Dispositivi elettrici e a campo magnetico per la stimolazione dei tessuti biologici

Juan José Saiz Culma; Juan Felipe Escobar Huertas; Diego Alexander Garzón-Alvarado; Juan Jairo Vaca-Gonzalez

doi:10.3791/62111

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Articolo metodologico

Dispositivi elettrici e a campo magnetico per la stimolazione dei tessuti biologici

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DOI:

10.3791/62111

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15 maggio 2021

Juan José Saiz Culma¹^,² , Juan Felipe Escobar Huertas²^,³ , Diego Alexander Garzón-Alvarado¹^,² , Juan Jairo Vaca-Gonzalez¹^,⁴

¹Biomimetics Laboratory, Instituto de Biotecnología, Universidad Nacional de Colombia, ²Numerical Methods and Modeling Research Group (GNUM), Universidad Nacional de Colombia, ³Design, Analysis and Development of Engineering Systems Research group (GIDAD), Fundación Universitaria Los Libertadores, ⁴School of Health and Sports Sciences, Master Program in Epidemiology, Fundación Universitaria del Área Andina

In questo articolo

Sommario

Questo protocollo descrive il processo passo-passo per costruire stimolatori elettrici e magnetici utilizzati per stimolare i tessuti biologici. Il protocollo include una linea guida per simulare computazalmente campi elettrici e magnetici e la produzione di dispositivi di stimolazione.

Abstract

I campi elettrici (EFs) e i campi magnetici (IF) sono stati ampiamente utilizzati dall'ingegneria tissutale per migliorare la dinamica cellulare come la proliferazione, la migrazione, la differenziazione, la morfologia e la sintesi molecolare. Tuttavia, variabili come la forza degli stimoli e i tempi di stimolazione devono essere considerati quando si stimolano cellule, tessuti o impalcature. Dato che EFs e IF variano a seconda della risposta cellulare, non è chiaro come costruire dispositivi che generino adeguati stimoli biofisici per stimolare campioni biologici. In effetti, mancano prove relative al calcolo e alla distribuzione quando vengono applicati stimoli biofisici. Questo protocollo è focalizzato sulla progettazione e produzione di dispositivi per generare EFs e IF e sull'implementazione di una metodologia computazionale per prevedere la distribuzione di stimoli biofisici all'interno e all'esterno dei campioni biologici. Il dispositivo EF era composto da due elettrodi paralleli in acciaio inossidabile situati nella parte superiore e inferiore delle colture biologiche. Gli elettrodi erano collegati ad un oscillatore per generare tensioni (50, 100, 150 e 200 Vp-p) a 60 kHz. Il dispositivo MF era composto da una bobina, che era eccitata con un trasformatore per generare una corrente (1 A) e una tensione (6 V) a 60 Hz. Fu costruito un supporto di metacrilato polimetile per localizzare le colture biologiche al centro della bobina. La simulazione computazionale ha chiarito la distribuzione omogenea di EF e IF all'interno e all'esterno dei tessuti biologici. Questo modello computazionale è uno strumento promettente in grado di modificare parametri come tensioni, frequenze, morfologie tissutali, tipi di piastre di pozzo, elettrodi e dimensioni della bobina per stimare gli EF e gli IF per ottenere una risposta cellulare.

Introduzione

EFs e IF hanno dimostrato di modificare la dinamica cellulare, stimolando la proliferazione e aumentando la sintesi delle principali molecole associate alla matrice extracellulare dei tessuti¹. Questi stimoli biofisici possono essere applicati in diversi modi utilizzando impostazioni e dispositivi specifici. Per quanto riguarda i dispositivi per generare EF, gli stimolatori di accoppiamento diretto utilizzano elettrodi che sono a contatto con campioni biologici in vitro o impiantati direttamente nei tessuti di pazienti e animali in vivo^2; tuttavia, vi sono ancora limitazioni e carenze che includono l'insufficiente biocom....