Evaluation of cellular aggregate topologies from an Off-lattice model for tissue bioprinting

Abstract

This thesis presents an exploration of cellular dynamics, utilizing various modeling frameworks and simulation techniques. Starting from the analysis of core-centered models, incorporating an approach to contractile stress from polarization vectors and a detailed evaluation of force functions governing attraction-repulsion interactions, the study unravels the intricate cellular behaviors. The integration of protrusive forces, genetic networks, and specific models like Yalla, MecaGen, and Oriola enhances the understanding of these dynamics. Additionally, neighborhood algorithms, such as the Gabriel graph, contribute to a more nuanced investigation. The modeling framework is implemented through the CellAggregate.jl platform. In the simulation framework, built with CUDA technology, aspects like structured data, nearest neighbor calculations, and forces, including polarization vectors, attraction-repulsion, and contractile forces, are addressed. Further discussions focus on the extraction of information related to the fusion of cellular aggregates. Results derived from experimental data, initial conditions, in-silico calibration, and simulation setups are presented. A subsequent analysis of the performance of functions and parameters is conducted. The thesis delves into the stabilization of a single cellular aggregate under extreme simulation conditions, exploring cell loss and mean squared displacement. The fusion of cellular aggregates is examined, including the evaluation of adjusted parameters using the Chi-squared test. The exploration extends to complex aggregates, providing a comprehensive understanding of topological aspects in tissue bioprinting.

Esta tesis explora la dinámica celular mediante diversos marcos de modelado y técnicas de simulación. Desde el análisis de modelos centrados en el núcleo hasta la evaluación detallada de funciones de fuerza que rigen las interacciones de atracción-repulsión, el estudio desentraña los complejos comportamientos celulares. La integración de fuerzas protrusivas, redes genéticas y modelos específicos como Yalla, MecaGen y Oriola enriquecen la comprensión de estas dinámicas. Además, se exploran algoritmos de vecindad, como el grafo de Gabriel, que contribuyen a una investigación más matizada. La implementación del marco de modelado se realiza a través de la plataforma CellAggregate.jl. En el marco de simulación, construido con tecnología CUDA, se abordan aspectos como datos estructurados, cálculos de vecinos más cercanos y fuerzas que incluyen vectores de polarización, atracción-repulsión y fuerzas contractiles. Otras discusiones se centran en la extracción de información relacionada con la fusión de agregados celulares. Se presentan resultados derivados de datos experimentales, condiciones iniciales, calibración in-silico y configuraciones de simulación. Un análisis del rendimiento de funciones y parámetros sigue a estos resultados. La tesis profundiza en la estabilización de un solo agregado celular bajo condiciones extremas de simulación, explorando la pérdida de células y el desplazamiento cuadrático medio. Se examina la fusión de agregados celulares, con evaluación de parámetros ajustados mediante la prueba de Chicuadrado. La exploración se extiende a agregados complejos, brindando una comprensión integral de los aspectos topológicos en la bioimpresión de tejidos (Texto tomado de la fuente).