Name: Dispositivos de campo elétrico e magnético para estimulação de tecidos biológicos (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-05-15T15:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 29 s
Description: Aprenda a construir dispositivos de campo elétrico e magnético para estimulação de tecidos biológicos usando simulações computacionais no COMSOL Multiphysics. Este protocolo guia pesquisadores em neurociência e engenharia biomédica.

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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.

Os autores declaram que não têm conflito de interesses.

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...

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 pelos eletrodos em contato, alterações nos níveis de pH e oxigênio molecular1. Pelo contrário, dispositivos de acoplamento indireto geram EFs entre dois eletrodos, que são colocados em paralelo às amostras biológicas3,permitindo uma técnica alternativa não invasiva para estimular amostras biológicas e evitar o contato direto entre tecidos e eletrodos. Esse tipo de dispositivo pode ser extrapolado para futuras aplicações clínicas para realizar procedimentos com invasão mínima ao paciente. Em relação aos dispositivos que geram MFs, estimuladores de acoplamento indutivo criam uma corrente elétrica que varia o tempo, que flui através de uma bobina que está localizada ao redor das culturas celulares4,5. Finalmente, existem dispositivos combinados, que usam EFs e MFs estáticos para gerar campos eletromagnéticos transitórios1. Dado que existem diferentes configurações para estimular amostras biológicas, é necessário considerar variáveis como tensão e frequência quando são aplicados estímulos biofísicos. A tensão é uma variável importante, pois influencia o comportamento dos tecidos biológicos; por exemplo, foi demonstrado que a migração celular, orientação e expressão genética dependem da amplitude da tensão aplicada3,6,7,8,9,10. A frequência desempenha um papel importante na estimulação biofísica, pois tem sido evidenciado que estes ocorrem naturalmente in vivo. Tem sido demonstrado que frequências altas e baixas têm efeitos benéficos sobre as células; especialmente, nos canais de cálcio fechados pela tensão da membrana celular ou no ânticulo endoplasmático, que desencadeiam diferentes vias de sinalização no nível intracelular1,7,11.
De acordo com o citado, um dispositivo para geração de EFs consiste em um gerador de tensão conectado a dois capacitores paralelos12. Este dispositivo foi implementado por Armstrong et al. para estimular tanto a taxa de proliferação quanto a síntese molecular dos condrócitos13. Uma adaptação deste dispositivo foi realizada por Brighton et al. que modificaram as placas de cultura celular perfurando suas tampas superior e inferior. Os buracos foram preenchidos por lâminas de cobertura, onde os óculos inferiores eram usados para cultivar tecidos biológicos. Eletrodos foram colocados em cada slide de cobertura para gerar EFs14. Este dispositivo foi utilizado para estimular eletricamente condrócitos, osteoblastos e explantes de cartilagem, mostrando um aumento na proliferação celular14,15,16 e síntese molecular3,17. O dispositivo projetado por Hartig et al. consistia em um gerador de ondas e um amplificador de tensão, que estavam conectados a capacitores paralelos. Os eletrodos eram feitos de aço inoxidável de alta qualidade localizados em uma caixa isolante. O dispositivo foi utilizado para estimular os osteoblastos, mostrando um aumento significativo na proliferação e secreção deproteínas 18. O dispositivo usado por Kim et al. consistia em um chip estimulador de corrente bifásica, que foi construído usando um processo de fabricação de semicondutores complementares de óxido metálico de alta tensão. Um bem-prato de cultura foi projetado para cultivar células sobre uma superfície condutiva com estimulação elétrica. Os eletrodos foram revestidos em ouro sobre placasde silício 19. Este dispositivo foi utilizado para estimular os osteoblastos, mostrando um aumento na proliferação e na síntese do fator de crescimento endotelial vascular19, e estimulando a produção de atividade fosfatase alcalina, deposição de cálcio e proteínas morfogênicasósseas 20. Da mesma forma, este dispositivo foi utilizado para estimular a taxa proliferativa e a expressão do fator de crescimento endotelial vascular das células-tronco mesenquimais da medula óssea humana21. O dispositivo projetado por Nakasuji et al. era composto por um gerador de tensão conectado a placas de platina. Eletrodos foram construídos para medir o potencial elétrico em 24 pontos diferentes. Este dispositivo foi utilizado para estimular condrócitos, mostrando que os EFs não alteraram a morfologia celular e aumentaram a proliferação e a síntese molecular22. O dispositivo utilizado por Au et al. consistia em uma câmara de vidro equipada com duas hastes de carbono conectadas a um estimulador cardíaco com fios de platina. Este estimulador foi utilizado para estimular cardiomiócitos e fibroblastos, melhorando o alongamento celular e o alinhamento do fibroblasto23.
Diferentes dispositivos MF foram fabricados com base em bobinas Helmholtz para estimular vários tipos de amostras biológicas. Por exemplo, as bobinas Helmholtz têm sido usadas para estimular a proliferação e a síntese molecular de conrócitos24,25, melhorar a síntese proteoglicana das explanações de cartilagem articular26,melhorar a regulação genética relacionada à formação óssea de células semelhantes ao osteoblasto27, e aumentar a proliferação e expressão molecular das células endoteliais28. As bobinas helmholtz geram MFs ao longo de duas bobinas localizadas uma na frente da outra. As bobinas devem ser colocadas com uma distância igual ao raio das bobinas para garantir uma MF homogênea. A desvantagem de usar bobinas Helmholtz está nas dimensões da bobina, porque elas precisam ser grandes o suficiente para gerar a intensidade de MF necessária. Além disso, a distância entre as bobinas deve ser adequada para garantir uma distribuição homogênea de FMs ao redor de tecidos biológicos. Para evitar problemas causados pelas bobinas helmholtz, diferentes estudos têm sido focados na fabricação de bobinas solenoides. As bobinas solenoides são baseadas em um tubo, que é ferido com fio de cobre para gerar MFs. As entradas de fio de cobre podem ser conectadas diretamente à tomada ou a uma fonte de alimentação para energizar a bobina e criar MFs no centro do solenoide. Quanto mais giros a bobina tem, maior o MF gerado. A magnitude do MF também depende da tensão e da corrente aplicada para energizar a bobina29. Bobinas solenoides têm sido usadas para estimular células magneticamente diferentes, como HeLa, HEK293 e MCF730 ou células-tronco mesenquimais31.
Os dispositivos utilizados por diferentes autores não consideraram o tamanho adequado dos eletrodos ou o comprimento correto da bobina para distribuir homogeneamente tanto os EFs quanto os MFs. Além disso, os dispositivos geram tensões e frequências fixas, limitando seu uso para estimular tecidos biológicos específicos. Por essa razão, neste protocolo é realizada uma diretriz de simulação computacional para simular tanto sistemas capacitivos quanto bobinas para garantir a distribuição homogênea de EFs e MFs sobre amostras biológicas, evitando o efeito de borda. Além disso, mostra-se que o desenho dos circuitos eletrônicos gera tensões e frequência entre os eletrodos e a bobina, criando EFs e MFs que superarão limitações causadas pela impedância do bem-estar da cultura celular e do ar. Essas modificações permitirão a criação de bioreatores não invasivos e adaptativos para estimular qualquer tecido biológico.

<table><tbody><tr><td><forte>Estimulador elétrico</forte></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Amplificador operacional</td><td>Motorola</td><td>LF-353N</td><td>---- Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Resistores</td><td>----</td><td>----22</td> <td>k&Omega; Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Resistores</td><td>----</td><td>----</td><td>10 k&Omega; Quantidade: 3</td></tr><tr><td>Resistores</td><td>----</td><td>----</td><td>2.6 k&Omega; Quantidade: 2</td></tr><tr><td>Resistores</td><td>----</td><td>----</td><td>2.2 k&Omega; Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Resistores</td><td>----</td><td>----</td><td>1 k&Omega; Quantidade: 1</td></tr><tr><td>resistores</td><td>----</td><td>----</td><td>220 e ômega; Quantidade: 2</td></tr><tr><td>resistores</td><td>----</td><td>----</td><td>22 e ômega; Quantidade: 5</td></tr><tr><td>resistores</td><td>----</td><td>----</td><td>10 e ômega; Quantidade: 1</td></tr><tr><td>resistores</td><td>----</td><td>----</td><td>6,8 e ômega; Quantidade: 1</td></tr><tr><td>resistores</td><td>----</td><td>----</td><td>3.3 e ômega; Quantidade: 2</td></tr><tr><td>Capacitores de poliéster</td><td>----</td><td>----</td><td>1 nF Quantidade: 2</td></tr><tr><td>capacitores de poliéster</td><td>----</td><td>----</td><td>100 nF Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Amplificador de banda VHF Transistor JFET</td><td>Toshiba</td><td>2SK161</td><td>---- Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Transistor de potência BJT NPN</td><td>Mospec</td><td>TIP 31C</td><td>---- Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Diodo Zener</td><td>Microsemi</td><td>1N4148</td><td>---- Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Interruptor</td><td>Toogle Switch</td><td>SPDT - T13</td><td>---- Quantidade: 3</td></tr><tr><td>Núcleo de ferrite toroidal</td><td>Caracol</td><td>----</td><td>T*22*14*8 Quantidade: 1</td></tr><tr><td>fio Cooper</td><td>Greenshine</td><td>----</td><td>AWG &ndash; 24 Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Cabeçote Relimate com carcaça feminina</td><td>ADAFRUIT</td><td>----</td><td>Conectores de 8 pinos Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Conector Relimate com carcaça fêmea</td><td>ADAFRUIT</td><td></td>----<td>2 conectores de pinos Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Conector de terminal de plugue fêmea</td><td>JIALUN</td>----<td></td><td>4mm Lantern Plugs (Plug + Socket) 15 A Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Dissipador de Calor de Alumínio</td><td>AWIND</td><td></td><td>----Para transistor TIP 31C Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Led</td><td>CHANZON</td><td></td>----<td>5 mm vermelho Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Conector de soquete de circuito integrado</td><td>Te Electronics Co., Ltd.</td><td>----</td><td>Fila dupla de 8 pinos DIP Quantidade: 1</td></tr><tr><td>conjunto de conectores de 3 pinos</td><td>STAR</td><td></td><td>----JST PH 2.0 Quantidade: 3</td></tr><tr><td>conectores de parafuso de 2 pinos</td><td>STAR</td><td></td><td>----Para PCB Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Conectores de parafuso de 3 pinos</td><td>STAR</td><td></td><td>----Para PCB Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Cabo de teste do conector banana</td><td>JIALUN</td><td></td>----<td>P1041 - 4 mm - 15 A Quantidade: 7</td></tr><tr><td>conectores de bala para cabo de carga de plugue banana</td><td></td> <td>Adaptadores macho-macho/fêmea-fêmea JIALUN----4 mm - 15 A Quantidade: 1</td><td></td></tr> <tr><td>Caixa</td><td>----</td><td>----</td><td>ABS Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Eletrodos</td><td>----</td><td>----</td><td>Aço inoxidável &ndash; aço Quantidade: 2</td></tr><tr><td>Suporte de eletrodo</td><td>----</td><td>----</td><td>Teflon Quantidade: 2</td></tr><tr><td>Placa</td><td></td><td></td> de circuito impresso <td>Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Estimulador magnético</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Fio Cooper</td><td>Greenshine</td><td>----</td><td>AWG &ndash; 18 Quantidade: 1</td></tr><tr><td>plugues de alimentação AC</td><td>----</td><td>----</td><td>120 V AC &ndash; 60 Hz Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Conector fêmea banana cabo de teste</td><td>JIALUN</td><td>----</td><td>1Set Injeção Dupla - 4 mm &ndash; 15 A Quantidade: 2</td></tr><tr><td>Conector macho banana cabo de teste</td><td>JIALUN</td><td></td>----<td>1Set Injeção Dupla - 4 mm 15 A Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Suporte de placa de poço de cultura de células</td><td>----</td><td>----</td><td>PMMA Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Fusível</td><td>Bussmann</td><td>2A</td><td>---- Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Transformador</td><td>----</td><td>----</td><td>1A - 6 V AC Quantidade: 1</td></tr><tr><td>tubo</td><td>----</td><td>----</td><td>PVC Quantidade: 1</td></tr><tr><td>reostato variável</td><td>MCP</td><td>BXS150</td><td>10 &Omega; Quantidade: 1</td></tr><tr><td><forte>Equipamento geral</forte></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Fonte dupla 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 Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Osciloscópio Digital</td><td>Rigol</td><td>DS1104Z Plus</td><td>100 MHz, largura de banda, 4 canais Quantidade: 1</td></tr><tr><td>Multímetro digital</td><td>Fluke</td><td>F179</td><td>Voltage CC - CA (1000 V). CC atual - CA 10 A. Frequência 100 kHz Quantidade: 1</td></tr></tbody></table>

dispositivos de campo elétrico e magnético para estimulação de tecidos biológicos

Electric and Magnetic Field Devices for Stimulation of Biological Tissues

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.

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,...

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.

Dispositivos de campo elétrico e magnético para estimulação de tecidos biológicos

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

Estímulos biofísicos têm sido usados para estimular a dinâmica celular e molecular em diferentes tecidos. Alguns estudos avaliaram o impacto dos campos elétricos e magnéticos em diferentes tipos de células, como condrócitos, osteoblastos e fibroblastos, implantes teciduais e andaimes. Embora diferentes dispositivos estimulantes tenham sido desenvolvidos sob as características específicas para estimular tecidos biológicos, é necessário confirmar dispositivos elétricos e magnéticos nos quais a tensão e a frequência poderiam ser variadas para estimular uma ampla gama de amostras biológicas.A simulação computacional para verificar a distribuição do campo elétrico foi realizada na COMSOL Multifísica. Aqui, uma configuração axisymetric foi utilizada para simular o sistema capacitivo que é composto por dois eletrodos paralelos, o ar, nossa placa de cultura, a mídia cultural, e a amostra biológica, que neste caso, foi representada por um andaime. As propriedades materiais de cada elemento foram a condutividade elétrica e a relativa permissão.A tensão aplicada foi fixada em 100 volts, enquanto a frequência foi fixada em 60 kilohertz sine Wien para. Após a introdução de todos os parâmetros,

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioengenharia

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