Este protocolo descreve o processo passo a passo para construir estimuladores elétricos e magnéticos usados para estimular tecidos biológicos. O protocolo inclui uma diretriz para simular campos computacionais elétricos e magnéticos e fabricação de dispositivos estimuladores.
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Artigo de método
Dispositivos de campo elétrico e magnético para estimulação de tecidos biológicos
Neste artigo
Resumo
Resumo
Campos elétricos (EFs) e campos magnéticos (MFs) têm sido amplamente utilizados pela engenharia de tecidos para melhorar a dinâmica celular, como proliferação, migração, diferenciação, morfologia e síntese molecular. No entanto, variáveis como força de estímulo e tempos de estimulação precisam ser consideradas ao estimular células, tecidos ou andaimes. Dado que os EFs e os FMs variam de acordo com a resposta celular, ainda não está claro como construir dispositivos que gerem estímulos biofísicos adequados para estimular amostras biológicas. Na verdade, faltam evidências sobre o cálculo e distribuição quando são aplicados estímulos biofísicos. Este protocolo é focado no projeto e fabricação de dispositivos para gerar EFs e MFs e implementação de uma metodologia computacional para prever a distribuição de estímulos biofísicos dentro e fora de amostras biológicas. O dispositivo EF era composto por dois eletrodos paralelos de aço inoxidável localizados na parte superior e inferior das culturas biológicas. Os eletrodos foram conectados a um oscilador para gerar tensões (50, 100, 150 e 200 Vp-p) a 60 kHz. O dispositivo MF era composto por uma bobina, que foi energizada com um transformador para gerar uma corrente (1 A) e tensão (6 V) a 60 Hz. Um suporte de metacrilato de polimetila foi construído para localizar as culturas biológicas no meio da bobina. A simulação computacional elucidou a distribuição homogênea de EFs e MFs dentro e fora dos tecidos biológicos. Este modelo computacional é uma ferramenta promissora que pode modificar parâmetros como tensões, frequências, morfologias teciduais, tipos de placas de poço, eletrodos e tamanho da bobina para estimar os EFs e MFs para obter uma resposta celular.
Introdução
EFs e MFs têm sido mostrados para modificar a dinâmica celular, estimulando a proliferação e aumentando a síntese das principais moléculas associadas à matriz extracelular dos tecidos1. Esses estímulos biofísicos podem ser aplicados de diferentes maneiras usando configurações e dispositivos específicos. Em relação aos dispositivos para gerar EFs, os estimuladores de acoplamento direto utilizam eletrodos que estão em contato com amostras biológicas in vitro ou implantados diretamente em tecidos de pacientes e animais in vivo2; no entanto, ainda existem limitações e deficiências que incluem biocompatibilidade insuficiente ....
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Protocolo
1. Simulação de EFs e MFs
NOTA: A simulação de EFs e MFs foi realizada em COMSOL Multifísica.
- Selecione uma configuração 2D 2D axisymétrica para representar ambos os domínios elétricos e magnéticos.
- Na configuração física, selecione a interface Corrente Elétrica para calcular EFs em eletrodos paralelos ou a interface de campo magnético para calcular MFs em torno de bobinas.
- Na configuração do estudo, selecione Domínio de Frequência para calcular a resposta de um modelo linear ou linearizado submetido à excitação harmônica para uma ou várias frequências. <....
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Resultados
Simulação computacional
As distribuições de EFs e MFs são mostradas na Figura 3. Por um lado, foi possível observar a distribuição homogênea de EFs no sistema capacitivo (Figura 3A). A EF foi traçada para observar detalhadamente a magnitude do campo dentro da amostra biológica(Figura 3B). Esta simulação foi útil para parametrizar o tamanho dos eletrodos e fabricá-los para evitar o efeito de borda. Por outro lado,.......
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Discussão
Os tratamentos utilizados para curar diferentes patologias que afetam os tecidos humanos são as terapias farmacológicas32 ou intervenções cirúrgicas33,que buscam aliviar a dor localmente ou substituir os tecidos afetados por explantas ou transplantes. Recentemente, a terapia celular autóloga foi proposta como uma terapia alternativa para tratar tecidos feridos, onde as células são isoladas do paciente e expandidas, através de técnicas in vitro, para serem implantadas no loc.......
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Divulgações
Os autores declaram que não têm conflito de interesses.
Agradecimentos
Os autores agradecem o apoio financeiro prestado pelo "Fondo Nacional de Financiamiento para la Ciencia, la Tecnología, y la Innovación -Fondo Francisco José de Caldas- Minciencias" e Pela Universidad Nacional de Colombia através da bolsa nº 80740-290-2020 e do apoio recebido pela Valteam Tech - Research and Innovation para fornecer o equipamento e suporte técnico na edição do vídeo.
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Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Estimulador elétrico | |||
| Amplificador operacional | Motorola | LF-353N | ---- Quantidade: 1 |
| Resistores | ---- | ----22 | kΩ Quantidade: 1 |
| Resistores | ---- | ---- | 10 kΩ Quantidade: 3 |
| Resistores | ---- | ---- | 2.6 kΩ Quantidade: 2 |
| Resistores | ---- | ---- | 2.2 kΩ Quantidade: 1 |
| Resistores | ---- | ---- | 1 kΩ Quantidade: 1 |
| resistores | ---- | ---- | 220 e ômega; Quantidade: 2 |
| resistores | ---- | ---- | 22 e ômega; Quantidade: 5 |
| resistores | ---- | ---- | 10 e ômega; Quantidade: 1 |
| resistores | ---- | ---- | 6,8 e ômega; Quantidade: 1 |
| resistores | ---- | ---- | 3.3 e ômega; Quantidade: 2 |
| Capacitores de poliéster | ---- | ---- | 1 nF Quantidade: 2 |
| capacitores de poliéster | ---- | ---- | 100 nF Quantidade: 1 |
| Amplificador de banda VHF Transistor JFET | Toshiba | 2SK161 | ---- Quantidade: 1 |
| Transistor de potência BJT NPN | Mospec | TIP 31C | ---- Quantidade: 1 |
| Diodo Zener | Microsemi | 1N4148 | ---- Quantidade: 1 |
| Interruptor | Toogle Switch | SPDT - T13 | ---- Quantidade: 3 |
| Núcleo de ferrite toroidal | Caracol | ---- | T*22*14*8 Quantidade: 1 |
| fio Cooper | Greenshine | ---- | AWG – 24 Quantidade: 1 |
| Cabeçote Relimate com carcaça feminina | ADAFRUIT | ---- | Conectores de 8 pinos Quantidade: 1 |
| Conector Relimate com carcaça fêmea | ADAFRUIT | 2 conectores de pinos Quantidade: 1 | |
| Conector de terminal de plugue fêmea | JIALUN | 4mm Lantern Plugs (Plug + Socket) 15 A Quantidade: 1 | |
| Dissipador de Calor de Alumínio | AWIND | ----Para transistor TIP 31C Quantidade: 1 | |
| Led | CHANZON | 5 mm vermelho Quantidade: 1 | |
| Conector de soquete de circuito integrado | Te Electronics Co., Ltd. | ---- | Fila dupla de 8 pinos DIP Quantidade: 1 |
| conjunto de conectores de 3 pinos | STAR | ----JST PH 2.0 Quantidade: 3 | |
| conectores de parafuso de 2 pinos | STAR | ----Para PCB Quantidade: 1 | |
| Conectores de parafuso de 3 pinos | STAR | ----Para PCB Quantidade: 1 | |
| Cabo de teste do conector banana | JIALUN | P1041 - 4 mm - 15 A Quantidade: 7 | |
| conectores de bala para cabo de carga de plugue banana | Adaptadores macho-macho/fêmea-fêmea JIALUN----4 mm - 15 A Quantidade: 1 | ||
| Caixa | ---- | ---- | ABS Quantidade: 1 |
| Eletrodos | ---- | ---- | Aço inoxidável – aço Quantidade: 2 |
| Suporte de eletrodo | ---- | ---- | Teflon Quantidade: 2 |
| Placa | Quantidade: 1 | ||
| Estimulador magnético | |||
| Fio Cooper | Greenshine | ---- | AWG – 18 Quantidade: 1 |
| plugues de alimentação AC | ---- | ---- | 120 V AC – 60 Hz Quantidade: 1 |
| Conector fêmea banana cabo de teste | JIALUN | ---- | 1Set Injeção Dupla - 4 mm – 15 A Quantidade: 2 |
| Conector macho banana cabo de teste | JIALUN | 1Set Injeção Dupla - 4 mm 15 A Quantidade: 1 | |
| Suporte de placa de poço de cultura de células | ---- | ---- | PMMA Quantidade: 1 |
| Fusível | Bussmann | 2A | ---- Quantidade: 1 |
| Transformador | ---- | ---- | 1A - 6 V AC Quantidade: 1 |
| tubo | ---- | ---- | PVC Quantidade: 1 |
| reostato variável | MCP | BXS150 | 10 Ω Quantidade: 1 |
| Equipamento geral | |||
| Fonte dupla digital | PeakTech | DG 1022Z | 2 x 0 - 30 V / 0 - 5 A CC / 5 V / 3 A fijo Quantidade: 1 |
| Osciloscópio Digital | Rigol | DS1104Z Plus | 100 MHz, largura de banda, 4 canais Quantidade: 1 |
| Multímetro digital | Fluke | F179 | Voltage CC - CA (1000 V). CC atual - CA 10 A. Frequência 100 kHz Quantidade: 1 |
Referências
- 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).
- Ercan, B., Webster, T. J. The effect of biphasic electrical....
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Reimpressões e permissões
