] </td><td> Fließrate </td></tr><tr><td> c </td><td> [M 3 m -3] </td><td> Konzentration </td></tr><tr><td> d 32 </td><td> [M] </td><td> Sauter-Durchmesser </td></tr><tr><td> d 32, m </td><td> [M] </td><td> gemessen Sauter-Durchmesser </td></tr><tr><td> d s </td><td> [M] </td><td> Flächendurchmesser </td></tr><tr><td> d v </td><td> [M] </td><td> Volumendurchmesser </td></tr><tr><td> f </td><td> [Hz] </td><td> Häufigkeit </td></tr><tr><td> n </td><td> [S -1] </td><td> Impellergeschwindigkeit </td></tr><tr><td> N </td><td> [-] </td><td> Anzahl von Tropfen, </td></tr><tr><td> p </td><td> Pa </td><td> Druckabfall </td></tr><tr><td> t </td><td> Sekunde </td><td> Zeit </td></tr><tr><td> β </td><td> [Kg m -3] </td><td> Massenkonzentration </td></tr><tr><td> ρ </td><td> [Kg m -3] </td><td> Dichte </td></tr><tr><td>69; </td><td> [M 3 m -3] </td><td> Massenanteil </td></tr></tbody></table> Tabelle 1. Tabelle der Abkürzungen und Nomenklatur.

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A Cost-effective and Reliable Method to Predict Mechanical Stress in Single-use and Standard Pumps

Shear stress investigations on an oil-water emulsion system result in drop breakup over the experimental time. To count drop sizes in pumping processes, the suitability of inline endoscopy was successfully demonstrated in this protocol.

Eine kostengünstige und zuverlässige Methode, um mechanische Spannung in Einweg-und Standardpumpen Predict

Pumps are mainly used when transferring sterile culture broths in biopharmaceutical and biotechnological production processes. However, during the pumping ...

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9.4K Aufrufe.  Zurich University of Applied Sciences. Shear stress investigations on an oil-water emulsion system result in drop breakup over the experimental time. To count drop sizes in pumping processes, the suitability of inline endoscopy was successfully demonstrated in this protocol. 

Serie: A Cost-effective and Reliable Method to Predict Mechanical Stress in Single-use and Standard Pumps

Protocol for Relative Hydrodynamic Assessment of Tri-leaflet Polymer Valves

Limitations of currently available prosthetic valves, xenografts, and homografts have prompted a recent resurgence of developments in the area of tri-leaflet polymer valve prostheses. However, identification of a protocol for initial assessment of polymer valve hydrodynamic functionality is paramount during the early stages of the design process. Traditional in vitro pulse duplicator systems are not configured to accommodate flexible tri-leaflet materials; in addition, assessment of polymer valve functionality needs to be made in a relative context to native and prosthetic heart valves under identical test conditions so that variability in measurements from different instruments can be avoided. Accordingly, we conducted hydrodynamic assessment of i) native (n = 4, mean diameter, D = 20 mm), ii) bi-leaflet mechanical (n= 2, D = 23 mm) and iii) polymer valves (n = 5, D = 22 mm) via the use of a commercially available pulse duplicator system (ViVitro Labs Inc, Victoria, BC) that was modified to accommodate tri-leaflet valve geometries. Tri-leaflet silicone valves developed at the University of Florida comprised the polymer valve group. A mixture in the ratio of 35:65 glycerin to water was used to mimic blood physical properties. Instantaneous flow rate was measured at the interface of the left ventricle and aortic units while pressure was recorded at the ventricular and aortic positions. Bi-leaflet and native valve data from the literature was used to validate flow and pressure readings. The following hydrodynamic metrics were reported: forward flow pressure drop, aortic root mean square forward flow rate, aortic closing, leakage&#160;and regurgitant volume, transaortic closing, leakage, and total energy losses. Representative results indicated that hydrodynamic metrics from the three valve groups could be successfully obtained by incorporating a custom-built assembly into a commercially available pulse duplicator system and subsequently, objectively compared to provide insights on functional aspects of polymer valve design.

There has been renewed interest in developing polymer valves. Here, the objectives are to demonstrate the feasibility of modifying a commercial pulse duplicator to accommodate tri-leaflet geometries and to define a protocol to present polymer valve hydrodynamic data in comparison to native and prosthetic valve data collected under near-identical conditions.

Protokoll für Relative Hydrodynamische Beurteilung der Tri-Polymer Merkblatt Ventile

Limitations of currently available prosthetic valves, xenografts, and homografts have prompted a recent resurgence of developments in the area of ...

Forschung

Biotechnik

In Vitro Model of Physiological and Pathological Blood Flow with Application to Investigations of Vascular Cell Remodeling

Vascular disease is a common cause of death within the United States. Herein, we present a method to examine the contribution of flow dynamics towards vascular disease pathologies. Unhealthy arteries often present with wall stiffening, scarring, or partial stenosis which may all affect fluid flow rates, and the magnitude of pulsatile flow, or pulsatility index. Replication of various flow conditions is the result of tuning a flow pressure damping chamber downstream of a blood pump. Introduction of air within a closed flow system allows for a compressible medium to absorb pulsatile pressure from the pump, and therefore vary the pulsatility index. The method described herein is simply reproduced, with highly controllable input, and easily measurable results. Some limitations are recreation of the complex physiological pulse waveform, which is only approximated by the system. Endothelial cells, smooth muscle cells, and fibroblasts are affected by the blood flow through the artery. The dynamic component of blood flow is determined by the cardiac output and arterial wall compliance. Vascular cell mechano-transduction of flow dynamics may trigger cytokine release and cross-talk between cell types within the artery. Co-culture of vascular cells is a more accurate picture reflecting cell-cell interaction on the blood vessel wall and vascular response to mechanical signaling. Contribution of flow dynamics, including the cell response to the dynamic and mean (or steady) components of flow, is therefore an important metric in determining disease pathology and treatment efficacy. Through introducing an in vitro co-culture model and pressure damping downstream of blood pump which produces simulated cardiac output, various arterial disease pathologies may be investigated.

In Vitro Model of Physiological and Pathological Blood Flow with Application to Investigations of Vascular Cell Remodeling

This protocol replicates physiological or pathological blood flow in vitro to aid in determining cell response in disease pathologies. By introducing a pressure damping chamber downstream of a blood pump, blood flow across the vasculature can be recapitulated and imposed on a monolayer of vascular endothelium or a mimetic co-culture.

In-vitro-Modell von physiologischen und pathologischen Blutfluss mit Anwendung auf Untersuchungen der Gefäßzell Remodeling

Vascular disease is a common cause of death within the United States. Herein, we present a method to examine the contribution of flow dynamics towards ...

A Multi-Cue Bioreactor to Evaluate the Inflammatory and Regenerative Capacity of Biomaterials under Flow and Stretch

The use of resorbable biomaterials to induce regeneration directly in the body is an attractive strategy from a translational perspective. Such materials induce an inflammatory response upon implantation, which is the driver of subsequent resorption of the material and the regeneration of new tissue. This strategy, also known as in situ tissue engineering, is pursued to obtain cardiovascular replacements such as tissue-engineered vascular grafts. Both the inflammatory and the regenerative processes are determined by the local biomechanical cues on the scaffold (i.e., stretch and shear stress). Here, we describe in detail the use of a custom-developed bioreactor that uniquely enables the decoupling of stretch and shear stress on a tubular scaffold. This allows for the systematic and standardized evaluation of the inflammatory and regenerative capacity of tubular scaffolds under the influence of well-controlled mechanical loads, which we demonstrate on the basis of a dynamic co-culture experiment using human macrophages and myofibroblasts. The key practical steps in this approach&#8212;the construction and setting up of the bioreactor, preparation of the scaffolds and cell seeding, application and maintenance of stretch and shear flow, and sample harvesting for analysis&#8212;are discussed in detail.

The goal of this protocol is to execute a dynamic co-culture of human macrophages and myofibroblasts in tubular electrospun scaffolds to investigate material-driven tissue regeneration, using a bioreactor which enables the decoupling of shear stress and cyclic stretch.

Ein Multi-Cue-Bioreaktor zur Bewertung der entzündlichen und regenerativen Kapazität von Biomaterialien unter Strömung und Dehnung

The use of resorbable biomaterials to induce regeneration directly in the body is an attractive strategy from a translational perspective. Such materials ...

Ingenieurwesen

Modeling and Experimental Analysis of the Single-Shaft Coaxial Motor-Pump Assembly in Electrohydrostatic Actuators

An electrohydrostatic actuator (EHA) can be the most promising alternative compared with the traditional hydraulic servo actuators for its high power density, ease of maintenance, and reliability. As the core power unit that determines the performance and service life of the EHA, the motor-pump assembly should simultaneously possess a wide speed/pressure range and a high dynamic response.
This paper presents a method to test the performance of the motor-pump assembly through simulation and experimentation. The flow output characteristics were defined through simulation and analysis of the assembly at the beginning of the experiment, leading to the conclusion of whether the pump could meet the requirements of the EHA. A series of performance tests were conducted on the motor-pump assembly via a pump test bench in the speed range of 1,450-9,000 rpm and the pressure range of 1-30 MPa.
We tested the overall efficiency of the motor-pump assembly under various working conditions after confirming the consistency between the test results of the flow output characteristics with the simulation results. The results showed that the assembly has higher overall efficiency when working at 4,500-7,000 rpm under the pressure of 10-25 MPa and at 2,000-2,500 rpm under 5-15 MPa. Overall, this method can be utilized for determining in advance whether the motor-pump assembly meets the requirements of EHA. Moreover, this paper proposes a rapid test method of the motor-pump assembly in various working conditions, which could assist in predicting EHA performance.

We built a simulation model to evaluate pump flow characteristics and performance of the single-shaft coaxial motor-pump assembly in electrohydrostatic actuators and investigate the overall efficiency in a wide set of working conditions of the motor-pump assembly experimentally.

Modellierung und experimentelle Analyse der Einwellen-Koaxialmotor-Pumpen-Baugruppe in elektrohydrostatischen Aktuatoren

An electrohydrostatic actuator (EHA) can be the most promising alternative compared with the traditional hydraulic servo actuators for its high power ...

A Modeling and Simulation Method for Preliminary Design of an Electro-Variable Displacement Pump

Electro-hydrostatic actuators (EHAs) have been considerably researched in academia, and their applications in various industrial fields are expanding. The variable-speed EHA has now taken priority over the variable-displacement EHA, but its driving motor and associated electronics encounter issues when applied in high-power applications: low-dynamics, high thermal dissipation, high price, etc. Therefore, a variable-displacement EHA equipped with an electro-variable displacement pump (EVDP) has been considered. The EVDP itself is a mechatronic system that integrates a piston pump, a ball screw, a gearbox, and a permanent magnet synchronous motor (PMSM). Consequently, the EVDP needs to be investigated to ensure its system-level performance when applied in an EHA. In addition to the previous research on the technical parameters of the EVDP, a dedicated design method is necessary for further reducing the cost of using the EVDP and exploring its performance potential. Here, a simulation based EVDP preliminary design method is selected for designing a 37 kW EVDP. Firstly, a previously proposed multidisciplinary model of the EVDP is extended by improving the parameter generation, including the EVDP life, reliability, control models, etc. Secondly, the proposed model is partially verified using a downsized prototype. Thirdly, the EVDP is simulated at a system level, supported by the proposed model. The EVDP performance is evaluated according to the specified design requirements. The temperature, bandwidth and accuracy, reliability and lifetime, etc., are all predicted for the EVDP. The simulation results demonstrate the EVDP's applicability in variable-displacement EHA. The proposed modeling and simulation method can be used to evaluate diverse EVDP performance and respond to general design requirements. The method can also support the resolution of the preliminary design challenges in terms of limited information and robustness. Therefore, the proposed method is appropriate for the realization of the simulation-based EVDP preliminary design method.

A simulation model specifically supporting the preliminary design of an electro-variable displacement pump (EVDP) is developed and partially verified by experiments. The control performance, life, reliability, etc., can all be evaluated using the proposed model, which covers the main performance requirements under the EVDP preliminary design task.

Ein Modellierungs- und Simulationsverfahren zur Vorkonstruktion einer elektrischen Verdrängerpumpe

Electro-hydrostatic actuators (EHAs) have been considerably researched in academia, and their applications in various industrial fields are expanding. The ...

Design and Application of a Fault Detection Method Based on Adaptive Filters and Rotational Speed Estimation for an Electro-Hydrostatic Actuator

The electro-hydrostatic actuator (EHA) is a promising actuating apparatus used in flight control systems for more electric aircraft (MEA) due to its high power density and low maintenance. Since the reliability of the system decreases with increasing complexity, fault detection is becoming increasingly important. In this paper, an adaptive filter was designed based on a normalized least mean square (NLMS) algorithm, which could identify the resistance of the motor windings online to detect electrical faults in the EHA. Additionally, based on the analytical relationship between rotational speed and displacement, a rotational speed estimation method was designed. By comparing the actual rotational speed with the estimated one, hydraulic faults could be detected. To verify the efficacy of the aforementioned method, software was applied for the modeling and simulations, which included fault injection and detection. On this basis, an experimental platform was built and then subjected to a series of validation experiments. The results indicate that the fault detection method has the potential to detect electrical and hydraulic faults in an EHA.

In this paper, an adaptive filter based on a normalized least mean square (NLMS) algorithm and a rotational speed estimation method are introduced to detect the electrical and hydraulic faults of the electro-hydrostatic actuator (EHA). The efficacy and feasibility of the aforementioned methods are verified through simulations and experiments.

Entwurf und Anwendung eines Fehlererkennungsverfahrens auf Basis adaptiver Filter und Drehzahlschätzung für einen elektro-hydrostatischen Aktuator

The electro-hydrostatic actuator (EHA) is a promising actuating apparatus used in flight control systems for more electric aircraft (MEA) due to its high ...

A Performance-testing Platform for a Conduction Micropump with an FR-4 Copper-clad Electrode Plate

Here, a conduction micropump with symmetric planar electrode pairs prepared on flame-retardant glass-reinforced epoxy (FR-4) copper-clad laminate (CCL) is fabricated. It is used to investigate the influence of chamber dimensions on the performance of a conduction micropump and to determine the reliability of the conduction pump when acetone is used as the working fluid. A testing platform is set up to evaluate conduction micropump performance under different conditions. When the chamber height is 0.2 mm, the pump pressure reaches its peak value.

This paper presents a protocol for the fabrication of a conduction micropump using symmetric planar electrodes on flame-retardant glass-reinforced epoxy (FR-4) copper-clad laminate (CCL) to test the influence of chamber dimensions on the performance of a conduction micropump.

Leistungstests Plattform für eine Wärmeleitung Mikropumpe mit einem FR-4 kupferummantelte Elektrodenplatte

Here, a conduction micropump with symmetric planar electrode pairs prepared on flame-retardant glass-reinforced epoxy (FR-4) copper-clad laminate (CCL) is ...

Three-dimensional Printing of Thermoplastic Materials to Create Automated Syringe Pumps with Feedback Control for Microfluidic Applications

Microfluidics has become a critical tool in research across the biological, chemical, and physical sciences. One important component of microfluidic experimentation is a stable fluid handling system capable of accurately providing an inlet flow rate or inlet pressure. Here, we have developed a syringe pump system capable of controlling and regulating the inlet fluid pressure delivered to a microfluidic device. This system was designed using low-cost materials and additive manufacturing principles, leveraging three-dimensional (3D) printing of thermoplastic materials and off-the-shelf components whenever possible. This system is composed of three main components: a syringe pump, a pressure transducer, and a programmable microcontroller. Within this paper, we detail a set of protocols for fabricating, assembling, and programming this syringe pump system. Furthermore, we have included representative results that demonstrate high-fidelity, feedback control of inlet pressure using this system. We expect this protocol will allow researchers to fabricate low-cost syringe pump systems, lowering the entry barrier for the use of microfluidics in biomedical, chemical, and materials research.

Here we present a protocol to construct a pressure-controlled syringe pump to be used in microfluidic applications. This syringe pump is made from an&#160;additively manufactured body, off-the-shelf hardware, and open-source electronics. The resulting system is low-cost, straightforward to build, and delivers well-regulated fluid flow to enable rapid microfluidic research.

Dreidimensionaler Druck von thermoplastischen Materialien erstellen automatisiert Spritzenpumpen mit Feedback-Kontrolle für mikrofluidische Anwendungen

Microfluidics has become a critical tool in research across the biological, chemical, and physical sciences. One important component of microfluidic ...

The Quantification of Injectability by Mechanical Testing

Injectable biomaterials are becoming increasingly popular for the minimally invasive delivery of drugs and cells. These materials are typically more viscous than traditional aqueous injections and may be semi-solid, therefore, their injectability cannot be assumed. This protocol describes a method to objectively assess the injectability of these materials using a standard mechanical tester. The syringe plunger is compressed by the crosshead at a set rate, and the force is measured. The maximum or plateau force value can then be used for comparison between samples, or to an absolute force limit. This protocol can be used with any material, and any syringe and needle size or geometry. The results obtained may be used to make decisions about formulations, syringe and needle sizes early in the translational process. Further, the effects of altering formulations on injectability may be quantified, and the optimum time to inject temporally changing materials determined. This method is also suitable as a reproducible way to examine the effects of injection on a material, to study phenomena such as self-healing and filter pressing or study the effects of injection on cells. This protocol is faster and more directly applicable to injectability than rotational rheology, and requires minimal post processing to obtain key values for direct comparisons.

Presented here is a protocol for quantitatively evaluating the injectability of a material through a syringe-needle system using a standard mechanical testing rig.

Quantifizierung der Injekbarkeit durch mechanische Prüfung

Injectable biomaterials are becoming increasingly popular for the minimally invasive delivery of drugs and cells. These materials are typically more ...

Pneumococcus Infection of Primary Human Endothelial Cells in Constant Flow

Interaction of Streptococcus pneumoniae with the surface of endothelial cells is mediated in blood flow via mechanosensitive proteins such as the Von Willebrand Factor (VWF). This glycoprotein changes its molecular conformation in response to shear stress, thereby exposing binding sites for a broad spectrum of host-ligand interactions. In general, culturing of primary endothelial cells under a defined shear flow is known to promote the specific cellular differentiation and the formation of a stable and tightly linked endothelial layer resembling the physiology of the inner lining of a blood vessel. Thus, the functional analysis of interactions between bacterial pathogens and the host vasculature involving mechanosensitive proteins requires the establishment of pump systems that can simulate the physiological flow forces known to affect the surface of vascular cells.
The microfluidic device used in this study enables a continuous and pulseless recirculation of fluids with a defined flow rate. The computer-controlled air-pressure pump system applies a defined shear stress on endothelial cell surfaces by generating a continuous, unidirectional, and controlled medium flow. Morphological changes of the cells and bacterial attachment can be microscopically monitored and quantified in the flow by using special channel slides that are designed for microscopic visualization. In contrast to static cell culture infection, which in general requires a sample fixation prior to immune labeling and microscopic analyses, the microfluidic slides enable both the fluorescence-based detection of proteins, bacteria, and cellular components after sample fixation; serial immunofluorescence staining; and direct fluorescence-based detection in real time. In combination with fluorescent bacteria and specific fluorescence-labeled antibodies, this infection procedure provides an efficient multiple component visualization system for a huge spectrum of scientific applications related to vascular processes.

This study describes the microscopic monitoring of pneumococcus adherence to von Willebrand factor strings produced on the surface of differentiated human primary endothelial cells under shear stress in defined flow conditions. This protocol can be extended to detailed visualization of specific cell structures and quantification of bacteria by applying differential immunostaining procedures.

Pneumokokken-Infektion von primären humanen Endothelzellen im konstanten Fluss

Interaction of Streptococcus pneumoniae with the surface of endothelial cells is mediated in blood flow via mechanosensitive proteins such as the Von ...