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Background and objective Changes in mechano-electrochemical properties of articular cartilage play an essential role in the majority of cartilage diseases. Despite of this importance, the specific effect of each parameter into tissue behavior remains still obscure. Parametric computational modeling of cartilage can provide some insights into this matter, specifically the study of mechano-electrochemical properties variation and their correlation with tissue swelling, water and ion fluxes. Thus, the aim of this study is to evaluate the influence of the main mechanical and electrochemical parameters on the determination of articular cartilage behavior by a parametric analysis through a 3D finite element model. Methods For this purpose, a previous 3D mechano-electrochemical model, developed by the same authors, of articular cartilage behavior has been used. Young's modulus, Poisson coefficient, ion diffusivities and ion activity coefficients variations have been analyzed and quantified through monitoring tissue simulated response. Results Simulation results show how Young's modulus and Poisson coefficient control tissue behavior rather than electrochemical properties. Meanwhile, ion diffusivity and ion activity coefficients appear to be vital in controlling velocity of incoming and outgoing fluxes. Conclusions This parametric study establishes a basic guide when defining the main properties that are essential to be included into computational modeling of articular cartilage providing a helpful tool in tissue simulations.

Cell migration has an important role in physiological, biological and pathological processes such as tissue morphogenesis, cell differentiation, cell proliferation, cancer development, wound healing, as well as in tissue engineering applications [1,2]. Although cell behavior during migration is not completely clear for scientists yet, it has conclusively been known that mechanical and biochemical factors strongly affect cell locomotion. Mechanical changes in a substrate, such as topographical features, boundary conditions and stiffness distribution of substrate are all thought to guide and control cell migration. There are many 2D models describing cell behavior on a substrate [3], but there are only few 3D models for this purpose [4]. Majority of them just describe a single cell migration [4], while others study the behavior of high cell populations [5]. One major problem with some of these models is that they fail to properly balance the active locomotive forces acting on the cell or generated by the cell, in some cases the models do not even include them. Some models have an active force that moves the cell, but there is no discussion on where that force is applied. The model described by Borau et al. considers the maximum principal stess for the reorientation of cell and cytoskeleton which is not accurate enough [4]. In this work we will present an improved 3D computational model to investigate the effects of the mechanical properties of the substrate on cell migration. The main objective of this project is to understand the effect of substrate stiffness on cell migration, traction force, velocity and etc. Besides, we will study how deeply the cell feels during surface migration and how the cells interact each other when they are embedded in the same substrate. To validate our model, apart from comparing the obtained results with previous experimental [6] and numerical models [4,5], we will implement experimental part which includes preparation of 3D gel with desired boundary conditions and monitoring of cell behavior during migration. To monitor the cell behavior we are going to use fluorescence microscopy to record the cell movement. This experimental part will be performed by collaboration with laboratory of Aragon Institute of Engineering Research (i3A). Refrences [1] H. Behesti and S. Marino. Cerebellar granule cells: Insights into proliferation, differentiation, and role in medulloblastoma pathogenesis. Journal Applied Physiology, 41:435445, 2009. [2] P. Martin. Wound healing: aiming for perfect skin regeneration. Science, 276:75 81, 1997. [3] P. Moreo, J.M. Garcia-Aznar, and M. Doblaré. Modeling mechanosensing and its e˙ect on the migration and proliferation of adherent cells. Acta Biomaterialia, 4:613621, 2008. [4] C. Borau, R.D. Kamm, and J.M. García-Aznar. Mechano-sensing and cell migration: a 3d model approach. Journal Physical Biology, 8:107888, 2011. [5] E. Palsson. A three-dimensional model of cell movement in multicellular systems. Future Generation Computer System, 17:835852, 2001. [6] E. Hadjipanayi, V. Mudera, and R.A. Brown. Guiding cell migration in 3d: A collagen matrix with graded directional sti˙ness. Cell Motility and the Cytoskeleton, 66:435445, 2009.

La artrosis es una enfermedad degenerativa de las articulaciones que produce el desgaste del cartílago originando dolor, rigidez e incapacidad funcional. En la actualidad, los tratamientos aplicados se centran en paliar sus efectos. Sin embargo no existen recursos eficaces para evitar su aparición, ni métodos para detener el proceso degenerativo. Las investigaciones actuales se encaminan al desarrollo de técnicas capaces de regenerar la estructura y el funcionamiento del tejido lesionado. Una de las ideas que está adquiriendo mayor importancia es el uso de implantes de células madre mesenquimales embebidas en matrices o andamios tridimensionales. Dichos andamios tienen como objetivo principal aportar el soporte estructural y facilitar la adhesión, proliferación y migración de las células, logrando así la regeneración tisular. Los hidrogeles son biomateriales que, debido a su elevada capacidad de absorción de agua y la gran similitud con el microambiente celular están demostrando ser particularmente útiles en el diseño y fabricación de andamios. Permiten la difusión de nutrientes y oxígeno a las células, así como la eliminación del dióxido de carbono y productos de desecho del interior del andamiaje. Sin embargo, quedan por estudiar aspectos fundamentales relacionados en gran medida con las propiedades macroscópicas de los mismos. En particular estudios de las cargas que soportan, las velocidades de los flujos a través del material poroso, la permeabilidad, etc. Por lo tanto, es necesario conocer en profundidad cómo afectan dichas variables al comportamiento del hidrogel. Como objetivo principal de este proyecto se propuso caracterizar mecánicamente un nuevo material fabricado a base de hidrogel. Este biomaterial pretende mimetizar al cartílago articular humano para poder ser utilizado en un biorreactor en Ingeniería de Tejidos. Para ello se realizó el estudio de varias familias de andamios estructurales compuestos, en diferentes proporciones, a base de poly(ethyl acrylate) (PEA) que actúa como red de refuerzo y poly(hydroxyethyl acrylate) (PHEA) que es propiamente el hidrogel. Se analizó en detalle el proceso de síntesis, se caracterizó mecánicamente el material a nivel macro y micro-estructural y se determinó qué familia de material presentaba un comportamiento más semejante al del cartílago articular humano.

Este proyecto se ha desarrollado en el departamento de Ingeniería Mecánica. El principal objetivo del mismo ha sido la mejora de un modelo computacional de contracción experimentada por un hidrogel debido a las fuerzas ejercidas por las células embebidas. De forma paralela, se han llevado a cabo diferentes experimentos con el fin de lograr una mayor comprensión del proceso y validar el modelo computacional desarrollado. Dicho proyecto se encuentra incluido en una línea de investigación mayor que trata de determinar y cuantificar la influencia de factores mecánicos en el comportamiento celular. La interacción célula-sustrato es un tema que genera gran interés en la comunidad científica debido principalmente a su conexión con importantes procesos biológicos como la angiogénesis o enfermedades como el cáncer. En esta interacción la célula ejerce una fuerza que será transmitida al sustrato (gel) produciendo la deformación del mismo al objeto de establecer un mecanismo mecano-sensor del microambiente que la rodea. Existen numerosas evidencias que muestran la gran importancia de de las características mecánicas del entorno circundante en procesos tales como la proliferación, diferenciación y migración celular. Para comprender mejor esta interacción mecanobiológica, y partiendo de un modelo previo de reacción-difusión, se ha generado un modelo que permite simular la deformación que experimenta un gel que contiene fibroblastos en su interior, cuantificar la fuerza celular necesaria para que el proceso tenga lugar y es capaz de predecir la distribución y concentración celular. Las principales tareas de este proyecto se resumen a continuación. En primer lugar, se han realizado diversos experimentos en el laboratorio para comprender el proceso de contracción del hidrogel, obtener datos experimentales precisos del proceso y determinar la influencia de los diferentes parámetros mecánicos y biológicos. Para ello se han manejado diferentes dispositivos (microscopio optico confocal, lupa de 40X, ). Se han incorporado los fenómenos de migración y proliferación al modelo para lograr la deformación observada experimentalmente. Y finalmente, se ha modificado el comportamiento del material (gel) para asemejarlo al observado experimentalmente.