Name: Urządzenia do stymulacji tkanek biologicznych i pola magnetycznego (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-05-15T15:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 29 s
Description: Poznaj metody symulacji pól elektrycznych i magnetycznych w tkankach biologicznych przy użyciu COMSOL Multiphysics. Protokół obejmuje budowę stymulatorów i weryfikację urządzeń dla różnych próbek biologicznych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy dziękują za wsparcie finansowe udzielone przez "Fondo Nacional de Financiamiento para la Ciencia, la Tecnología, y la Innovación -Fondo Francisco José de Caldas- Minciencias" i Universidad Nacional de Colombia poprzez grant nr 80740-290-2020 oraz wsparcie otrzymane przez Valteam Tech - Research and Innovation za dostarczenie sprzętu i wsparcia technicznego podczas edycji filmu.

Autorzy oświadczają, że nie ma dla nich konfliktu interesów.

Terapie stosowane w leczeniu różnych patologii, które wpływają na tkanki ludzkie, to terapie farmakologiczne32 lub interwencje chirurgiczne33, które mają na celu miejscowe złagodzenie bólu lub zastąpienie dotkniętych tkanek eksplantatami lub przeszczepami. Ostatnio autologiczna terapia komórkowa została zaproponowana jako alternatywna terapia w leczeniu uszkodzonych tkanek, w której komórki są izolowane od pacjenta i namnażane za pomocą technik in vitro w celu wszczepienia ...

Wykazano, że EFs i MF modyfikują dynamikę komórek, stymulując proliferację i zwiększając syntezę głównych cząsteczek związanych z macierzą zewnątrzkomórkową tkanek1. Te bodźce biofizyczne mogą być stosowane na różne sposoby, przy użyciu określonych ustawień i urządzeń. Jeśli chodzi o urządzenia do generowania EF, stymulatory bezpośredniego sprzężenia wykorzystują elektrody, które mają kontakt z próbkami biologicznymi in vitro lub są wszczepiane bezpośrednio do tkanek pacjentów i zwierząt in vivo2; jednak nadal istnieją ograniczenia i braki, które obejmują niewystarczającą biokompatybilność stykających się elektrod, zmiany pH i poziomu tlenu cząsteczkowego1. Wręcz przeciwnie, urządzenia sprzęgające pośrednio generują EF między dwiema elektrodami, które są umieszczane równolegle do próbek biologicznych3, co pozwala na nieinwazyjną alternatywną technikę stymulacji próbek biologicznych i unikania bezpośredniego kontaktu między tkankami a elektrodami. Ten typ urządzenia można ekstrapolować na przyszłe zastosowania kliniczne w celu wykonywania zabiegów przy minimalnym wpływie na pacjenta. W stosunku do urządzeń generujących MF, indukcyjne stymulatory sprzęgania wytwarzają zmienny w czasie prąd elektryczny, który przepływa przez cewkę znajdującą się wokół kultur komórkowych4,5. Wreszcie, istnieją połączone urządzenia, które wykorzystują EF i statyczne MF do generowania przejściowych pól elektromagnetycznych1. Biorąc pod uwagę, że istnieją różne konfiguracje stymulacji próbek biologicznych, konieczne jest uwzględnienie zmiennych, takich jak napięcie i częstotliwość, gdy stosowane są bodźce biofizyczne. Napięcie jest ważną zmienną, ponieważ wpływa na zachowanie tkanek biologicznych; Na przykład wykazano, że migracja komórek, orientacja i ekspresja genów zależą od amplitudy przyłożonego napięcia3,6,7,8,9,10. Częstotliwość odgrywa ważną rolę w stymulacji biofizycznej, ponieważ udowodniono, że występują one naturalnie in vivo. Wykazano, że wysokie i niskie częstotliwości mają korzystny wpływ na komórki; Zwłaszcza w kanałach wapniowych bramkowanych napięciem błony komórkowej lub retikulum endoplazmatycznym, które uruchamiają różne szlaki sygnałowe na poziomie wewnątrzkomórkowym1,7,11.
Zgodnie z powyższym, urządzenie do generowania EF składa się z generatora napięcia podłączonego do dwóch równoległych kondensatorów12. To urządzenie zostało wdrożone przez Armstronga i wsp. w celu stymulowania zarówno tempa proliferacji, jak i syntezy molekularnej chondrocytów13. Adaptacja tego urządzenia została przeprowadzona przez Brighton i wsp., którzy zmodyfikowali płytki studzienek do hodowli komórkowych, wiercąc ich górną i dolną powiekę. Otwory wypełniano szkiełkami nakrywkowymi, w których dolne szkła służyły do hodowli tkanek biologicznych. Elektrody zostały umieszczone na każdym slajdzie okładki, aby wygenerować EFs14. To urządzenie było używane do elektrycznej stymulacji chondrocytów, osteoblastów i eksplantatów chrząstek, wykazując wzrost proliferacji komórek14,15,16 i synteza molekularna3,17. Urządzenie zaprojektowane przez Hartiga i wsp. składało się z generatora fal i wzmacniacza napięcia, które były połączone z kondensatorami równoległymi. Elektrody zostały wykonane z wysokiej jakości stali nierdzewnej umieszczonej w izolacyjnym etui. Urządzenie zostało użyte do stymulacji osteoblastów, wykazując znaczny wzrost proliferacji i wydzielania białek18. Urządzenie używane przez Kima i wsp. składało się z dwufazowego układu stymulującego prąd, który został zbudowany w procesie produkcji komplementarnych półprzewodników wysokonapięciowego tlenku metalu. Zaprojektowano płytkę studzienkową do hodowli komórek na powierzchni przewodzącej za pomocą stymulacji elektrycznej. Elektrody zostały pokryte złotem na płytkach krzemowych19. Urządzenie to zostało użyte do stymulacji osteoblastów, wykazując wzrost proliferacji i syntezy czynnika wzrostu śródbłonka naczyniowego19, oraz stymulując produkcję aktywności fosfatazy alkalicznej, odkładanie wapnia i morfogenne białka kostne20. Podobnie, urządzenie to zostało użyte do stymulacji tempa proliferacji i ekspresji czynnika wzrostu śródbłonka naczyniowego mezenchymalnych komórek macierzystych ludzkiego szpiku kostnego21. Urządzenie zaprojektowane przez Nakasuji i wsp. składało się z generatora napięcia połączonego z platynowymi płytkami. Elektrody zostały zbudowane w celu pomiaru potencjału elektrycznego w 24 różnych punktach. To urządzenie zostało użyte do stymulacji chondrocytów, pokazując, że EF nie zmieniają morfologii komórek i zwiększają proliferację oraz syntezę molekularną22. Urządzenie używane przez Au i wsp. składało się ze szklanej komory wyposażonej w dwa pręty węglowe połączone ze stymulatorem serca za pomocą platynowych drutów. Ten stymulator był używany do stymulacji kardiomiocytów i fibroblastów, poprawiając wydłużanie komórek i wyrównanie fibroblastów23.
Wyprodukowano różne urządzenia MF oparte na cewkach Helmholtza do stymulacji kilku rodzajów próbek biologicznych. Na przykład, cewki Helmholtza zostały użyte do stymulowania proliferacji i syntezy molekularnej chondrocytów24,25, zwiększają syntezę proteoglikanów w eksplantatach chrząstki stawowej26, poprawiają regulację w górę genów związanych z tworzeniem kości komórek podobnych do osteoblastów27, oraz zwiększają proliferację i ekspresję molekularną komórek śródbłonka28. Cewki Helmholtza generują MF przez dwie cewki umieszczone jedna przed drugą. Zwoje muszą być umieszczone w odległości równej promieniowi zwojów, aby zapewnić jednorodne MF. Wadą stosowania cewek Helmholtza są wymiary cewki, ponieważ muszą one być wystarczająco duże, aby generować wymaganą intensywność MF. Ponadto odległość między cewkami musi być odpowiednia, aby zapewnić jednorodne rozmieszczenie MF wokół tkanek biologicznych. Aby uniknąć problemów powodowanych przez cewki Helmholtza, różne badania koncentrowały się na produkcji cewek elektromagnetycznych. Cewki elektromagnetyczne są oparte na rurze, która jest nawinięta drutem miedzianym w celu wygenerowania MF. Wejścia z drutu miedzianego można podłączyć bezpośrednio do gniazdka lub zasilacza, aby zasilić cewkę i utworzyć MF w środku elektrozaworu. Im więcej zwojów ma cewka, tym większe generowane MF. Wielkość MF zależy również od napięcia i prądu przyłożonego do zasilania cewki29. Cewki elektromagnetyczne zostały użyte do magnetycznej stymulacji różnego rodzaju komórek, takich jak HeLa, HEK293 i MCF730 lub mezenchymalne komórki macierzyste31.
Urządzenia używane przez różnych autorów nie brały pod uwagę ani odpowiedniego rozmiaru elektrod, ani prawidłowej długości cewki, aby równomiernie rozprowadzić zarówno EF, jak i MF. Co więcej, urządzenia generują stałe napięcia i częstotliwości, co ogranicza ich zastosowanie do stymulacji określonych tkanek biologicznych. Z tego powodu w tym protokole przeprowadza się wytyczne dotyczące symulacji obliczeniowej w celu symulacji zarówno układów pojemnościowych, jak i cewek, aby zapewnić jednorodny rozkład EF i MF w próbkach biologicznych, unikając efektu krawędzi. Dodatkowo wykazano, że konstrukcja obwodów elektronicznych generuje napięcia i częstotliwość między elektrodami a cewką, tworząc EF i MF, które pokonają ograniczenia spowodowane impedancją płytek dołkowych hodowli komórkowej i powietrza. Modyfikacje te pozwolą na stworzenie nieinwazyjnych i adaptacyjnych bioreaktorów do stymulacji dowolnej tkanki biologicznej.

<table><tbody><tr><td>Stymulator elektryczny</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Wzmacniacz operacyjny</td><td>Motorola</td><td>LF-353N</td><td>---- Ilość: 1</td></tr><tr><td>Rezystory</td><td>----</td><td>----</td><td>22 k&Omega; Ilość: 1</td></tr><tr><td>Rezystory</td><td>----</td><td>----</td><td>10 K&Omega; Ilość: 3</td></tr><tr><td>Rezystory</td><td>----</td><td>----</td><td>2,6 k&Omega; Ilość: 2</td></tr><tr><td>Rezystory</td><td>----</td><td>----</td><td>2,2 k&Omega; Ilość: 1</td></tr><tr><td>Rezystory</td><td>----</td><td>----</td><td>1 K&Omega; Ilość: 1</td></tr><tr><td>Rezystory</td><td>----</td><td>----</td><td>220 i Omega; Ilość: 2</td></tr><tr><td>rezystory</td><td>----</td><td>----</td><td>22 i Omega; Ilość: 5</td></tr><tr><td>rezystorów</td><td>----</td><td>----</td><td>10 i Omega; Ilość: 1</td></tr><tr><td>Rezystory</td><td>----</td><td>----</td><td>6,8 i Omega; Ilość: 1</td></tr><tr><td>Rezystory</td><td>----</td><td>----</td><td>3.3 i Omega; Ilość: 2</td></tr><tr><td>Kondensatory poliestrowe</td><td>----</td><td>----</td><td>1 nF Ilość: 2</td></tr><tr><td>Kondensatory poliestrowe</td><td>----</td><td>----</td><td>100 nF Ilość: 1</td></tr><tr><td>Tranzystor wzmacniacza pasma VHF JFET</td><td>Toshiba</td><td>2SK161</td><td>---- Ilość: 1</td></tr><tr><td>Tranzystor mocy BJT NPN</td><td>Mospec</td><td>TIP 31C</td><td>---- Ilość: 1</td></tr><tr><td>Dioda</td><td>Zenera Microsemi</td><td>1N4148</td><td>---- Ilość: 1</td></tr><tr><td>przełącznik</td><td>Toogle Switch</td><td>SPDT - T13</td><td>---- Ilość: 3</td></tr><tr><td>Toroidalny rdzeń ferrytowy</td><td>Caracol</td><td>----</td><td>T*22*14*8 Ilość: 1</td></tr><tr><td>drut miedziany</td><td>Greenshine</td><td>----</td><td>AWG &ndash; 24 Ilość: 1</td></tr><tr><td>nagłówek Relimate z obudową żeńską</td><td>ADAFRUIT</td><td>----</td> <td>Złącza 8-pinowe Ilość: 1</td></tr><tr><td>złącze Relimate z obudową żeńską</td><td>ADAFRUIT</td><td></td>---- <td>złącza 2-pinowe Ilość: 1</td></tr><tr><td>Złącze żeńskie wtykowe</td><td>JIALUN</td>----<td></td><td>4mm Wtyki latarni (wtyczka + gniazdo) 15 A Ilość: 1</td></tr><tr><td>aluminiowy radiator</td><td>AWIND</td><td></td>----<td>Do tranzystora TIP 31C Ilość: 1</td></tr><tr><td>dioda LED</td><td>CHANZON</td><td></td>----<td>5 mm czerwony Ilość: 1</td></tr><tr><td>Złącze gniazda układu scalonego</td><td>Te Electronics Co., Ltd.</td><td>----</td><td>Dwurzędowe 8-pin DIP Ilość: 1</td></tr> zestaw <tr><td>złączy 3-pinowych</td><td>STAR</td><td></td>----<td>JST PH 2.0 Ilość: 3</td></tr><tr><td>2-pinowe złącza śrubowe</td><td>STAR</td>----<td></td><td>Do PCB Ilość: 1</td></tr><tr><td>3-pinowe złącza śrubowe</td><td>STAR</td>----<td></td><td>Do PCB Ilość: 1</td></tr><tr><td>przewód pomiarowy złącza bananowego</td><td>JIALUN</td><td></td>----<td>P1041 - 4 mm - 15 A Ilość: 7</td></tr><tr><td>Złącza kulowe do przewodu ładującego wtyk bananowy</td><td></td> <td>Adaptery męsko-męskie/żeńsko-żeńskie JIALUN----4 mm - 15 A Ilość: 1</td><td></td></tr> <tr><td>Skrzynka</td><td>----</td><td>----</td><td>ABS Ilość: 1</td></tr><tr><td>Elektrody</td><td>----</td><td>----</td><td>Stal nierdzewna Ilość: 2</td></tr><tr><td>Wspornik elektrody</td><td>----</td><td>----</td><td>Teflon Ilość: 2</td></tr><tr><td>Płytka</td><td></td><td></td> drukowana <td>Ilość: 1</td></tr><tr><td><mocny>Stymulator magnetyczny</mocny></td><td></td><td></td><td></td></tr>Cooper <tr><td>drut</td><td>Greenshine</td><td>----</td><td>AWG &ndash; 18 Ilość: 1</td></tr><tr><td>Wtyczki zasilania AC</td><td>----</td><td>----</td><td>120 V AC &ndash; 60 Hz Ilość: 1</td></tr><tr><td>przewód testowy złącza żeńskiego bananowego</td><td>JIALUN</td><td>----</td><td>1Zestaw podwójnego wtrysku - 4 mm &ndash; 15 A Ilość: 2</td></tr><tr><td>Przewód testowy złącza męskiego bananowego</td><td>JIALUN</td><td></td><td>----1 Zestaw Podwójnego wtrysku - 4 mm 15 A Ilość: 1</td></tr><tr><td>Wspornik płytki dołka do hodowli komórkowych</td><td>----</td><td>----</td><td>PMMA Ilość: 1</td></tr><tr><td>bezpiecznik</td><td>Bussmann</td><td>2A</td><td>---- Ilość: 1</td></tr><tr><td>transformator</td><td>----</td><td>----</td><td>1A &ndash; 6 V AC Ilość: 1</td></tr><tr><td>Rurka</td><td>----</td><td>----</td><td>PVC Ilość: 1</td></tr><tr><td>Zmienny reostat</td><td>MCP</td><td>BXS150</td><td>10 &Omega; Ilość: 1</td></tr><tr><td><silny>Wyposażenie ogólne</mocny></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Cyfrowe podwójne źródło&nbsp;</td><td>PeakTech</td><td>DG 1022Z</td><td>2 x 0 - 30 V / 0 - 5 A CC / 5 V / 3 A fijo Ilość: 1</td></tr><tr><td>Oscyloskop cyfrowy</td><td>Rigol</td><td>DS1104Z Plus</td><td>100 MHz, szerokość pasma, 4 kanały Ilość: 1</td></tr><tr><td>Multimetr cyfrowy</td><td>Fluke</td><td>F179</td><td>Napięcie CC &ndash; CA (1000 V). Bieżący CC &ndash; CA 10 A. Częstotliwość 100 kHz Ilość: 1</td></tr></tbody></table>

urządzenia do stymulacji tkanek biologicznych i pola magnetycznego

Electric and Magnetic Field Devices for Stimulation of Biological Tissues

Pola elektryczne (EF) i pola magnetyczne (MF) były szeroko stosowane przez inżynierię tkankową do poprawy dynamiki komórek, takich jak proliferacja, migracja, różnicowanie, morfologia i synteza molekularna. Jednak zmienne, takie jak siła bodźców i czas stymulacji, muszą być brane pod uwagę podczas stymulacji komórek, tkanek lub rusztowań. Biorąc pod uwagę, że EF i MF różnią się w zależności od odpowiedzi komórkowej, nie jest jasne, jak budować urządzenia, które generują odpowiednie bodźce biofizyczne w celu stymulacji próbek biologicznych. W rzeczywistości brakuje dowodów dotyczących obliczania i rozkładu, gdy stosowane są bodźce biofizyczne. Protokół ten koncentruje się na projektowaniu i produkcji urządzeń do generowania EF i MF oraz wdrożeniu metodologii obliczeniowej do przewidywania rozkładu bodźców biofizycznych wewnątrz i na zewnątrz próbek biologicznych. Urządzenie EF składało się z dwóch równoległych elektrod ze stali nierdzewnej umieszczonych na górze i na dole kultur biologicznych. Elektrody podłączono do oscylatora w celu wytworzenia napięć (50, 100, 150 i 200 Vp-p) o częstotliwości 60 kHz. Urządzenie MF składało się z cewki, która była zasilana transformatorem w celu wytworzenia prądu (1 A) i napięcia (6 V) o częstotliwości 60 Hz. Zbudowano nośnik z polimetakrylanu metylu w celu zlokalizowania kultur biologicznych w środku cewki. Symulacja obliczeniowa pozwoliła na wyjaśnienie jednorodnego rozmieszczenia EF i MF wewnątrz i na zewnątrz tkanek biologicznych. Ten model obliczeniowy jest obiecującym narzędziem, które może modyfikować parametry, takie jak napięcia, częstotliwości, morfologie tkanek, typy płytek studzienek, elektrody i rozmiar cewki, aby oszacować EF i MF w celu uzyskania odpowiedzi komórkowej.

Symulacja obliczeniowa 
Rozkłady EF i MF są pokazane w Rysunek 3. Z jednej strony udało się zaobserwować jednorodny rozkład EF w układzie pojemnościowym (<silna klasa="xfig">Rysunek 3A). EF został wykreślony w celu szczegółowej obserwacji wielkości pola wewnątrz próbki biologicznej (<silna klasa="xfig">Rysunek 3B). Symulacja ta była przydatna do sparametryzowania rozmiaru elektrod i wyprodukowania ich w celu uniknięcia efektu krawędzi. Z drugiej strony udało się zaobserwo...

Ten protokół opisuje krok po kroku proces budowy zarówno elektrycznych, jak i magnetycznych stymulatorów używanych do stymulacji tkanek biologicznych. Protokół zawiera wytyczne dotyczące obliczeniowej symulacji pól elektrycznych i magnetycznych oraz produkcji urządzeń stymulujących.

Urządzenia do stymulacji tkanek biologicznych i pola magnetycznego

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

Bodziec biofizyczny został wykorzystany do stymulacji dynamiki komórkowej i molekularnej w różnych tkankach. W niektórych badaniach oceniano wpływ pól elektrycznych i magnetycznych na różnego rodzaju komórki, takie jak chondrocyty, osteoblasty i fibroblasty, implanty tkankowe i rusztowania. Chociaż w ramach specyficznych cech do stymulacji tkanek biologicznych opracowano różne urządzenia stymulujące, konieczne jest potwierdzenie urządzeń elektrycznych i magnetycznych, w których napięcie i częstotliwość mogą być zmieniane w celu stymulacji szerokiego zakresu próbek biologicznych.Symulację obliczeniową w celu weryfikacji rozkładu pola elektrycznego przeprowadzono w COMSOL Multiphysics. W tym przypadku zastosowano konfigurację osiowo-metryczną do symulacji systemu pojemnościowego, który składa się z dwóch równoległych elektrod, powietrza, naszej płytki studzienki hodowlanej, pożywki hodowlanej i próbki biologicznej, która w tym przypadku została reprezentowana przez rusztowanie. Właściwościami materiałowymi każdego pierwiastka były przewodność elektryczna i przenikalność względna.Przyłożone napięcie zostało ustawione na 100 woltów, podczas gdy częstotliwość została ustawiona na 60 kiloherców sine Wien for. Po wprowadzeniu wszystkich parametrów model jest obliczany w celu obserwacji rozkładu pola elektrycznego na wszystkich powierzchniach. Aby obserwować w bardziej szczegółowy sposób rozkład pola elektrycznego, możliwe jest umieszczenie pola elektrycznego w całym systemie, w rusztowaniu, w pożywce hodowlanej, w powietrzu oraz w płytce studzienki hodowlanej i na zewnątrz elektrod.Obwód będzie generował pola elektryczne, oparty jest na oscylatorze wieńskim mostka. Jest to RCnonthańska sekwencja chipa twarzy, która wykorzystuje zarówno dodatnie, jak i ujemne sprzężenie zwrotne. Mostek oscylatora wien składa się z podświetlonej sieci laboratoryjnej, która jest napięciem biernym podzielonym na części, w którym napięcie wejściowe jest dzielone przez połączenie R5 i C2 szeregowo oraz przez kombinację R6 i C3 równolegle.Aby obliczyć częstotliwość, używamy równania częstotliwości rezonansowej, gdzie F Sub-Zero to częstotliwość, R równa R5, R6 to rezystory, a C równe C2, a C3 to kondensatory. Obwód ten jest zaprojektowany w taki sposób, że podzielone napięcie rezystancyjne wzrasta, gdy moc wyjściowa wzrasta, a napięcie rezystancyjne podzielone maleje, gdy napięcie wyjściowe maleje. W ten sposób wzmocnienie napięciowe wzmacniacza automatycznie rozpoczyna zmiany amplitudy sygnału wyjściowego.Następnie obliczono kombinację rezystorów, aby wygenerować cztery górne napięcia. Wreszcie, wcześniej zaimplementowano etap prostowania sygnału w celu wzmocnienia sygnału za pomocą transformatora. Po zasymulowaniu obwodu wyprodukowano pomalowaną płytkę drukowaną, w wyniku czego końcowy sygnał sinusoidalny generowany przez oscylator jest wykresem.Po zasymulowaniu obwodu następnym krokiem jest zbudowanie oscylatora mostka Wieda w płytce stykowej, tutaj możemy przetestować cztery napięcia wyjściowe i częstotliwość, która generuje obwód. Następnie produkujemy na płytce drukowanej oscylator, który zrobiliśmy dla formatu Reeda Curtisa i rezystory, których używamy do napięć generowanych przez oscylator. I wreszcie mamy tutaj końcowy montaż wskaźników obwodu.Pierwszym krokiem do przetestowania stymulatora elektrycznego jest sprawdzenie napięcia wyjściowego zasilacza, w tym celu regulujemy zasilacz równolegle i mierzymy napięcie wyjściowe 12 i 12 woltów między masą a zaciskami dodatnim i ujemnym. Po zweryfikowaniu napięcia wyjściowego możemy przystąpić do podłączenia każdego wyjścia zasilacza do wejścia prądowego stymulatora elektrycznego. Biały to masa.to napięcie ujemne. A czerwony to napięcie dodatnie. Aby przetestować sygnał wyjściowy, który generuje stymulator elektryczny, umieszczamy płytkę dołka hodowlanego w środku elektrod.Następnie podłączamy napięcia wyjściowe generowane przez stymulator elektryczny do każdej równoległej płytki. Biorąc pod uwagę, że pracujemy w prądzie przemiennym, nie ma ścisłej kolejności podłączania napięcia wyjściowego oscylatora do zacisków płytki równoległej. Do weryfikacji sygnału wyjściowego używamy oscyloskopu, który jest podłączony bezpośrednio do każdej elektrody.Kiedy dziewiątka C jest rejestrowana przez oscyloskop, modyfikujemy amplitudę i okres sygnału, aby całkowicie obserwować falę. Na tym etapie możliwe jest zweryfikowanie czterech napięć generowanych przez stymulator elektryczny. 50 woltów, 100 woltów, 150 woltów i 200 woltów przy 60 kilo hercach, forum wiatru sinusoidalnego.Podobnie jak w przypadku pól elektrycznych, przeprowadzono symulację obliczeniową w celu sprawdzenia rozkładu pola magnetycznego. Do symulacji cewki składającej się z drutu miedzianego i powietrza zastosowano konfigurację osiowosymetryczną. W tym przypadku wzięto pod uwagę różne właściwości materiału, a zastosowaną częstotliwość ustalono na 60 Hz.Po wprowadzeniu wszystkich parametrów model został obliczony w celu obserwacji rozkładu pola magnetycznego. Na koniec wykonano diagram, aby zaobserwować, jak pole magnetyczne jest równomiernie rozłożone w środku cewki. Równanie pola elektromagnetycznego, wyprowadzone z prawa Ampera, zostało użyte do obliczenia pola magnetycznego, gdzie jest przenikalnością magnetyczną próżni, N' jest liczbą zwojów drutu Coopera.I'jest prądem, a h', który należy stopniować według jego średnicy, jest długością cewki. Wartości tych parametrów zostały dobrane do oszacowania pola magnetycznego na poziomie dwóch milimetrów. Obwód generujący pola magnetyczne został zasymulowany obliczeniowo.W tym przypadku transformator jest podłączony bezpośrednio do gniazdka. Rezystor zmienny został użyty do ucieleśnienia prądu i wygenerowania pól magnetycznych o długości 1 milimetra. Bezpiecznik został podłączony w celu ochrony obwodu.Po wykonaniu obliczeń zbudowano nośnik z polimetakrylanu metylu i cewkę Po przeprowadzeniu symulacji wyprodukowaliśmy specjalne urządzenie, aby upewnić się, że szalki Petriego będą znajdować się w środku urządzenia do stymulacji. Następnie produkujemy monetę z 450-zwojową drucianą miedź w rurze PVC, która będzie znajdować się w środku kultury, aby zapewnić jednorodne pole magnetyczne w środku cewki. Następnie produkujemy transformator o mocy wyjściowej sześciu woltów i jednym amperze do zasilania obwodu.Aby przetestować symulator magnetyczny, zmierzyliśmy prąd generowany przez cewkę. Pomiar ten odbywa się poprzez połączenie multimetru szeregowo z cewką. Po sprawdzeniu, czy prąd wynosi około jednego ampera, transformator jest podłączony do cewki, aby zamknąć obwód.Następnie oscyloskop jest podłączany do wyjść cewki w celu sprawdzenia sygnału sinusoidalnego o częstotliwości 60 Hz, który jest generowany przez stymulację magnetyczną. Gdy hodowle komórkowe są stymulowane elektrycznie, ważne jest, aby zachować sterylne warunki podczas zmiany pożywki hodowlanej w próbkach biologicznych, z tego powodu konieczne jest wprowadzenie elektorów do kabiny. Po zmianie pożywki hodowlanej płytka studzienki hodowlanej znajduje się nad elektrodą.Aby wprowadzić kultury komórkowe z powrotem do inkubatora, dolna elektroda znajduje się nad stabilną powierzchnią, aby umieścić górną elektrodę na górze hodowli komórkowej. Następnie wyjściowe urządzenia symulatora elektrycznego są podłączane do końca każdej elektrody. Na koniec elektorzy są ostrożnie umieszczani w inkubatorze, aby rozpocząć stymulację elektryczną.Podobne warunki sterylne są brane pod uwagę, gdy pożywki hodowlane są zmieniane na próbki biologiczne, które są stymulowane magnetycznie. Tutaj szalki Petriego o średnicy 35 milimetrów są używane do hodowli komórek, eksplantatów lub rusztowań. Po zmianie pożywki hodowlanej kultury komórkowe muszą zostać umieszczone w podłożu z polimetakrylanu metylu.Tutaj każda szalka Petriego znajduje się jedna nad drugą. Następnie cewka jest ostrożnie umieszczana nad podporą, aby przykryć kultury komórkowe. Wreszcie stymulator magnetyczny znajduje się w inkubatorze, aby rozpocząć stymulację magnetyczną.Jak widać, stymulator elektryczny został przetestowany pod kątem stymulacji chondrocytów i osteoblastów. Tutaj oceniliśmy proliferację i syntezę molekularną. Stymulator elektryczny został również przetestowany pod kątem stymulacji zapalenia chrzęstnoprzynaśnego, eksplantatów w celu oceny zmian morfologicznych w płytce wzrostowej.Ponadto pochórki, mezenchymalne komórki STEM w kwas uronowy i hydrożele żelatynowe zostały stymulowane elektrycznie w celu oceny potencjału różnicowania kondrogennego. Z drugiej strony, ich stymulator magnetyczny został przetestowany pod kątem stymulacji chondrocytów do oceny zarówno proliferacji, jak i syntezy molekularnej. Urządzenia, które opracowaliśmy w tym badaniu, unikają problemów z kompatybilnością, zliczania przez elektrody, gdy mają one bezpośredni kontakt z materiałem biologicznym.Co więcej, tego rodzaju urządzenia stanowią zaletę, ponieważ zapobiegają zmianom pH i obniżeniu poziomu żelu do hodowli molekularnych. Napięcie i częstotliwości są ważnymi zmiennymi, które należy wziąć pod uwagę w momencie stymulacji tkanek biologicznych. Z jednej strony istnieją dowody na to, że dynamika komórek, taka jak między innymi migracja, proliferacja, ekspresja genów, zależy od zdolności przyłożonego napięcia.Z drugiej strony udowodniono, że niskie i wysokie częstotliwości mają wpływ na komórki, zwłaszcza na otwieranie i zamykanie kanałów błony komórkowej, które uruchamiają różne szlaki sygnałowe na poziomie dodatkowym i wewnątrzkomórkowym. Ogólnie rzecz biorąc, to podobne urządzenie można ekstrapolować na środowiska kliniczne w celu ulepszenia terapii regeneracyjnych, takich jak alternatywna implantacja komórkowa. Ten rodzaj leczenia łączy techniki regeneracji tkanek in vitro i in vivo.W tym przypadku stymulatory elektryczne i magnetyczne mogą odegrać kluczową rolę w stymulacji materiałów biologicznych poprzez poprawę cech komórkowych i molekularnych komórek, tkanek i rusztowań przed ich wszczepieniem pacjentowi.

electric-magnetic-field-devices-for-stimulation-biological

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (TMS) jest nieinwazyjnym narzędziem służącym do badania fizjologii i funkcji ludzkiego układu nerwowego. W niniejszym materiale przedstawiamy nasze techniki TMS wykorzystywane do badania pobudliwości korowej mięśni kończyny górnej oraz mięśni lędźwiowych.

Wykorzystanie przezczaszkowej stymulacji magnetycznej do badania ludzkiego układu nerwowo-mięśniowego

Źródło: Curado, M. et al., Nieinwazyjne montaże elektrycznej stymulacji mózgu do modulacji funkcji motorycznych człowieka. J. Vis. Exp. (2016)Ten film pokazuje konfigurację i mechanizm przezczaszkowej stymulacji prądem stałym (tDCS) do modulacji funkcji motorycznych człowieka. Umieszczając anodę nad pierwszorzędową korą ruchową, a katodę nad przeciwległym obszarem nadoczodołowym, ukierunkowana stymulacja elektryczna zwiększa pobudliwość kory mózgowej, zwiększając aktywność neuronów ruchowych i...

Nieinwazyjna elektryczna stymulacja mózgu w celu modulowania aktywności ludzkich neuronów ruchowych

Ten film demonstruje metodę stymulowania kultur neuronalnych hodowanych w wzorzystym okrągłym pierścieniu na szkiełku nakrywkowym, przy użyciu zmiennego w czasie pola magnetycznego.

Stymulacja wzorzystych kultur neuronalnych za pomocą pola magnetycznego

Przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (TMS) okazała się użytecznym narzędziem w badaniu roli artykulacyjnej kory ruchowej w percepcji mowy. Ten artykuł opisuje, jak rejestrować motoryczne potencjały wywołane (MEP) z mięśni warg i jak zakłócić motoryczną reprezentację warg za pomocą powtarzających się TMS.

Stymulacja kory ruchowej wargi za pomocą przezczaszkowej stymulacji magnetycznej

Nieinwazyjna elektryczna stymulacja mózgu może modulować funkcje i zachowanie kory mózgowej, zarówno w celach badawczych, jak i klinicznych. Protokół ten opisuje różne podejścia do stymulacji mózgu w celu modulacji ludzkiego układu motorycznego.

Nieinwazyjne montaże elektrycznej stymulacji mózgu do modulacji funkcji motorycznych człowieka

Kultury neuronów są dobrym modelem do badania nowych technik stymulacji mózgu poprzez ich wpływ na pojedyncze neurony lub populację neuronów. Przedstawiono różne metody stymulacji wzorcowych kultur neuronalnych za pomocą pola elektrycznego wytwarzanego bezpośrednio przez elektrody kąpielowe lub indukowanego przez zmienne w czasie pole magnetyczne.

Zewnętrzne wzbudzenie neuronów za pomocą pól elektrycznych i magnetycznych w kulturach jedno- i dwuwymiarowych

Tutaj prezentujemy protokół treningu populacji komórek za pomocą bodźców elektrycznych i mechanicznych naśladujących fizjologię serca. Ta elektromechaniczna stymulacja zwiększa potencjał kardiomiogenny leczonych komórek i jest obiecującą strategią dla dalszej terapii komórkowej, modelowania choroby i badań przesiewowych leków.

Jednoczesna stymulacja elektryczna i mechaniczna w celu zwiększenia potencjału kardiomiogennego komórek

Tutaj prezentujemy protokół budowy komory do hodowli komórek, przeznaczonej do wystawiania komórek na różne rodzaje stymulacji elektrycznej, oraz jej zastosowanie w leczeniu mezenchymalnych komórek macierzystych w celu zwiększenia różnicowania osteogennego.

Budowa i zastosowanie komory do stymulacji elektrycznej w celu zwiększenia różnicowania osteogennego w mezenchymalnych komórkach macierzystych/zrębowych in vitro

Ten artykuł opisuje nowe podejścia do pomiaru i wzmacniania funkcjonalnie specyficznych ścieżek neuronowych za pomocą przezczaszkowej stymulacji magnetycznej. Te zaawansowane nieinwazyjne metodologie stymulacji mózgu mogą zapewnić nowe możliwości zrozumienia relacji między mózgiem a zachowaniem i opracowania nowych terapii w leczeniu zaburzeń mózgu.

Pomiar i manipulowanie funkcjonalnie specyficznymi ścieżkami neuronalnymi w układzie motorycznym człowieka za pomocą przezczaszkowej stymulacji magnetycznej

W tym badaniu prezentujemy protokół różnicowania nerwowych komórek macierzystych i progenitorowych (NPC) indukowanych wyłącznie przez stymulację impulsami prądu stałego (DC) w systemie mikroprzepływowym.

Różnicowanie neuronalnych komórek prekursorowych pod wpływem pola elektrycznego w urządzeniach mikroprzepływowych

Ten artykuł przedstawia strategię budowania modeli elementów skończonych z włóknistych materiałów przewodzących wystawionych na działanie pola elektrycznego (EF). Modele te można wykorzystać do oszacowania wkładu elektrycznego, jaki otrzymują komórki zasiane w takich materiałach, oraz do oceny wpływu zmiany właściwości, struktury lub orientacji materiału składowego rusztowania.

Modelowanie metodą elementów skończonych w komórkowym mikrośrodowisku elektrycznym

Poznaj metody symulacji pól elektrycznych i magnetycznych w tkankach biologicznych przy użyciu COMSOL Multiphysics. Protokół obejmuje budowę stymulatorów i weryfikację urządzeń dla różnych próbek biologicznych.

Urządzenia do stymulacji tkanek biologicznych i pola magnetycznego

Przeglądaj więcej filmów