Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Elektrische en magnetische veldapparaten voor stimulatie van biologische weefsels

4.9K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/62111

⸱

15 mei 2021

 ,  ,  , 
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 dit artikel

Samenvatting

Dit protocol beschrijft het stapsgewijze proces om zowel elektrische als magnetische stimulatoren te bouwen die worden gebruikt om biologische weefsels te stimuleren. Het protocol bevat een richtlijn voor het simuleren van computerkracht en magnetische velden en de vervaardiging van stimulatorapparaten.

Samenvatting

Elektrische velden (EFs) en magnetische velden (MFs) zijn veel gebruikt door weefseltechnologie om celdynamiek zoals proliferatie, migratie, differentiatie, morfologie en moleculaire synthese te verbeteren. Variabelen zoals prikkelsterkte en stimulatietijden moeten echter worden overwogen bij het stimuleren van cellen, weefsels of steigers. Gezien het feit dat EFs en MFs variëren afhankelijk van de cellulaire respons, blijft het onduidelijk hoe apparaten moeten worden gebouwd die voldoende biofysische stimuli genereren om biologische monsters te stimuleren. In feite is er een gebrek aan bewijs met betrekking tot de berekening en distributie wanneer biofysische stimuli worden toegepast. Dit protocol is gericht op het ontwerpen en produceren van apparaten voor het genereren van BF's en MFs en de implementatie van een computationele methodologie om de distributie van biofysische stimuli binnen en buiten biologische monsters te voorspellen. Het EF-apparaat bestond uit twee parallelle roestvrijstalen elektroden aan de boven- en onderkant van biologische culturen. Elektroden werden aangesloten op een oscillator om spanningen (50, 100, 150 en 200 Vp-p) te genereren bij 60 kHz. Het MF-apparaat bestond uit een spoel, die werd gevoed met een transformator om een stroom (1 A) en spanning (6 V) bij 60 Hz te genereren. Een polymethylmethacrylaatsteun werd gebouwd om de biologische culturen in het midden van de spoel te lokaliseren. De computationele simulatie verduidelijkte de homogene verdeling van BF's en MF's binnen en buiten biologische weefsels. Dit computationele model is een veelbelovend hulpmiddel dat parameters zoals spanningen, frequenties, weefselmorfologieën, putplaattypen, elektroden en spoelgrootte kan wijzigen om de EFs en MFs te schatten om een cellulaire respons te bereiken.

Inleiding

Het is aangetoond dat BF's en MF's de celdynamiek wijzigen, de proliferatie stimuleren en de synthese van de belangrijkste moleculen die geassocieerd zijn met de extracellulaire matrix van weefselsverhogen 1. Deze biofysische stimuli kunnen op verschillende manieren worden toegepast met behulp van specifieke instellingen en apparaten. Wat de voorzieningen voor het genereren van EFs betreft, gebruiken directe koppelingsstimulatoren elektroden die in vitro in contact komen met biologische monsters of rechtstreeks in weefsels van patiënten en dieren in vivo2worden geïmplanteerd ; er zijn echter nog steeds beperkingen en tekortkomingen die onvoldoende biocompatibiliteit omvatten door de elektroden in contact, veranderingen in de pH en moleculaire zuurstofniveaus1. Integendeel, indirecte koppelinrichtingen genereren EFs tussen twee elektroden, die parallel aan biologische monsters worden geplaatst3, waardoor een niet-invasieve alternatieve techniek biologische monsters kan stimuleren en direct contact tussen weefsels en elektroden kan worden vermeden. Dit type apparaat kan worden geëxtrapoleerd naar toekomstige klinische toepassingen om procedures uit te voeren met minimale invasie naar de patiënt. Met betrekking tot apparaten die MF's genereren, creëren inductieve koppelingsstimulatoren een tijdsverlengende elektrische stroom, die door een spoel stroomt die zich rond celculturen4,5bevindt . Ten slotte zijn er gecombineerde apparaten, die EFs en statische MF's gebruiken om tijdelijke elektromagnetische velden te genereren1. Gezien het feit dat er verschillende configuraties zijn om biologische monsters te stimuleren, is het noodzakelijk om variabelen zoals spanning en frequentie te overwegen wanneer biofysische stimuli worden toegepast. Spanning is een belangrijke variabele, omdat het het gedrag van biologische weefsels beïnvloedt; zo is bijvoorbeeld aangetoond dat celmigratie, oriëntatie en genexpressie afhankelijk zijn van de amplitude van toegepaste spanning3,6,7,8,9,10. Frequentie speelt een belangrijke rol bij biofysische stimulatie, omdat is aangetoond dat deze van nature in vivo voorkomen. Het is aangetoond dat hoge en lage frequenties gunstige effecten hebben op cellen; vooral in celmembraan spanning-gated calcium kanalen of endoplasmatisch reticulum, die verschillende signalering-paden activeren op intracellulair niveau1,7,11.

Volgens het bovenstaande bestaat een apparaat voor het genereren van EFs uit een spanningsgenerator die is aangesloten op twee parallelle condensatoren12. Dit apparaat werd geïmplementeerd door Armstrong et al. om zowel de proliferatieve snelheid als de moleculaire synthese van chondrocyten13te stimuleren. Een aanpassing van dit apparaat werd uitgevoerd door Brighton et al. die de putplaten van de celcultuur wijzigden door hun boven- en onderdeksels te boren. Gaten werden opgevuld door afdekglaasjes, waar de onderste glazen werden gebruikt om biologische weefsels te gekweekt. Op elke afdekschuif werden elektroden geplaatst om BF's te genereren14. Dit apparaat werd gebruikt om chondrocyten, osteoblasten en kraakbeen explants elektrisch te stimuleren, wat een toename van celproliferatie14,15, 16 en moleculairesynthese 3,17laat zien. Het door Hartig et al. ontworpen apparaat bestond uit een golfgenerator en een spanningsversterker, die waren aangesloten op parallelle condensatoren. Elektroden werden gemaakt van hoogwaardig roestvrij staal in een isolerende behuizing. Het apparaat werd gebruikt om osteoblasten te stimuleren, wat een significante toename van proliferatie en eiwitafscheidingaantoont 18. Het apparaat dat kim et al. gebruikten, bestond uit een bifasische stroomstimulatorchip, die werd gebouwd met behulp van een productieproces van complementaire halfgeleiders van hoogspanningsmetaaloxide. Een kweekputplaat is ontworpen om cellen te kweeken over een geleidend oppervlak met elektrische stimulatie. De elektroden werden bedekt in goud over siliciumplaten19. Dit apparaat werd gebruikt om osteoblasten te stimuleren, wat een toename van de proliferatie en de synthese van de vasculaire endotheelgroeifactor19laat zien en de productie van alkalische fosfataseactiviteit, calciumafzetting en botmorfogene eiwitten stimuleert20. Evenzo werd dit apparaat gebruikt om de proliferatieve snelheid en expressie van vasculaire endotheelgroeifactor van menselijke beenmerg mesenchymale stamcellen te stimuleren21. Het door Nakasuji et al. ontworpen apparaat bestond uit een spanningsgenerator die was aangesloten op platinaplaten. Elektroden werden gebouwd om het elektrische potentieel op 24 verschillende punten te meten. Dit apparaat werd gebruikt om chondrocyten te stimuleren, waaruit bleek dat EFs de celmorfologie niet veranderde en de proliferatie en moleculaire synthese verhoogde22. Het apparaat dat Au et al. gebruikte bestond uit een glazen kamer uitgerust met twee koolstofstaven verbonden met een hartstimulator met platinadraden. Deze stimulator werd gebruikt om cardiomyocyten en fibroblasten te stimuleren, waardoor de celverlenging en fibroblastuitlijningwerden verbeterd 23.

Verschillende MF-apparaten zijn vervaardigd op basis van Helmholtz-spoelen om verschillende soorten biologische monsters te stimuleren. Helmholtz-spoelen zijn bijvoorbeeld gebruikt om proliferatie en moleculaire synthese van chondrocyten24,25te stimuleren, proteoglycaanse synthese van articulaire kraakbeen explants26te verbeteren, genopregulatie met betrekking tot botvorming van osteoblastachtige cellen27te verbeteren en proliferatie en moleculaire expressie van endotheelcellen te verhogen28. Helmholtz-spoelen genereren MFs in twee spoelen die zich voor elkaar bevinden. De spoelen moeten worden geplaatst met een afstand gelijk aan de straal van de spoelen om een homogene MF te garanderen. Het nadeel van het gebruik van Helmholtz-spoelen ligt in de spoelafmetingen, omdat ze groot genoeg moeten zijn om de vereiste MF-intensiteit te genereren. Bovendien moet de afstand tussen spoelen voldoende zijn om een homogene verdeling van MF's rond biologische weefsels te waarborgen. Om problemen veroorzaakt door Helmholtz-spoelen te voorkomen, zijn verschillende studies gericht op de productie van magneetspoelen. Solenoïde spoelen zijn gebaseerd op een buis, die is gewikkeld met koperdraad om MFs te genereren. Koperdraadingangen kunnen rechtstreeks op het stopcontact of een voeding worden aangesloten om de spoel van stroom te voorzien en MFs in het midden van de solenoïde te maken. Hoe meer bochten de spoel heeft, hoe groter de gegenereerde MF. De MF-magnitude is ook afhankelijk van de spanning en stroom die wordt toegepast om de spoel29te activeren. Solenoïde spoelen zijn gebruikt om magnetisch verschillende soorten cellen zoals HeLa, HEK293 en MCF730 of mesenchymale stamcellen31te stimuleren.

Apparaten die door verschillende auteurs worden gebruikt, hebben noch de voldoende grootte van de elektroden, noch de juiste lengte van de spoel in aanmerking genomen om zowel EF's als MF's homogeen te verdelen. Bovendien genereren apparaten vaste spanningen en frequenties, waardoor het gebruik ervan wordt beperkt om specifieke biologische weefsels te stimuleren. Om deze reden wordt in dit protocol een computationele simulatierichtlijn uitgevoerd om zowel capacitieve systemen als spoelen te simuleren om een homogene verdeling van EFs en MFs over biologische monsters te garanderen, waardoor het randeffect wordt vermeden. Bovendien wordt aangetoond dat het ontwerp van elektronische circuits spanningen en frequentie tussen de elektroden en de spoel genereert, waardoor EFs en MFs ontstaan die beperkingen zullen overwinnen die worden veroorzaakt door impedantie van celkweekputplaten en lucht. Deze modificaties zullen de creatie van niet-invasieve en adaptieve bioreactoren mogelijk maken om elk biologisch weefsel te stimuleren.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. Simulatie van EFs en MFs

OPMERKING: Simulatie van EFs en MFs werd uitgevoerd in COMSOL Multiphysics.

  1. Selecteer een asymmetrische 2D-configuratie om beide domeinen elektrisch en magnetisch weer te geven.
  2. Selecteer in de fysicaconfiguratie de interface Electric Current om EFs in parallelle elektroden te berekenen of de Magnetic Field-interface om MFs rond spoelen te berekenen.
  3. Selecteer in de studieconfiguratie Frequentiedomein om de respons te berekenen van een lineair of lineair model dat wordt onderworpen aan harmonische excitatie voor een of meer frequenties.
  4. Eenmaal in de interface om te beginnen met het bouwen van het model, volgt u de volgende stappen volgens het model van de interesse.
    1. Een model voor EFs bouwen
      1. Geometrieën maken. Selecteer geometriein de modelbouwer. Zoek vervolgens de sectie Eenheden en kies mm. Selecteer opde werkbalk Geometrie de optie Rechthoek en typ de afmetingen van elk onderdeel in het vak Grootte en vorm van de instellingen van het rechthoekvenster . De geometrie bestaat uit lucht, twee parallelle elektroden, een kweekputplaat, kweekmedia en een biologisch monster, dat in dit geval wordt vertegenwoordigd door een steiger van hyaluronzuur - gelatinehydrogel (zie afmetingen van elk element in tabel 1). Zodra alle geometrieën zijn gemaakt, klikt u op Alle objecten bouwen.
      2. Selecties maken. Klik op de werkbalk Definitiesop Expliciet om een selectie voor het metaaldomein te maken. Selecteer de geometrieën die de elektroden vertegenwoordigen. Klik daarna met de rechtermuisknop op Expliciet 1 om de naam ervan te wijzigen. Typ Metaal in het nieuwe labeltekstveld.
        1. Klik daarentegen op de werkbalk Definitiesop Aanvullen. Zoek de sectie Invoerentiteiten in het venster Aanvullingsinstellingen. Klik vervolgens onder Selecties om te keren op Metaal toevoegen en selecteer in de selecties om de lijst om te keren in het dialoogvenster Toevoegen. Klik daarna met de rechtermuisknop in Complement 1 om de naam ervan te wijzigen. Typ Modeldomein in het nieuwe labeltekstveld.
      3. Creëer grenzen. Klik expliciet op de werkbalk Definities. Zoek vervolgens de sectie Invoerentiteiten in het venster Instellingen voor Expliciet en kies grens in de lijst Geometrisch entiteitsniveau. Selecteer hier alle grenzen voor de onderste elektrode. Klik met de rechtermuisknop op Expliciet 2 om de naam ervan te wijzigen. Typ Grondgrenzen in het nieuwe labeltekstveld. Herhaal deze stappen, maar selecteer alle grenzen voor de bovenste elektrode. Klik daarna met de rechtermuisknop op Expliciet 3 om de naam ervan te wijzigen. Typ Terminalgrenzen in het nieuwe labeltekstveld.
      4. Voeg elektrische stromen toe. Klik in het venster Modelbouwer onder Component 1 op Elektrische stromen (ec). Zoek vervolgens de sectie Domeinselectie in het venster Instellingen voor elektrische stromen. Kies modeldomein in de selectielijst. Klik op de werkbalk Natuurkundeop Grenzen en kies Grond. Zoek daarna de sectie Grensselectie in het venster Grondinstellingen en kies Grondgrenzen in de selectielijst.
        1. Klik daarna op Grenzen en kies Terminal op de werkbalk Natuurkunde. Zoek ten slotte de sectie Grensselectie in het venster Terminalinstellingen en kies Terminalgrenzen in de selectielijst. zoek hier het terminalgedeelte en kies Spanning in de terminallijst en typ 100 V.
      5. Voeg materialen toe. Klik op Materiaal toevoegen op de werkbalk Start om het venster Materiaal toevoegen te openen. Zoek lucht en roestvrij staal en voeg ze toe aan het venster Modelbouwer. Klik vervolgens op Leeg materiaal op de werkbalk Start en voeg drie nieuwe lege materialen toe voor cultuurmedia, steiger (hydrogel) en polystyreen (kweekputplaat).
      6. Selecteer een leeg materiaal om de diëlektrische eigenschappen toe te wijzen. Zoek de lijst Materiaaleigenschappen in het venster Materiaalinstellingen en selecteer relatieve permittiviteit en elektrische geleidbaarheid in de lijst met basiseigenschappen. De diëlektrische eigenschappen voor cultuurmedia, hydrogel en kweekputplaat zijn in tabel 2. Herhaal deze procedure voor alle lege materialen.
      7. Wijs elk materiaal toe aan de eerder gebouwde geometrieën. Selecteer het luchtmateriaal uit het venster Modelbouwer; selecteer vervolgens de domeinen die overeenkomen met lucht in het venster Afbeelding. Herhaal deze stap voor alle gemaakte materialen. Zorg ervoor dat elk domein overeenkomt met het juiste materiaal. Om ervoor te zorgen dat alle materialen correct zijn toegewezen, klikt u op elk materiaal uit het venster Modelbouwer en ziet u of de domeinen blauw zijn gemarkeerd in het venster Afbeelding.
      8. Bouw gaas. Klik met de rechtermuisknop op Mesh 1 in het venster Modelbouwer en selecteer Vrij driehoekig. Herhaal deze stap door Groottete selecteren. Selecteer in het venster Meshinstelling mesh die door de gebruiker wordt beheerd in de lijst Reekstype. Vouw vervolgens de meshopties uit in het venster Modelbouwer en klik op Grootte.
      9. Zoek parameters voor elementgrootte in het venster Grootte-instelling en typ 1 mm voor maximale elementgrootte, 0,002 mm voor minimale elementgrootte, 1,1 voor maximale artikelgroeisnelheid, 0,2 voor krommingsfactor en 1 voor resolutie van smalle gebieden. Vouw vervolgens de meshopties uit in het venster Modelbouwer en klik op Driehoekig vrij 1. Selecteer hier alle domeinen die moeten worden meshed. Klik ten slotte op Alles bouwen in het venster Mesh-instelling.
      10. Maak studie. Klik op Studie 1 in het venster Modelbouwer. Zoek vervolgens de sectie Studie-instellingen in het venster Studie-instellingen en schakel het selectievakje Standaardplots genereren uit. Vouw het knooppunt Studie 1 uit in het venster Modelbouwer en klik op Stap 1: Frequentiedomein. Zoek ten slotte de sectie Studie-instellingen in het venster Frequentiedomeininstellingen en typ 60 kHz in het tekstveld Frequenties.
      11. Bereken de studie. Klik op Standaardoplosser weergeven op de werkbalk Studie. Vouw vervolgens het knooppunt Study 1 Solver Configurations uit in het venster Model Builder. Vouw het knooppunt Solution 1 (sol1) uit in het venster Modelbouwer; klik daarna op Stationaire oplosser 1 in het venster Stationaire oplosserinstellingen en zoek de sectie Algemeen en typ 1e-6 in het tekstveld Relatieve tolerantie. Klik ten slotte op Berekenen op de werkbalk Studie.
      12. Plot resultaten. Selecteer de sectie Resultaten op de werkbalk Start en voeg 2D-plotgroep toe. Klik vervolgens met de rechtermuisknop op 2D Plot Group 1 in het venster Modelbouwer en kies Surface. Zoek vervolgens de sectie Gegevens in het venster Oppervlakte-instellingen en selecteer Precursor. Zoek daarna de sectie Expressie in het venster Oppervlakte-instellingen. klik hier op het plusteken (+) om een nieuw venster te openen en zoek de volgroute uit de selectielijst (Model - Component 1 - Electric Currents - Electric). Selecteer hier ec.normE - EF Norm. Klik ten slotte op Afbeelding in het venster Oppervlakte-instellingen om de resultaten te plotten.
    2. Een model bouwen voor MFs
      1. Geometrieën maken. Selecteer geometriein de modelbouwer; zoek vervolgens de sectie Eenheden en kies mm. Selecteer op de werkbalk Geometrie Rechthoek en typ de afmetingen van elk onderdeel in het vak Grootte en vorm van de vensterinstellingen voor rechthoeken . De geometrie bestaat uit lucht en kuiper (zie afmetingen van elk element in tabel 1). Zodra alle geometrieën zijn gemaakt, klikt u op Alle objecten bouwen.
      2. Voeg materialen toe. Klik op Materiaal toevoegen op de werkbalk Start om het venster Materiaal toevoegen te openen. Zoek lucht en koper en voeg ze toe aan het venster Modelbouwer. De diëlektrische eigenschappen voor koper zijn in tabel 2.
      3. Creëer grenzen. Klik op Magnetisch veld in het venster Modelbouwer. Zoek hier de vergelijkingslijst in het venster Instellingen voor magnetische velden en kies Frequentiedomeinvergelijking in de lijst Vergelijkingsformulier. Kies in frequentielijst Uit oplosser. Zoek daarna de wet van Ampère op de lijst met magnetische velden in het venster Modelbouwer. In het type 293.15[K] in Temperatuur, 1[atm] in Absolute Druk uit de lijst van het Input Model. Kies vervolgens Volume in de lijst Materiaaltype in het venster Wetsinstellingen van Ampère. Zorg ervoor dat de elektrische geleidbaarheid, relatieve permittiviteit en relatieve permeabiliteit overeenkomen met het van-materiaal in de lijst.
      4. Zoek axiale symmetrie in de lijst magnetisch veld in het venster Modelbouwer. Zorg ervoor dat de axiale symmetrielijn is gemarkeerd in zowel de lijst Grensselectie als het grafische venster. Zoek vervolgens Magnetische isolatie in de lijst Magnetisch veld in het venster Modelbouwer. Zorg ervoor dat grenzen van de geometrie zijn gemarkeerd in zowel de lijst Met selectie van grenzen als het venster Afbeelding.
      5. Zoek beginwaarden in de lijst Magnetisch veld in het venster Modelbouwer. Selecteer geometrieën die eerder zijn gemaakt en neem ze op in de domeinselectie in het venster Instellingen voor beginwaarden.
      6. Introduceer spoelfuncties. Zoek Meerdere spoel in de lijst Magnetisch veld in het venster Modelbouwer. Hier selecteert u de geometrie die de spoel vertegenwoordigt en neem u deze op in de domeinselectie in het venster Meerdere spoelinstellingen.
      7. Zoek de lijst Meerdere spoels in het venster Instelling meerdere spoelen; hier, zoek Coil excitation list en selecteer Current; daarna, type 1[A] in de coil current list, 450 in het aantal bochten en 6e7[S/m] in de coil geleidbaarheid.
      8. Zoek het dwarsdoorsnedegebied van de spoeldraad en kies de Noord-Amerikaanse kabeldiameter (Bruin & Scherp) in de lijst en typ 18 in de optie AWG. Zorg ervoor dat relatieve permittiviteit en relatieve permeabiliteit overeenkomen met van materiaal in de lijst.
      9. Bouw gaas. Selecteer in het venster Mesh-instelling mesh die wordt beheerd door de fysica in de lijst Sequentietype. Zoek vervolgens parameters voor elementgrootte in het venster Mesh-instelling en selecteer Extreem fijn. Selecteer ten slotte alle domeinen die u wilt meshen en klik op Alles bouwen in het venster Mesh-instelling.
      10. Maak studie. Klik op Studie 1 in het venster Modelbouwer. Zoek vervolgens de sectie Studie-instellingen in het venster Studie-instellingen en schakel het selectievakje Standaardplots genereren uit. Vouw het knooppunt Studie 1 uit in het venster Modelbouwer en klik op Stap 2: Frequentiedomein. Zoek ten slotte de sectie Studie-instellingen in het venster Frequentiedomeininstellingen en typ 60 Hz in het tekstveld Frequenties.
      11. Bereken de studie. Klik op Standaardoplosser weergeven op de werkbalk Studie. Vouw vervolgens het knooppunt Study 1 Solver Configurations uit in het venster Model Builder. Vouw het knooppunt Solution 1 (sol1) uit in het venster Modelbouwer; klik daarna op Stationaire oplosser 1 in het venster Stationaire oplosserinstellingen en zoek de sectie Algemeen en typ 1e-6 in het tekstveld Relatieve tolerantie. Klik ten slotte op Berekenen op de werkbalk Studie.
      12. Plot resultaten. Selecteer de sectie Resultaten op de werkbalk Start en voeg 2D-plotgroep toe. Klik vervolgens met de rechtermuisknop op 2D Plot Group 1 in het venster Modelbouwer en kies Surface. Zoek vervolgens de sectie Gegevens in het venster Oppervlakte-instellingen en selecteer Precursor.
      13. Zoek de sectie Expressie in het venster Oppervlakte-instellingen. Klik hier op het plusteken (+) om een nieuw venster te openen en zoek de volgende route uit de selectielijst (Model - Component 1 - Magnetisch veld - Magnetisch). Selecteer hier mf.normB - Magnetic flux density Norm. Klik ten slotte op Afbeelding in het venster Oppervlakte-instellingen om de resultaten te plotten.

2. Ontwerp en productie van de elektrische en magnetische stimulatie-apparaten

  1. Het elektrische stimulatorapparaat
    OPMERKING: Het is samengesteld door een circuit op basis van de Wien Bridge Oscillator en twee parallelle roestvrijstalen elektroden. Het circuit is een RC oscillator van faseverschuiving, die een positieve en negatieve feedback gebruikt. De Wien Bridge Oscillator bestaat uit een lead-lag netwerk, dat de ingangsspanning verdeelt door de combinatie van twee armen van de brug: een weerstand R5 met een condensator C2 in serie, en een weerstand R6 met een condensator C3 parallel (Figuur 1A). Deze componenten moduleren de frequentie van de oscillator. Volg de volgende stappen om het elektrische stimulatorapparaat te bouwen:
    1. Bereken de frequentie met behulp van de resonantiefrequentievergelijking (1).
      figure-protocol-1
      Waarbij R = R5 = R6 weerstanden zijn en C = C2 = C3 condensatoren. Zowel R als C zijn in de twee armen van de brug geplaatst (figuur 1A). Gebruik R5 = R6 = 2,6 kΩ en C2 = C3 = 1 nF om een frequentie van 60 kHz te verkrijgen. Weerstanden en condensatoren kunnen worden berekend als een andere frequentie vereist is.
    2. Ontwerp het circuit zodanig dat de spanningstoename van de versterker automatisch de amplitudeveranderingen van het uitgangssignaal compenseert. In figuur 1A is het mogelijk om het schema van het circuit te observeren, terwijl in de sectie Tabel met materialen de elektronische componenten worden vermeld om het circuit te bouwen.
    3. Bereken de combinatie van weerstanden om de vier uitgangsspanningen te genereren. Zoals weergegeven in figuur 1A, gebruikt u een combinatie van weerstanden R11, R12, R13 en R14 (equivalente weerstand van 154 Ω) om een spanning van 50 Vp-p te genereren; weerstanden R17, R18 en R19 in serie (equivalente weerstand van 47,3 Ω) om een spanning van 100 Vp-p te verkrijgen; weerstanden R9 en R10 in serie (equivalente weerstand van 25,3 Ω) om een spanning van 150 Vp-p te genereren; en een combinatie van weerstanden R15 en R16 (equivalente weerstand van 16,8 Ω) om een spanning van 200 Vp-p te verkrijgen.
    4. Gebruik een transistor (TIP 31C) en een ferrietkerntransformator om een signaalversterkingsfase te implementeren. Een ringvormige ferrietkern werd gebruikt om een AWG 24 koperdraad op te winden, die een relatie 1:200 voltooide. Gebruik twee condensatoren (C4 en C5) van 100 nF parallel voor de transformator om het signaal te corrigeren (figuur 1A).
    5. Bereid de PCB voor met behulp van een PCB-productieservice van derden. Het schematische schema van het circuit is opgenomen in figuur 1. Plaats alle componenten op de PRINTPLAAT met antistatisch pincet. Gebruik tinsoldeer en soldeerbout om alle componenten te solderen.
    6. Maak een plastic behuizing met ingangsconnectoren om het circuit te beschermen. Gebruik drie ingangsconnectoren om het circuit (12 V, -12 V en massa) van stroom te maken. Gebruik twee ingangsconnectoren om de elektroden aan te sluiten. Voeg drie schakelaars toe om de combinatie van weerstanden te wijzigen om de vier uitgangsspanningen te verkrijgen. Monteer het elektronische circuit in de plastic behuizing (figuur 1B).
    7. Produceer twee parallelle roestvrijstalen elektroden (200 x 400 x 2 mm) en soldeeringangsconnectoren aan elke rand. De elektroden bevinden zich boven Teflon- of acrylsteunen om elk contact met het metalen oppervlak van de incubator te elimineren (figuur 1C).
    8. Gebruik een autoclaaf bij 394,15 K (121 °C) gedurende 30 minuten om de elektroden te steriliseren en gebruik ultraviolet 's nachts om de draden te steriliseren die in contact komen met de incubator.
    9. Test het elektrische stimulatieapparaat. Stel de voeding in serie in om een uitgangsspanning van +12 V en -12 V tussen de grond en positieve en negatieve klemmen te genereren. Controleer de uitgangsspanning van de voeding met een multimeter. Sluit elke uitgang van de voeding aan op de juiste ingang van de elektrische stimulator (+12 V, -12 V en massa). Sluit elke elektrode aan op de juiste ingangsconnector van de elektrische stimulator. De polariteit is niet belangrijk, omdat we werken aan wisselstroom. Plaats een kweekputplaat tussen de elektroden en controleer het uitgangssignaal met een oscilloscoop. Stel de schakelaars van de elektrische stimulator in om de vier uitgangsspanningen (50, 100, 150 en 200 Vp-p) te genereren.
    10. Veiligheidsaanbevelingen. Om problemen bij het overbrengen of verwijderen van de elektroden uit de incubator te voorkomen, moet u ervoor zorgen dat de kabels niet in de war raken. Koppel kabels los van de oscillator voordat u de elektroden uit de incubator verwijdert. Plaats de elektroden nooit zonder de acryl- of Teflon-steunen.
  2. Het magnetische stimulatorapparaat
    1. Schat het aantal omwentelingen om een homogene MF in de spoel te garanderen met behulp van de vergelijking (2), die de MF in een magneetspoel beschrijft.
      figure-protocol-2
      waarbij μ0 de magnetische doorlaatbaarheid van het vacuüm is (4π×10-7),N het aantal omwentelingen van de koperdraad is, ik de stroom en h, die groter moet zijn dan de diameter, is de lengte van de magneetspoel.
    2. Bepaal het aantal omwentelingen door een lengte (h) van 250 mm, stroom van 1 A en een Bint = 2mT tekiezen.
    3. Maak de spoel. Bouw een polyvinylchloride (PVC) buis met een lengte van 250 mm en een diameter van 84 mm om een AWG 18 koperdraad te winden die 450 omwentelingen voltooit (Figuur 2A). De afmetingen werden gekozen op basis van de beschikbare ruimte in de incubator.
    4. Vervaardiging van een cel cultuur goed-plaat ondersteuning. Bouw een polymethylmethacrylaat (PMMA) ondersteuning om ervoor te zorgen dat putplaten van 35 mm zich altijd in het midden van de spoel bevinden waar MF's homogeen zijn (figuur 2A).
    5. Maak een transformator om de stroom van het circuit te verhogen. Bouw een transformator met een vermogen van 1 A - 6 V AC om een maximale MF van 2 mT te bereiken. De ingangsspanning van de transformator was 110 V AC bij 60 Hz. Deze parameters komen overeen met de uitgangsspanning en frequentie van een Zuid-Amerika stopcontact.
    6. Sluit het circuit aan. De transformator wordt rechtstreeks op het stopcontact aangesloten. Gebruik een variabele weerstand (rheostat) om de stroom te variëren en MF's van 1 tot 2 mT te genereren. Sluit een zekering aan om het circuit te beschermen (Afbeelding 2B).
    7. Gebruik ultraviolet 's nachts om de draden te steriliseren die in contact komen met de incubator. Wikkel de spoel in met transparante stretchfolie en gebruik ethanol om de spoel te steriliseren.
    8. Test het MF-apparaat. Gebruik een teslameter om de MF-magnitude in de spoel te meten. De teslametersonde bevond zich in het midden van de spoel, waardoor MF's en stromen tegelijkertijd konden worden gemeten.
    9. Varieer de MF-magnitude. Gebruik een rheostat om de weerstand van het circuit te wijzigen (Figuur 2B). Een weerstandswaarde van 0,7 Ω werd gebruikt om MF's van 1 mT te genereren.
    10. Veiligheidsaanbevelingen. Om problemen bij het overbrengen of verwijderen van de magneet uit de incubator te voorkomen, moet u ervoor zorgen dat kabels niet in de war raken. Koppel kabels los van de transformator voordat u de magneet uit de incubator haalt. Plaats de solenoïde nooit zonder de PMMA-ondersteuning. Pak zowel de PMMA-steun vanaf de basis als de solenoïde stevig vast bij het overbrengen of verwijderen uit de incubator.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Computationele simulatie
De verdelingen van EFs en MF 's zijn weergegeven in figuur 3. Enerzijds was het mogelijk de homogene verdeling van EFs in het capacitieve systeem waar te nemen (figuur 3A). De EF werd uitgezet om de grootte van het veld in het biologische monster in detail te observeren (figuur 3B). Deze simulatie was nuttig om de grootte van de elektroden te parametriseren en te vervaardigen om het rande...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Behandelingen die worden gebruikt om verschillende pathologieën te genezen die menselijke weefsels aantasten, zijn farmacologische therapieën32 of chirurgische ingrepen33, die proberen pijn lokaal te verlichten of aangetaste weefsels te vervangen door explants of transplantaties. Onlangs is autologe celtherapie voorgesteld als een alternatieve therapie voor de behandeling van gewonde weefsels, waarbij cellen worden geïsoleerd van de patiënt en worden uitgebreid, door middel...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs verklaren dat ze geen belangenverstrengeling hebben.

Dankbetuigingen

De auteurs danken de financiële steun van "Fondo Nacional de Financiamiento para la Ciencia, la Tecnología, y la Innovación -Fondo Francisco José de Caldas- Minciencias" en Universidad Nacional de Colombia via de subsidie nr. 80740-290-2020 en de steun die Valteam Tech - Research and Innovation ontvangt voor het leveren van de apparatuur en technische ondersteuning in de editie van de video.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Elektrische stimulator
Operationele versterkerMotorolaLF-353N----
Aantal: 1
Weerstanden--------22 kΩ
Aantal: 1
Weerstanden--------10 kΩ
Aantal: 3
Weerstanden--------2.6 kΩ
Aantal: 2
Weerstanden--------2.2 kΩ
Aantal: 1
Weerstanden--------1 kΩ
Aantal: 1
Weerstanden--------220 Ω
Aantal: 2
Weerstanden--------22 Ω
Aantal: 5
Weerstanden--------10 Ω
Aantal: 1
Weerstanden--------6.8 Ω
Aantal: 1
Weerstanden--------3.3 Ω
Aantal: 2
Polyester condensatoren--------1 nF
Aantal: 2
Polyester condensatoren--------100 nF
Aantal: 1
VHF Bandversterker Transistor JFETToshiba2SK161----
Aantal: 1
Vermogen transistor BJT NPNMospecTIP 31C----
Aantal: 1
Zener diodeMicrosemi1N4148----
Aantal: 1
SchakelaarToogle SwitchSPDT - T13----
Aantal: 3
Toroïdale ferrietkernCaracol----T*22*14*8
Aantal: 1
KoperdraadGreenshine----AWG – 24
Aantal: 1
Relimate header met vrouwelijk behuizingADAFRUIT----8 pins connectoren
Aantal: 1
Relimate header met vrouwelijk behuizingADAFRUIT----2 pins connectoren
Aantal: 1
Vrouwelijke plug-aansluitconnectorJIALUN----4mm lantaarnpluggen (stekker + contactdoos) 15 A
Aantal: 1
Aluminium warmtegeleiderAWIND----Voor TIP 31C transistor
Aantal: 1
LedCHANZON----5 mm rood
Aantal: 1
Geïntegreerde circuit socket connectorTe Electronics Co., Ltd.----Dubbele rij 8-pin DIP
Aantal: 1
Set van 3-pins connectorenSTAR----JST PH 2.0
Aantal: 3
2-pins schroefconnectorenSTAR----Voor PCB
Aantal: 1
3-pins schroefconnectorenSTAR----Voor PCB
Aantal: 1
Banaan connector testleidingJIALUN----P1041 - 4 mm - 15 A
Aantal: 7
Bullet connectoren naar banaan plug laadkabelJIALUN----4 mm mannelijk-mannelijk/vrouwelijk-vrouwelijk adapters - 15 A
Aantal: 1
Koffer--------ABS
Aantal: 1
Elektroden--------Roestvrij staal
Aantal: 2
Elektrode ondersteuning--------Teflon
Aantal: 2
PrintplaatAantal: 1
Magnetische stimulator
KoperdraadGreenshine----AWG – 18
Aantal: 1
AC-voedingsstekkers--------120 V AC – 60 Hz
Aantal: 1
Banaan vrouwelijke connector testleidingJIALUN----1Set Dual Injection - 4 mm – 15 A
Aantal: 2
Banaan mannelijke connector testleidingJIALUN----1Set Dual Injection - 4 mm 15 A
Aantal: 1
Celcultuur plaatondersteuning--------PMMA
Aantal: 1
ZekeringBussmann2A----
Aantal: 1
Transformator--------1A – 6 V AC
Aantal: 1
Buis--------PVC
Aantal: 1
Variabele reostaatMCPBXS15010 Ω
Aantal: 1
Algemein materieel
Digitale dubbele bron PeakTechDG 1022Z2 x 0 - 30 V / 0 - 5 A CC / 5 V / 3 A fijo
Aantal: 1
Digitaal oscilloscoopRigolDS1104Z Plus100 MHz, bandbreedte, 4 kanalen
Aantal: 1
Digitaal multimeterFlukeF179Spanning CC – CA (1000 V). Stroom CC – CA 10 A. Frequentie 100 kHz
Aantal: 1

Referenties

  1. Balint, R., Cassidy, N. J., Cartmell, S. H. Electrical Stimulation: A Novel Tool for Tissue Engineering. Tissue Engineering Part B: Reviews. 19 (1), 48-57 (2013).
  2. Ercan, B., Webster, T. J. The effect of biphasic electrical stimulation on osteoblast function at anodized nanotubular titanium surfaces. Biomaterials. 31 (13), 3684-3693 (2010).
  3. Brighton, C., Wang, W., Clark, C. The effect of electrical fields on gene and protein expression in human osteoarthritic cartilage explants. The Journal of Bone and Joint Surgery-American. 90 (4), 833-848 (2008).
  4. Baerov, R. M., Morega, A. M., Morega, M. Analysis of magnetotherapy effects for post-traumatic recovery of limb fractures. Revue Roumaine des Sciences Techniques- Série électrotechnique et énergétique. 65 (1-2), 145-150 (2020).
  5. Escobar, J. F., et al. In Vitro Evaluation of the Effect of Stimulation with Magnetic Fields on Chondrocytes. Bioelectromagnetics. 41 (1), 41-51 (2019).
  6. Brighton, C., Wang, W., Clark, C. Up-regulation of matrix in bovine articular cartilage explants by electric fields. Biochemical and Biophysical Research Communications. 342 (2), 556-561 (2006).
  7. Xu, J., Wang, W., Clark, C., Brighton, C. Signal transduction in electrically stimulated articular chondrocytes involves translocation of extracellular calcium through voltage-gated channels. Osteoarthritis and Cartilage. 17 (3), 397-405 (2009).
  8. Xia, Y., et al. Magnetic field and nano-scaffolds with stem cells to enhance bone regeneration. Biomaterials. 183, 151-170 (2018).
  9. Richter, A., Bartoš, M., Ferková, Ž Physical Analysis of Pulse Low-Dynamic Magnetic Field Applied in Physiotherapy BT. World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering 2018. , 239-245 (2019).
  10. Miyakoshi, J. Effects of static magnetic fields at the cellular level. Progress in Biophysics and Molecular Biology. 87, 213-223 (2005).
  11. Zhang, K., Guo, J., Ge, Z., Zhang, J. Nanosecond Pulsed Electric Fields (nsPEFs) Regulate Phenotypes of Chondrocytes through Wnt/β-catenin Signaling Pathway. Scientific Reports. 4 (5836), 1-8 (2014).
  12. Brighton, C. T., Unger, A. S., Stambough, J. L. In vitro growth of bovine articular cartilage chondrocytes in various capacitively coupled electrical fields. Journal of Orthopaedic Research. 2 (1), 15-22 (1984).
  13. Armstrong, P. F., Brighton, C., Star, A. M. Capacitively coupled electrical stimulation of bovine growth plate chondrocytes grown in pellet form. Journal of Orthopaedic Research. 6 (2), 265-271 (1988).
  14. Brighton, C., Townsend, P. Increased cAMP production after short-term capacitively coupled stimulation in bovine growth plate chondrocytes. Journal of Orthopaedic Research. 6 (4), 552-558 (1988).
  15. Brighton, C. T., Jensen, L., Pollack, S. R., Tolin, B. S., Clark, C. Proliferative and synthetic response of bovine growth plate chondrocytes to various capacitively coupled electrical fields. Journal of Orthopaedic Research. 7 (5), 759-765 (1989).
  16. Brighton, C. T., Okereke, E., Pollack, S. R., Clark, C. In vitro bone-cell response to a capacitively coupled electrical field. The role of field strength, pulse pattern, and duty cycle. Clinical Orthopaedics and Related Research. 285, 255-262 (1992).
  17. Wang, W., Wang, Z., Zhang, G., Clark, C., Brighton, C. T. Up-regulation of chondrocyte matrix genes and products by electric fields. Clinical Orthopaedics and Related Research. 427, 163-173 (2004).
  18. Hartig, M., Joos, U., Wiesmann, H. P. Capacitively coupled electric fields accelerate proliferation of osteoblast-like primary cells and increase bone extracellular matrix formation in vitro. European Biophysics Journal. 29 (7), 499-506 (2000).
  19. Kim, I. S., et al. Biphasic electric current stimulates proliferation and induces VEGF production in osteoblasts. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research. 1763 (9), 907-916 (2006).
  20. Kim, I., et al. Novel Effect of Biphasic Electric Current on In Vitro Osteogenesis and Cytokine Production in Human Mesenchymal Stromal Cells. Tissue Engineering Part A. 15, 2411-2422 (2009).
  21. Kim, I., et al. Novel action of biphasic electric current in vitro osteogenesis of human bone marrow mesenchymal stromal cells coupled with VEGF production. Bone. 43, 43-44 (2008).
  22. Nakasuji, S., Morita, Y., Tanaka, K., Tanaka, T., Nakamachi, E. Effect of pulse electric field stimulation on chondrocytes. Asian Pacific Conference for Materials and Mechanics. 1, Yokohama, Japan. 13-16 (2009).
  23. Au, H. T. H., Cheng, I., Chowdhury, M. F., Radisic, M. Interactive effects of surface topography and pulsatile electrical field stimulation on orientation and elongation of fibroblasts and cardiomyocytes. Biomaterials. 28 (29), 4277-4293 (2007).
  24. Vanessa, N., et al. In vitro exposure of human chondrocytes to pulsed electromagnetic fields. European Journal of Histochemistry. 51 (3), 203-211 (2007).
  25. Pezzetti, F., et al. Effects of pulsed electromagnetic fields on human chondrocytes: An in vitro study. Calcified Tissue International. 65 (5), 396-401 (1999).
  26. De Mattei, M., et al. Effects of electromagnetic fields on proteoglycan metabolism of bovine articular cartilage explants. Connective Tissue Research. 44 (3-4), 154-159 (2003).
  27. Sollazzo, V., Massari, L., Caruso, A., Mattei, M., Pezzetti, F. Effects of Low-Frequency Pulsed Electromagnetic Fields on Human Osteoblast-Like Cells In Wtro. Electromagnetobiology. 15, 75-83 (2009).
  28. Martino, C. F., Perea, H., Hopfner, U., Ferguson, V. L., Wintermantel, E. Effects of weak static magnetic fields on endothelial cells. Bioelectromagnetics. 31 (4), 296-301 (2010).
  29. Wada, K., et al. Design and implementation of multi-frequency magnetic field generator producing sinusoidal current waveform for biological researches. 2016 18th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'16 ECCE Europe). 2016, 1-8 (2016).
  30. Cho, H., Kim, S., Kim, K. K., Kim, K., Kim, K. Pulsed Electromagnetic Fields Stimulate Cellular Proliferation in Different Types of Cells. IEEE Transactions on Magnetics. 52 (7), 1-4 (2016).
  31. Yan, J., Dong, L., Zhang, B., Qi, N. Effects of extremely low-frequency magnetic field on growth and differentiation of human mesenchymal stem cells. Electromagnetic Biology and Medicine. 29 (4), 165-176 (2010).
  32. Enoch, S., Grey, J. E., Harding, K. G. ABC of wound healing. Non-surgical and drug treatments. BMJ. 332 (7546), 900-903 (2006).
  33. Bhosale, A. M., Richardson, J. B. Articular cartilage: Structure, injuries and review of management. British Medical Bulletin. 87 (1), 77-95 (2008).
  34. Al Hamed, R., Bazarbachi, A. H., Malard, F., Harousseau, J. -L., Mohty, M. Current status of autologous stem cell transplantation for multiple myeloma. Blood Cancer Journal. 9 (4), 44(2019).
  35. Massari, L., et al. Biophysical stimulation of bone and cartilage: state of the art and future perspectives. International Orthopaedics. 43 (3), 539-551 (2019).
  36. Naskar, S., Kumaran, V., Basu, B. Reprogramming the Stem Cell Behavior by Shear Stress and Electric Field Stimulation: Lab-on-a-Chip Based Biomicrofluidics in Regenerative Medicine. Regenerative Engineering and Translational Medicine. 5 (2), 99-127 (2019).
  37. Hunckler, J., de Mel, A. A current affair: electrotherapy in wound healing. Journal of Multidisciplinary Healthcare. 10, 179-194 (2017).
  38. Henry, S. L., Concannon, M. J., Yee, G. J. The effect of magnetic fields on wound healing: experimental study and review of the literature. Eplasty. 8, 393-399 (2008).
  39. Hiemer, B., et al. Effect of electric stimulation on human chondrocytes and mesenchymal stem cells under normoxia and hypoxia. Molecular Medicine Reports. 18 (2), 2133-2141 (2018).
  40. Chao, P. H., et al. Chondrocyte translocation response to direct current electric fields. Journal of Biomechanical Engineering. 122 (3), 261-267 (2000).
  41. Zhao, M., Bai, H., Wang, E., Forrester, J., McCaig, C. Electrical stimulation directly induces pre-angiogenic responses in vascular endothelial cells by signaling through VEGF receptors. Journal of Cell Science. 117 (3), 397-405 (2004).
  42. Li, X., Kolega, J. Effects of direct current electric fields on cell migration and actin filament distribution in bovine vascular endothelial cells. Journal of Vascular Research. 39 (5), 391-404 (2002).
  43. Singh, B., Dixit, A. Multistage amplifier and tuned amplifier. Analog Electronics. , Laxmi publications (P) LTD. Boston, MA. 87-131 (2007).
  44. Esfandiari, E., et al. The effect of high frequency electric field on enhancement of chondrogenesis in human adipose-derived stem cells. Iranian Journal Basic Medical Sciences. 4 (3), 571-576 (2014).
  45. Mardani, M., et al. Induction of chondrogenic differentiation of human adipose-derived stem cells by low frequency electric field. Advanced Biomedical Research. 5 (97), 1-7 (2016).
  46. Karaman, O., Gümüşay, M., Demirci, E. A., Kaya, A. Comparative assessment of pulsed electromagnetic fields (PEMF) and pulsed radio frequency energy (PRFE) on an in vitro wound healing model. International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics. 57, 427-437 (2018).
  47. Glinka, M., et al. Test chambers for cell culture in static magnetic field. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 331, 208-215 (2013).
  48. Vacek, T. P., et al. Electrical stimulation of cardiomyocytes activates mitochondrial matrix metalloproteinase causing electrical remodeling. Biochemical and Biophysical Research Communications. 404 (3), 762-766 (2011).
  49. Okutsu, S., et al. Electric Pulse Stimulation Induces NMDA Glutamate Receptor mRNA in NIH3T3 Mouse Fibroblasts. The Tohoku Journal of Experimental Medicine. 215 (2), 181-187 (2008).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Trefwoorden

Elektrische veldstimulatiemagnetische veldstimulatiebiologische weefselstimulatiecomputationele simulatieparallelle elektrodeapparaatspoelmagnetisch apparaatcelproliferatietissue engineeringoscilloscoopmetingscaffoldstimulatie
Elektrische en magnetische veldapparaten voor stimulatie van biologische weefsels
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleid

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.