Journal of New Medical Technologies. eJournal Journal of New Medical Technologies. eJournal Вестник новых медицинских технологий. Электронный журнал 2075-4094 5503 10.12737/10746 БИОЛОГИЯ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ. ФИЗИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОРГАНОВ И СИСТЕМ ЧЕЛОВЕКА BIOLOGY OF COMPOUND SYSTEMS. MATHEMATIC BIOLOGY AND BIOINFORMATION IN MEDICOBIOLOGICAL SYSTEMS БИОЛОГИЯ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ. ФИЗИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОРГАНОВ И СИСТЕМ ЧЕЛОВЕКА Development micromachined cyber platforms to cultive endothelial сapillary networks in vitro in the space organized microflows nutrient medium Разработка микромашинных кибернетических платформ для культивирования эндотелиальных капиллярных сетей in vitro в пространстве организованных микропотоков питательной среды Найденов Е. В. Naydenov E. В. 16 04 2015 16 04 2015 9 2 https://zh-szf.ru/en/nauka/article/5503/view

Работа посвящена созданию технологии и специального оборудования для культивирования самопроизвольно развивающихся функционирующих эндотелиальных капиллярных сетей in vitro – базовой основы искусственных тканеподобных образований с заданными биологическими свойствами, и является научно-инженерным продолжением проектов РФФИ №94-04-13544 «Структурный анализ микрососудистых бифуркаций» и №96-04-50991 «Клеточная и тканевая инженерия эндотелия (формирование в культуре эндотелия in vitro функционирующих саморазвивающихся капиллярных сетей)». Предлагаемая технология, позволяет формировать объёмные эндотелиальные капиллярные сети вокруг микрофлюидных матриц, погружённых в специально сконструированный динамический гель. В 2013 году корейской исследовательской группой под руководством Noo Li Jeon удалось, применяя близ-кий подход, воспроизвести феномен функционирующих саморазвивающихся эндотелиальных капиллярных сетей с массопереносом in vitro, что полностью подтвердило правильность концепции, изложенной в вышеуказанных проектах. С использованием системы математического моделирования Matlab&Simulink и системы инженерного проектирования Cadence Orcad разработана имитационная математическая модель и принципиальные электрические схемы модулей экспериментального реактора, что позволило сэкономить значительные финансовые средства, выделяемые на НИОКР такого рода. Полученная модель содержит 5,4 млн. базовых блоков Simulink и выполняет более 7 000 различных математических функций, отражая поведение устройства в стационарных и нестационарных условиях. Управление устройством реализовано на основе нейросетевой технологии. Портативная автономная микромашинная кибернетическая платформа включает микрофлюидную матрицу, генераторы микропотоков жидкой фазы питательной среды, систем жизнеобеспечения эндотелиальной культуры, системы автоматической цифровой визуализации процесса ангиогенеза, систему передачи шифрованных данных по защищённому радиоканалу, цифровые системы управления. Все системы многократно резервированы, что позволяет изделию функционировать в автономном режиме в течении длительного времени (до года и более).

This work is devoted to the development of technology and special equipment for the cultivation of spontaneously developing functioning endothelial capillary networks in vitro as the basis of artificial cloth-like structures with desired biological properties. It is the scientific and engineering projects RFBR №94-04-13544 «Structural analysis of microvascular bifurcations" and №96-04-50991 «Cell and Tissue Engineering endothelium (formation in endothelial culture in vitro the functioning self-developing capillary networks)." The proposed technology allows the author to form three-dimensional capillary endothelial network around micro-fluidic arrays, immersed in a specially designed dynamic gel. In 2013, the Korean research team under the lea-dership Noo Li Jeon has reproduced, using a similar approach, the phenomenon of self-developing functioning endothelial capillary networks with mass transfer in vitro. It has fully confirmed the validity of the concept pro-posed in the listed projects. Using system of the mathematical modeling Matlab & Simulink and system engi-neering design Cadence Orcad it was developed simulation mathematical model and circuit diagrams experimental reactor modules, it allows to saving considerable financial resources allocated to research and de-velopment of this kind. The resulting model contains 5.4 million basic Simulink blocks and performs more than 7,000 different mathematical functions, reflecting the behavior of devices in stationary and non-stationary conditions. Device control is based on neural network technology. Portable stand-alone microcomputers cyber platform includes microfluidic matrix, generators of microflows liquid phase nutrient medium, life-support systems of endothelial culture system of automatic digital imaging process of angiogenesis, the transmission system of encrypted data over a secure radio, digital control systems. All systems are backed up multiple times, allowing the product to operate in stand-alone mode for a long time (up to a year or more).

 эндотелиальные капиллярные сети in vitro микрофлюидные чипы аппаратная платформа микропотоки endothelial capillary networks in vitro microfluidic chips hardware platform microflows

Глотов В.А. Клеточная и тканевая инженерия эндотелия формирование в культуре эндотелия in vitro функционирующих саморазвивающихся капиллярных сетей. Экспериментальные подходы // Математическая морфология. Электронный математический и медико-биологический журнал. 1997. Т. 2, Вып. 1. URL: http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-2-html/3.htm Glotov V.A. Kletochnaya i tkanevaya inzheneriya endoteliya formirovanie v kul´ture endoteliya in vitro funktsioniruyushchikh samorazvivayushchikhsya kapillyarnykh setey. Eksperimental´nye podkhody. Matematicheskaya morfologiya. Elektronnyy matematicheskiy i mediko-biologicheskiy zhurnal. 1997. T. 2, Vyp. 1. URL: http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-2-html/3.htm Глотов В.А. Перспективы получения саморазвивающихся и функционирующих капиллярных сетей in vitro на основе клеточных культур эндотелия. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. М.: «РАМН», 2003. С. 64-68. Glotov V.A. Perspektivy polucheniya samorazvivayushchikhsya i funktsioniruyushchikh kapillyarnykh setey in vitro na osnove kletochnykh kul´tur endoteliya. Byulleten´ eksperimental´noy biologii i meditsiny. M.: «RAMN», 2003. S. 64-68. Глотов В.А. Тканеподобные образования с заданными биологическими свойствами на основе клеточной и тканевой инженерии in vitro эндотелиальных капиллярных сетей // Труды X международной научно-техническая конференция «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии (ФРЭМЭ’2012)». Книга 3. Владимир, 2012. С. 37-41. Glotov V.A. Tkanepodobnye obrazovaniya s zadannymi biologicheskimi svoystvami na osnove kletochnoy i tkanevoy inzhenerii in vitro endotelial´nykh kapillyarnykh setey. Trudy X mezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskaya konferentsiya «Fizika i radioelektronika v meditsine i ekologii (FREME’2012)». Kniga 3. Vladimir, 2012. S. 37-41. Глотов В.А., Найдёнов Е.В., Якименко И.В. От моделирования ангиогенеза IN VITRO к созданию искусственных биологических образований с заданными свойствами на основе технологии саморазвивающихся капиллярных сетей. // Математическая морфология. Электронный математический и медико-биологический журнал. 2013. Т. 12, Вып. 2. URL: http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-38-html/glotov/glotov.htm Glotov V.A., Naydenov E.V., Yakimenko I.V. Ot modelirovaniya angiogeneza IN VITRO k sozdaniyu iskusstvennykh biologicheskikh obrazovaniy s zadannymi svoystvami na osnove tekhnologii samorazvivayushchikhsya kapillyarnykh setey.. Matematicheskaya morfologiya. Elektronnyy matematicheskiy i mediko-biologicheskiy zhurnal. 2013. T. 12, Vyp. 2. URL: http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-38-html/glotov/glotov.htm Найдёнов Е.В. Компьютерное проектирование и моделирование в САПР и СКМ узлов микро-машинных кибернетических платформ для культивирования саморазвивающихся и функционирующих эндотелиальных капиллярных сетей // Материалы докладов XV международной научной конференции студентов и аспирантов «Системы компьютерной математики и их приложения». Вып. 15. Смоленск: Изд-во СмолГУ, 2014. С. 34-36. Naydenov E.V. Komp´yuternoe proektirovanie i modelirovanie v SAPR i SKM uzlov mikro-mashinnykh kiberneticheskikh platform dlya kul´tivirovaniya samorazvivayushchikhsya i funktsioniruyushchikh endotelial´nykh kapillyarnykh setey. Materialy dokladov XV mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii studentov i aspirantov «Sistemy komp´yuternoy matematiki i ikh prilozheniya». Vyp. 15. Smolensk: Izd-vo SmolGU, 2014. S. 34-36. Найдёнов Е.В. Предпосылки создания микромашинных кибернетических платформ для культивирования саморазвивающихся и функционирующих эндотелиальных капиллярных сетей // Вестник государственно медицинской академии 2014, специальный выпуск Материалы II Всероссийской на-учно-практической конференции студентов и молодых ученых с международным участием «Актуальные проблемы науки XXI века». Смоленск: Изд-во СГМА, 2014. С. 46-48. Naydenov E.V. Predposylki sozdaniya mikromashinnykh kiberneticheskikh platform dlya kul´tivirovaniya samorazvivayushchikhsya i funktsioniruyushchikh endotelial´nykh kapillyarnykh setey. Vestnik gosudarstvenno meditsinskoy akademii 2014, spetsial´nyy vypusk Materialy II Vserossiyskoy na-uchno-prakticheskoy konferentsii studentov i molodykh uchenykh s mezhdunarodnym uchastiem «Aktual´nye problemy nauki XXI veka». Smolensk: Izd-vo SGMA, 2014. S. 46-48. Найдёнов Е.В. Разработка технической платформы многофункционального биологического реактора // Тезисы докладов XX Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Т. 1. М.: Издательский дом МЭИ, 2014. С. 215. Naydenov E.V. Razrabotka tekhnicheskoy platformy mnogofunktsional´nogo biologicheskogo reaktora. Tezisy dokladov XX Mezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii studentov i aspirantov «Radioelektronika, elektrotekhnika i energetika». T. 1. M.: Izdatel´skiy dom MEI, 2014. S. 215. Найдёнов Е.В., Андрейкин С.А., Прокофьева П.А., Якименко Ю.И. Клеточная и тканевая инженерия эндотелия IN VIVO и IN VITRO (инженерные подходы) // Математическая морфология. Элек-тронный математический и медико-биологический журнал. 2013. Т. 12, Вып. 2. URL: http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-38-html/naydenov/naydenov.htm Naydenov E.V., Andreykin S.A., Prokof´eva P.A., Yakimenko Yu.I. Kletochnaya i tkanevaya inzheneriya endoteliya IN VIVO i IN VITRO (inzhenernye podkhody). Matematicheskaya morfologiya. Elek-tronnyy matematicheskiy i mediko-biologicheskiy zhurnal. 2013. T. 12, Vyp. 2. URL: http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-38-html/naydenov/naydenov.htm Chung B.G., Lee K.H., Khademhosseini A., Lee S. H.. Microfluidic fabrication of microengineered hydrogels and their application in tissue engineering. Lab on a Chip. 2012. V. 12(1). P. 45-59. Chung B.G., Lee K.H., Khademhosseini A., Lee S. H.. Microfluidic fabrication of microengineered hydrogels and their application in tissue engineering. Lab on a Chip. 2012. V. 12(1). P. 45-59. Coquinco A., Kojic L., Wen W., Wang Y.T., Jeon N.L., Milnerwood A.J., Cynader M. A microfluidic based in vitro model of synaptic competition // Molecular and Cellular Neuroscience. 2014. V. 60. P. 43-52. Coquinco A., Kojic L., Wen W., Wang Y.T., Jeon N.L., Milnerwood A.J., Cynader M. A microfluidic based in vitro model of synaptic competition. Molecular and Cellular Neuroscience. 2014. V. 60. P. 43-52. Hoefer I. E., den Adel B., Daemen M.J. Biomechanical factors as triggers of vascular growth // Cardi-ovascular research. 2013. V. 99(2). P. 276-283. Hoefer I. E., den Adel B., Daemen M.J. Biomechanical factors as triggers of vascular growth. Cardi-ovascular research. 2013. V. 99(2). P. 276-283. Huh D., Hamilton G. A., & Ingber D. E. From 3D cell culture to organs-on-chips // Trends in cell biolo-gy. 2012. V. 21(12). P. 745-754. Huh D., Hamilton G. A., & Ingber D. E. From 3D cell culture to organs-on-chips. Trends in cell biolo-gy. 2012. V. 21(12). P. 745-754. Jeong G.S., Han S., Shin Y., Kwon G.H., Kamm R.D., Lee S.H., Chung S. Sprouting angiogenesis under a chemical gradient regulated by interactions with an endothelial monolayer in a microfluidic platform // Analytical chemistry. 2011. V. 83(22). P. 8454-8459. Jeong G.S., Han S., Shin Y., Kwon G.H., Kamm R.D., Lee S.H., Chung S. Sprouting angiogenesis under a chemical gradient regulated by interactions with an endothelial monolayer in a microfluidic platform. Analytical chemistry. 2011. V. 83(22). P. 8454-8459. Jeong G.S., Kwon G.H., Kang A.R., Jung B.Y., Park Y., Chung S., Lee S. H.. Microfluidic assay of endothelial cell migration in 3D interpenetrating polymer semi-network HA-Collagen hydrogel // Biomedical microdevices. 2011. V. 13(4). P. 717-723. Jeong G.S., Kwon G.H., Kang A.R., Jung B.Y., Park Y., Chung S., Lee S. H.. Microfluidic assay of endothelial cell migration in 3D interpenetrating polymer semi-network HA-Collagen hydrogel. Biomedical microdevices. 2011. V. 13(4). P. 717-723. Kim S., Lee H., Chung M., Jeon N. L. Engineering of functional, perfusable 3D microvascular net-works on a chip // Lab on a Chip. 2013. V. 13(8). P. 1489-1500. Kim S., Lee H., Chung M., Jeon N. L. Engineering of functional, perfusable 3D microvascular net-works on a chip. Lab on a Chip. 2013. V. 13(8). P. 1489-1500. Lee H., Chung M., Jeon N. L. Microvasculature: An essential component for organ-on-chip systems // MRS Bulletin. 2014. V. 39 (01). P. 51-59. Lee H., Chung M., Jeon N. L. Microvasculature: An essential component for organ-on-chip systems. MRS Bulletin. 2014. V. 39 (01). P. 51-59. Lee H., Kim S., Chung M., Ki J. H., Jeon N. L. A bioengineered array of 3D microvessels for vascular permeability assay // Microvascular research. 2014. V. 91. P. 90-98. Lee H., Kim S., Chung M., Ki J. H., Jeon N. L. A bioengineered array of 3D microvessels for vascular permeability assay. Microvascular research. 2014. V. 91. P. 90-98. Li D. Encyclopedia of microfluidics and nanofluidics. Springer, 2008. Li D. Encyclopedia of microfluidics and nanofluidics. Springer, 2008. Morgan J.P., Delnero P.F., Zheng Y., Verbridge S.S., Chen J., Craven M., Stroock A.D. Formation of microvascular networks in vitro // Nature protocols. 2013. V. 8(9). P. 1820-1836. Morgan J.P., Delnero P.F., Zheng Y., Verbridge S.S., Chen J., Craven M., Stroock A.D. Formation of microvascular networks in vitro. Nature protocols. 2013. V. 8(9). P. 1820-1836. Stapor P.C., Azimi M.S., Ahsan T., Murfee W.L. An angiogenesis model for investigating multicellular interactions across intact microvascular networks. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 2013. V. 304(2). P. 235-245. Stapor P.C., Azimi M.S., Ahsan T., Murfee W.L. An angiogenesis model for investigating multicellular interactions across intact microvascular networks. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 2013. V. 304(2). P. 235-245. Verbridge S.S., Chakrabarti A., DelNero P., Kwee B., Varner J.D., Stroock A.D., Fischbach C. Physico-chemical regulation of endothelial sprouting in a 3D microfluidic angiogenesis model. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 2013. V. 101(10). P. 2948-2956. Verbridge S.S., Chakrabarti A., DelNero P., Kwee B., Varner J.D., Stroock A.D., Fischbach C. Physico-chemical regulation of endothelial sprouting in a 3D microfluidic angiogenesis model. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 2013. V. 101(10). P. 2948-2956. Yeon J.H., Ryu H.R., Chung M., Hu Q.P., Jeon N. L. In vitro formation and characterization of a per-fusable three-dimensional tubular capillary network in microfluidic devices // Lab on a chip. 2012. V. 12(16). P. 2815-2822. Yeon J.H., Ryu H.R., Chung M., Hu Q.P., Jeon N. L. In vitro formation and characterization of a per-fusable three-dimensional tubular capillary network in microfluidic devices. Lab on a chip. 2012. V. 12(16). P. 2815-2822. Zervantonakis I.K., Kothapalli C.R., Chung S., Sudo R., Kamm R.D. Microfluidic devices for study-ing heterotypic cell-cell interactions and tissue specimen cultures under controlled microenvironments // Biomi-crofluidics. 2011. V. 5(1). P. 406. Zervantonakis I.K., Kothapalli C.R., Chung S., Sudo R., Kamm R.D. Microfluidic devices for study-ing heterotypic cell-cell interactions and tissue specimen cultures under controlled microenvironments. Biomi-crofluidics. 2011. V. 5(1). P. 406. Zhang L.G., Khademhosseini A., Webster T. Tissue and Organ Regeneration: Advances in Micro-and Nanotechnology. CRC Press, 2014. Zhang L.G., Khademhosseini A., Webster T. Tissue and Organ Regeneration: Advances in Micro-and Nanotechnology. CRC Press, 2014. Zheng Y., Chen J., Craven M., Choi N.W., Totorica S., Diaz-Santana A., Stroock A.D. In vitro mi-crovessels for the study of angiogenesis and thrombosis // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2012. V. 109(24). P. 9342-9347. Zheng Y., Chen J., Craven M., Choi N.W., Totorica S., Diaz-Santana A., Stroock A.D. In vitro mi-crovessels for the study of angiogenesis and thrombosis. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2012. V. 109(24). P. 9342-9347.