Biology meets mechatronics -course pilot

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2017-06-13
Department
Major/Subject
Biotechnology
Mcode
CHEM3022
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
50 + 22
Series
Abstract
The purpose of this thesis project was to plan and pilot the course program for the Cell and Tissue Engineering –course, CHEM - E3225, at Aalto University, under the working title “Biology meets Mechatronics”. The concept of “Biology meets Mechatronics” is to create an interdisciplinary course platform for the students majoring in Biotechnology at the School of Chemical Engineering (CHEM) or in Mechatronics at the School of Engineering (ENG). Due to existing curriculum requirements, the concept of Biology meets Mechatronics was integrated in this pilot phase into the CHEM E3225 Cell and Tissue engineering course as it was also the most suitable field for such cooperation between CHEM and ENG. In this thesis, however, Biology meets Mechatronics, is referred to as an individual course, as the piloting aimed at creating a finalized course concept. Moreover, this pilot was part of the Aalto University projects AOle’, which focus on development of interdisciplinary learning and online learning environments. The aim of the Biology meets Mechatronics is to support the hands-on-learning of students in the cell and tissue laboratory as well as development of tools for growing cells in bioreactors. The present thesis examines the production of biocompatible scaffolds for cell culturing created via electrospinning type I collagen or polycaprolactone, PCL. Moreover, these scaffolds are cultured in a Rotary Cell Culture System, RCCS, specialized for 3D cell culturing, where the aim was to examine the suitability of such a system to be built by students during the course. This thesis introduces the theories and background of the techniques that are suitable for use during the course, pilots the practical tests involved, and presents the gathered results. The more specific focus of the present thesis is on the electrospinning and on the development of the scaffold, in view of development of the practical implementation of the final course. According to review of the literature, chemically modified type I collagen is the most suitable material for electrospinning the scaffolds for the cell culturing. Additionally the differences between 2D and 3D cell culturing are evaluated, such as the 2D cultured cells’ unnatural morphology compared to 3D cultured cells. Also the RCCS is introduced together with instructions on how to build it. During the thesis project 1) electrospinning equipment was successfully built and PCL scaffolds were manufactured, 2) an RCCS prototype was built and tested, and 3) the scaffolds were analysed using light microscope and SEM images. The review of literature together with results from the practical tests support the hypothesis that the planned “Biology meets Mechatronics” -course program is realistic to execute without any scientific limitations.

Tämän diplomityön tarkoituksena oli suunnitella ja kokeilla kurssiohjelma Aalto Yliopiston kurssille Cell and Tissue Engineering, CHEM – E3225, ”Biology meets Mechatronics” –konseptista johtaen. ”Biology meets Mechatronics” -konseptin tarkoituksena on luoda poikkitieteellinen opintoalusta Kemian tekniikan korkeakoulun (CHEM) opiskelijoille pääaineenaan ”Biotechnology” sekä Insinööritieteiden korkeakoulun (ENG) opiskelijoille pääaineenaan ”Mechatronics”. Olemassa olevan opetussuunnitelman rajoissa ”Biology meets Mechatronics” -alusta integroitiin kurssiin ”Cell and Tissue Engineering”, CHEM - E3225, joka soveltui parhaiten ”Biotechnology” ja ”Mechatronics” –opiskelijoiden väliseen yhteistyöhön. Tässä työssä nimike ”Biology meets Mechatronics” kuitenkin viittaa kyseisestä konseptista luotuun itsenäiseen kurssikokonaisuuteen. ”Biology meets Mechatronics” konsepti on lisäksi osa Aalto Yliopiston AOle’ -projektia, tavoitteena kehittää poikkitieteellistä opiskelua käyttäen hyväksi multimediatyökaluja ja internet-pohjaisia oppimisympäristöjä. Tässä kirjallisuustyössä esitetyn kurssikokonaisuuden tavoitteena on lisätä opiskelijoiden oppimista solu- ja kudostekniikan parissa suoritettavan käytännön työn ja soluviljelyyn kurssilla kehitettävien työkalujen ja laitteiden avulla. Tässä lopputyössä tuotetaan ja tarkastellaan tyypin I kollageenista ja polykaprolaktonista elektrospinnaamalla valmistettuja bioyhteensopivia aihioita soluviljelyn käyttötarpeisiin. Lisäksi rakennetaan erityisesti 3D soluviljelyyn tarkoitetun antigravitaatiosolureaktorin (Rotary Cell Culture System, RCCS) prototyyppi ja arvioidaan sen soveltuvuutta kurssilla rakennettavaksi oppilastyöksi. Kokonaisuutena tämä lopputyö esittelee käytettävien metodien teoriaa ja taustoja, kokeilee metodeja käytännössä ja esittelee saadut tulokset, sekä arvioi metodien käytettävyyttä osana kurssikokonaisuutta. Lopputyön painopiste on elektrospinnauksen esittelyssä ja soluaihion kehittämisessä. Kirjallisuuskatsauksen perusteella kemiallisesti modifioitu tyypin I kollageeni on soveltuvin raaka-aine solujen kasvatukseen tarkoitettujen soluaihioiden elektrospinnaukseen. Lisäksi suurimmat erot 2D ja 3D soluviljelyn välillä, kuten 2D viljeltyjen solujen epäluonnollinen morfologia verrattuna 3D viljeltyihin soluihin, on esitelty yhdessä 3D viljelyyn kehitetyn antigravitaatiosolureaktorin toiminnan ja rakennusohjeiden kanssa. Työssä 1) rakennettiin elektrospinnauslaitteisto ja syntetisoitiin halutunlaisia soluaihioita polykaprolaktonista, 2) luotiin ja kokeiltiin antigravitaatiosolureaktorin prototyyppi, 3) analysoitiin soluaihioita valomikroskooppi ja SEM –kuvien avulla ja arvioitiin kuvien käytettävyyttä tulosten arviointiin. Kirjallisuuskatsauksen, suoritettujen kokeiden ja saatujen tulosten perusteella ”Biology meet Mechatronics” -kurssikokonaisuus on toimiva ja toteutettavissa ilman tieteellisiä esteitä.
Description
Supervisor
Nordström, Katrina
Thesis advisor
Ora, Ari
Keywords
tissue engineering, electrospinning, rotating cell culture system, collagen, polycaprolactone acid
Other note
Citation