Name: Dispositivos eléctricos y de campo magnético para la estimulación de tejidos biológicos (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-05-15T15:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 29 s
Description: Aprende a construir estimuladores eléctricos y magnéticos para tejidos biológicos usando simulaciones computacionales en COMSOL Multiphysics. Este protocolo permite validar distribuciones de campos y optimizar parámetros de voltaje y frecuencia para diversas muestras celulares.

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Los autores agradecen el apoyo financiero brindado por "Fondo Nacional de Financiamiento para la Ciencia, la Tecnología, y la Innovación -Fondo Francisco José de Caldas- Minciencias" y la Universidad Nacional de Colombia a través de la subvención Nº 80740-290-2020 y el apoyo recibido por Valteam Tech - Investigación e Innovación para proporcionar el equipo y soporte técnico en la edición del video.

Los autores declaran que no tienen conflicto de intereses.

Los tratamientos utilizados para curar diferentes patologías que afectan a los tejidos humanos son terapias farmacológicas32 o intervenciones quirúrgicas33,que buscan aliviar el dolor localmente o reemplazar los tejidos afectados por explantas o trasplantes. Recientemente, la terapia celular autóloga se ha propuesto como una terapia alternativa para tratar los tejidos lesionados, donde las células están aisladas del paciente y expandidas, a través de técnicas in vitro, para...

Se ha demostrado que los EF y los MFs modifican la dinámica celular, estimulando la proliferación y aumentando la síntesis de las moléculas principales asociadas con la matriz extracelular de los tejidos1. Estos estímulos biofísicos se pueden aplicar de diferentes maneras mediante el uso de ajustes y dispositivos específicos. En cuanto a los dispositivos para generar EF, los estimuladores directos de acoplamiento utilizan electrodos que están en contacto con muestras biológicas in vitro o implantadas directamente en tejidos de pacientes y animales in vivo2; sin embargo, todavía hay limitaciones y deficiencias que incluyen biocompatibilidad insuficiente por los electrodos en contacto, cambios en los niveles de pH y oxígeno molecular1. Por el contrario, los dispositivos de acoplamiento indirecto generan EF entre dos electrodos, que se colocan en paralelo a las muestras biológicas3,permitiendo una técnica alternativa no invasiva para estimular muestras biológicas y evitar el contacto directo entre tejidos y electrodos. Este tipo de dispositivo se puede extrapolar a futuras aplicaciones clínicas para realizar procedimientos con una mínima invasión al paciente. En relación con los dispositivos que generan MFs, los estimuladores de acoplamiento inductivos crean una corriente eléctrica que varía el tiempo, que fluye a través de una bobina que se encuentra alrededor de los cultivos celulares4,5. Por último, hay dispositivos combinados, que utilizan EFs y MFs estáticos para generar campos electromagnéticos transitorios1. Dado que existen diferentes configuraciones para estimular muestras biológicas, es necesario considerar variables como la tensión y la frecuencia cuando se aplican estímulos biofísicos. El voltaje es una variable importante, ya que influye en el comportamiento de los tejidos biológicos; por ejemplo, se ha demostrado que la migración celular, la orientación y la expresión génica dependen de la amplitud de la tensión aplicada3,6,7,8,9,10. La frecuencia juega un papel importante en la estimulación biofísica, ya que se ha demostrado que estos ocurren naturalmente in vivo. Se ha demostrado que las frecuencias altas y bajas tienen efectos beneficiosos en las células; especialmente, en los canales de calcio cerrados por voltaje de membrana celular o reticulum endoplasmático, que desencadenan diferentes vías de señalización en el nivel intracelular1,7,11.
Según lo anterior, un dispositivo para generar EF consiste en un generador de voltaje conectado a dos capacitores paralelos12. Este dispositivo fue implementado por Armstrong et al. para estimular tanto la tasa proliferativa como la síntesis molecular de los condrocitos13. Una adaptación de este dispositivo fue realizada por Brighton et al. que modificaron las placas de cultivo celular perforando sus tapas superiores e inferiores. Los agujeros se llenaron con toboganes de cubierta, donde las gafas inferiores se utilizaban para cultivo de tejidos biológicos. Se colocaron electrodos en cada diapositiva de cubierta para generar efs14. Este dispositivo se utilizó para estimular eléctricamente condrocitos, osteoblastos y explantas de cartílago, mostrando un aumento en la proliferación celular14,15,16 y síntesis molecular3,17. El dispositivo diseñado por Hartig et al. consistía en un generador de ondas y un amplificador de voltaje, que estaban conectados a capacitores paralelos. Los electrodos estaban hechos de acero inoxidable de alta calidad ubicados en una caja aislante. El dispositivo se utilizó para estimular los osteoblastos, mostrando un aumento significativo en la proliferación y secreción de proteínas18. El dispositivo utilizado por Kim et al. consistía en un chip estimulador de corriente bifásico, que fue construido utilizando un proceso de fabricación de semiconductores complementarios de óxido metálico de alta tensión. Una placa de cultivo fue diseñada para cultivo de células sobre una superficie conductora con estimulación eléctrica. Los electrodos estaban recubiertos de oro sobre placas de silicio19. Este dispositivo se utilizó para estimular los osteoblastos, mostrando un aumento en la proliferación y la síntesis del factor de crecimiento endotelial vascular19,y estimulando la producción de actividad alcalina fosfatasa, deposición de calcio y proteínas morfogénicas óseas20. Del mismo modo, este dispositivo se utilizó para estimular la tasa proliferativa y la expresión del factor de crecimiento endotelial vascular de las células madre mesenquimales de médula ósea humana21. El dispositivo diseñado por Nakasuji et al. estaba compuesto por un generador de voltaje conectado a placas de platino. Los electrodos fueron construidos para medir el potencial eléctrico en 24 puntos diferentes. Este dispositivo se utilizó para estimular los condrocitos, mostrando que los EF no alteraron la morfología celular y aumentaron la proliferación y la síntesis molecular22. El dispositivo utilizado por Au et al. consistía en una cámara de vidrio equipada con dos barras de carbono conectadas a un estimulador cardíaco con alambres de platino. Este estimulador se utilizó para estimular los cardiomiocitos y fibroblastos, mejorando la elongación celular y la alineación de fibroblastos23.
Diferentes dispositivos MF se han fabricado sobre la base de bobinas Helmholtz para estimular varios tipos de muestras biológicas. Por ejemplo, las bobinas Helmholtz se han utilizado para estimular la proliferación y síntesis molecular de condrocitos24,25,mejorar la síntesis proteoglycan de explantas de cartílago articular26,mejorar la regulación genética relacionada con la formación ósea de células similares a osteoblastos27,y aumentar la proliferación y expresión molecular de las células endoteliales28. Las bobinas Helmholtz generan MFs a lo largo de dos bobinas ubicadas una delante de la otra. Las bobinas deben colocarse con una distancia igual al radio de las bobinas para garantizar un MF homogéneo. La desventaja de usar bobinas Helmholtz radica en las dimensiones de la bobina, ya que necesitan ser lo suficientemente grandes como para generar la intensidad MF requerida. Además, la distancia entre bobinas debe ser adecuada para garantizar una distribución homogénea de los MFs alrededor de los tejidos biológicos. Para evitar problemas causados por las bobinas Helmholtz, diferentes estudios se han centrado en la fabricación de bobinas solenoides. Las bobinas solenoides se basan en un tubo, que se enrolla con alambre de cobre para generar MFs. Las entradas de alambre de cobre se pueden conectar directamente a la toma de corriente o a una fuente de alimentación para energizar la bobina y crear MFs en el centro del solenoide. Cuantos más giros tenga la bobina, mayor será el MF generado. La magnitud MF también depende de la tensión y corriente aplicadas para energizar la bobina29. Las bobinas solenoides se han utilizado para estimular magnéticamente diferentes tipos de células como HeLa, HEK293 y MCF730 o células madre mesenquimales31.
Los dispositivos utilizados por diferentes autores no han considerado ni el tamaño adecuado de los electrodos ni la longitud correcta de la bobina para distribuir homogéneamente tanto los EFs como los MFs. Además, los dispositivos generan voltajes fijos y frecuencias, limitando su uso para estimular tejidos biológicos específicos. Por esta razón, en este protocolo se realiza una guía de simulación computacional para simular tanto sistemas capacitivos como bobinas para garantizar una distribución homogénea de efs y MFs sobre muestras biológicas, evitando el efecto borde. Además, se muestra que el diseño de circuitos electrónicos genera voltajes y frecuencia entre los electrodos y la bobina, creando EFs y MFs que superarán las limitaciones causadas por la impedancia de las placas y el aire del cultivo celular. Estas modificaciones permitirán la creación de biorreactores no invasivos y adaptativos para estimular cualquier tejido biológico.

<table><tbody><tr><td>Estimulador eléctrico</amplificador operacional fuerte></td><td></td><td></td><td></td></tr> <tr><td></td><td>Motorola</td><td>LF-353N</td><td>---- Cantidad: 1</td></tr><tr><td>Resistencias</td><td>----</td><td>----</td><td>22 k&Omega; Cantidad: 1</td></tr><tr><td>Resistencias</td><td>----</td><td>----</td><td>10 k&Omega; Cantidad: 3</td></tr><tr><td>Resistencias</td><td>----</td><td>----</td><td>2.6 k&Omega; Cantidad: 2</td></tr><tr><td>Resistencias</td><td>----</td><td>----</td><td>2.2 k&Omega; Cantidad: 1</td></tr><tr><td>Resistencias</td><td>----</td><td>----</td><td>1 k&Omega; Cantidad: 1</td></tr><tr><td>Resistencias</td><td>----</td><td>----</td><td>220 y Omega; Cantidad: 2</td></tr><tr><td>resistencias</td><td>----</td><td>----</td><td>22 y omega; Cantidad: 5</td></tr><tr><td>resistencias</td><td>----</td><td>----</td><td>10 y omega; Cantidad: 1</td></tr><tr><td>Resistencias</td><td>----</td><td>----</td><td>6.8 y Omega; Cantidad: 1</td></tr><tr><td>Resistencias</td><td>----</td><td>----</td><td>3.3 y Omega; Cantidad: 2</td></tr><tr><td>Condensadores de poliéster</td><td>----</td><td>----</td><td>1 nF Cantidad: 2</td></tr><tr><td>Condensadores de poliéster</td><td>----</td><td>----</td><td>100 nF Cantidad: 1</td></tr><tr><td>Transistor amplificador de banda VHF JFET</td><td>Toshiba</td><td>2SK161</td><td>---- Cantidad: 1</td></tr><tr><td>Transistor de potencia BJT NPN</td><td>Mospec</td><td>TIP 31C</td><td>---- Cantidad: 1</td></tr><tr><td>Diodo Zener</td><td>Microsemi</td><td>1N4148</td><td>---- Cantidad: 1</td></tr><tr><td>Interruptor</td><td>Toogle Switch</td><td>SPDT - T13</td><td>---- Cantidad: 3</td></tr><tr><td>Núcleo de ferrita toroidal</td><td>Caracol</td><td>----</td><td>T*22*14*8 Cantidad: 1</td></tr><tr><td>Alambre de cobre</td><td>Greenshine</td><td>----</td><td>AWG &ndash; 24 Cantidad: 1</td></tr><tr><td>Cabezal Relimate con carcasa hembra</td><td>ADAFRUIT</td><td>----</td><td>Conectores de 8 pines Cantidad: 1</td></tr><tr><td>Cabezal Relimate con carcasa hembra</td><td>Conectores ADAFRUIT</td><td></td>----<td>2 pines Cantidad: 1</td></tr><tr><td>Conector de terminal de enchufe</td><td>hembra JIALUN</td><td></td>----<td>4mm Enchufes de linterna (enchufe + enchufe) 15 A Cantidad: 1</td></tr><tr><td>Disipador de calor de aluminio</td><td>AWIND</td><td></td>----<td>For TIP 31C transistor Cantidad: 1</td></tr><tr><td>Led</td><td>CHANZON</td><td></td>----<td>5 mm rojo Cantidad: 1</td></tr><tr><td>Conector de enchufe de circuito integrado</td><td>Te Electronics Co., Ltd.</td><td>----</td><td>Doble fila DIP de 8 pines Cantidad: 1</td></tr><tr><td>juego de conectores de 3 pines</td><td>STAR</td><td></td>----<td>JST PH 2.0 Cantidad: 3</td></tr><tr><td>conectores de tornillo de 2 pines</td><td>STAR</td>----<td></td><td>Para PCB Cantidad: 1</td></tr><tr><td>Conectores de tornillo de 3 pines</td><td>STAR</td><td></td><td>----Para PCB Cantidad: 1</td></tr><tr><td>cable de prueba de conector banana</td><td>JIALUN</td><td></td>----<td>P1041 - 4 mm - 15 A Cantidad: 7</td></tr><tr><td>Conectores de bala para cable de carga de enchufe banana</td><td>JIALUN</td>----<td></td><td>4 mm Adaptadores macho-macho/hembra-hembra - 15 A Cantidad: 1</td></tr><tr><td>Caja</td><td>----</td><td>----</td><td>ABS Cantidad: 1</td></tr><tr><td>Electrodos</td><td>----</td><td>----</td><td>Inoxidable y acero inoxidable Cantidad: 2</td></tr><tr><td>Soporte de electrodos</td><td>----</td><td>----</td><td>Teflón Cantidad: 2</td></tr><tr><td>Placa</td><td></td><td></td> de circuito impreso <td>Cantidad: 1</td></tr><tr><td><estimulador magnético fuerte></alambre ></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Cooper</td><td>fuerte Greenshine</td><td>----</td><td>AWG &ndash; 18 Cantidad: 1</td></tr><tr><td>enchufes de alimentación</td> de <td>CA----</td><td>----</td><td>120 V CA y 60 Hz Cantidad: 1</td></tr><tr><td>cable de prueba de conector hembra banana</td><td>JIALUN</td><td>----</td><td>1Set Doble Inyección - 4 mm &ndash; 15 A Cantidad: 2</td></tr><tr><td>Cable de prueba de conector macho</td><td>banana JIALUN</td>----<td></td><td>1Set Doble Inyección - 4 mm 15 A Cantidad: 1</td></tr><tr><td>Soporte de placa de pocillo de cultivo celular</td><td>----</td><td>----</td><td>PMMA Cantidad: 1</td></tr><tr><td>fusible</td><td>Bussmann</td><td>2A</td><td>---- Cantidad: 1</td></tr><tr><td>transformador</td><td>----</td><td>----</td><td>1A &ndash; 6 V AC Cantidad: 1</td></tr><tr><td>tubo</td><td>----</td><td>----</td><td>PVC Cantidad: 1</td></tr><tr><td>reóstato variable</td><td>MCP</td><td>BXS150</td><td>10 &Omega; Cantidad: 1</td></tr><tr><td><fuerte>Equipo general</fuerte></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Fuente dual digital&nbsp;</td><td>PeakTech</td><td>DG 1022Z</td><td>2 x 0 - 30 V / 0 - 5 A CC / 5 V / 3 A fijo Cantidad: 1</td></tr><tr><td>Osciloscopio digital</td><td>Rigol</td><td>DS1104Z Plus</td><td>100 MHz, ancho de banda, 4 canales Cantidad: 1</td></tr><tr><td>Multímetro digital</td><td>Fluke</td><td>F179</td><td>Voltaje CC &ndash; CA (1000 V). CC &ndash; actual CA 10 A. Frecuencia 100 kHz Cantidad: 1</td></tr></tbody></table>

dispositivos eléctricos y de campo magnético para la estimulación de tejidos biológicos

Electric and Magnetic Field Devices for Stimulation of Biological Tissues

Los campos eléctricos (EF) y los campos magnéticos (MFs) han sido ampliamente utilizados por la ingeniería de tejidos para mejorar la dinámica celular como la proliferación, migración, diferenciación, morfología y síntesis molecular. Sin embargo, variables tales tiempos de fuerza y estimulación de estímulos deben considerarse al estimular las células, tejidos o andamios. Dado que los EF y los MFs varían según la respuesta celular, no está claro cómo construir dispositivos que generen estímulos biofísicos adecuados para estimular muestras biológicas. De hecho, hay una falta de evidencia con respecto al cálculo y distribución cuando se aplican estímulos biofísicos. Este protocolo se centra en el diseño y fabricación de dispositivos para generar EF y MFs e implementación de una metodología computacional para predecir la distribución de estímulos biofísicos dentro y fuera de muestras biológicas. El dispositivo EF estaba compuesto por dos electrodos paralelos de acero inoxidable situados en la parte superior e inferior de los cultivos biológicos. Los electrodos se conectaron a un oscilador para generar voltajes (50, 100, 150 y 200 Vp-p) a 60 kHz. El dispositivo MF se componía de una bobina, que estaba energizada con un transformador para generar una corriente (1 A) y voltaje (6 V) a 60 Hz. Se construyó un soporte de metacrilato de polimetilo para localizar los cultivos biológicos en medio de la bobina. La simulación computacional elucidaba la distribución homogénea de efs y MFs dentro y fuera de los tejidos biológicos. Este modelo computacional es una herramienta prometedora que puede modificar parámetros como voltajes, frecuencias, morfologías tisulares, tipos de placas de pozo, electrodos y tamaño de bobina para estimar los EFs y MFs para lograr una respuesta celular.

Simulación computacional Las distribuciones de efs y MFs se muestran en la figura 3. Por un lado, era posible observar la distribución homogénea de los EF en el sistema capacitivo(Figura 3A). El EF fue trazado para observar en detalle la magnitud del campo dentro de la muestra biológica (Figura 3B). Esta simulación fue útil para parametrizar el tamaño de los electrodos y fabricarlos para evitar el efecto borde. P...

Este protocolo describe el proceso paso a paso para construir estimuladores eléctricos y magnéticos utilizados para estimular los tejidos biológicos. El protocolo incluye una directriz para simular campos computacionalmente eléctricos y magnéticos y la fabricación de dispositivos estimuladores.

Dispositivos eléctricos y de campo magnético para la estimulación de tejidos biológicos

Electric fields (EFs) and magnetic fields (MFs) have been widely used by tissue engineering to improve cell dynamics such as proliferation, migration, ...

Los estímulos biofísicos se han utilizado para estimular la dinámica celular y molecular en diferentes tejidos. Algunos estudios han evaluado el impacto de los campos eléctricos y magnéticos en diferentes tipos de células como condrocitos, osteoblastos y fibroblastos, implantes tisulares y andamios. Aunque se han desarrollado diferentes dispositivos estimulantes bajo las características específicas para estimular los tejidos biológicos, es necesario confirmar dispositivos eléctricos y magnéticos en los que la tensión y la frecuencia podrían variar para estimular una amplia gama de muestras biológicas.La simulación computacional para verificar la distribución del campo eléctrico se realizó en COMSOL Multiphysics. Aquí, se utilizó una configuración axisimétrica para simular el sistema capacitivo que está compuesto por dos electrodos paralelos, el aire, nuestra placa de pozo de cultivo, los medios de cultivo y la muestra biológica, que en este caso, ha sido representada por un andamio. Las propiedades materiales de cada elemento eran la conductividad eléctrica y la permisividad relativa.La tensión aplicada se fijó en 100 voltios, mientras que la frecuencia se estableció en 60 kiloherc

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Research

Investigación

JoVE Journal

Bioengineering

Bioingeniería

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