Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Электрические и магнитные полевые устройства для стимуляции биологических тканей

4.9K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/62111

⸱

15 мая 2021 г.

 ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

Этот протокол описывает пошаговый процесс создания как электрических, так и магнитных стимуляторов, используемых для стимуляции биологических тканей. Протокол включает в себя руководство по имитации вычислительно электрических и магнитных полей и изготовлению стимулирующих устройств.

Аннотация

Электрические поля (EFs) и магнитные поля (MFs) широко используются тканевой инженерией для улучшения динамики клеток, таких как пролиферацию, миграцию, дифференциацию, морфологию и молекулярный синтез. Тем не менее, переменные, такие стимулы силы и время стимуляции должны быть рассмотрены при стимулировании либо клетки, ткани или леса. Учитывая, что EFs и MFs различаются в зависимости от клеточной реакции, остается неясным, как построить устройства, которые генерируют адекватные биофизические стимулы для стимулирования биологических образцов. В самом деле, существует отсутствие доказательств в отношении расчета и распределения, когда биофизические стимулы применяются. Этот протокол ориентирован на разработку и изготовление устройств для создания EFs и MFs и внедрение вычислительной методологии для прогнозирования распределения биофизических стимулов внутри и за пределами биологических образцов. Устройство EF состояло из двух параллельных электродов из нержавеющей стали, расположенных в верхней и нижней части биологических культур. Электроды были подключены к осциллятору для генерации напряжения (50, 100, 150 и 200 Вт-р) при 60 кГц. Устройство MF состояло из катушки, которая была под напряжением с трансформатором для генерации тока (1 A) и напряжения (6 V) на 60 Гц. Для обнаружения биологических культур в середине катушки была построена полиметилметиловая метакрилатная опора. Вычислительное моделирование прояснения прояснения однородного распределения EFs и MFs внутри и снаружи биологических тканей. Эта вычислительная модель является перспективным инструментом, который может изменять параметры, такие как напряжение, частоты, морфологии тканей, типы пластин, электроды и размер катушки для оценки EFs и MFs для достижения клеточной реакции.

Введение

Было показано, что EFs и MFs изменяют динамику клеток, стимулируя пролиферацию и увеличивая синтез основных молекул, связанных с внеклеточной матрицейтканей 1. Эти биофизические стимулы могут быть применены по-разному с помощью конкретных параметров и устройств. Что касается устройств для генерации EFs, прямые стимуляторы связи используют электроды, которые находятся в контакте с биологическими образцами in vitro или имплантированы непосредственно в ткани пациентов и животных in vivo2; однако, Есть еще ограничения и недостатки, которые включают в себя недостаточную биосовместимость электродов в контакте, изменения в рН и молекулярного уровня кислорода1. Напротив, косвенные устройства соединения генерируют ЭКФ между двумя электродами, которые размещаются параллельнобиологическим образцам 3, что позволяет неинвазивнойальтернативной технике стимулировать биологические образцы и избегать прямого контакта между тканями и электродами. Этот тип устройства может быть экстраполирован на будущие клинические приложения для выполнения процедур с минимальным вторжением к пациенту. По отношению к устройствам, которые генерируют MFs, индуктивные стимуляторы соединения создают изменяющий время электрический ток, который течет через катушку, которая находится вокругклеточных культур 4,5. Наконец, есть комбинированные устройства, которые используют EFs и статические MFs для генерации переходных электромагнитных полей1. Учитывая, что существуют различные конфигурации для стимулирования биологических образцов, необходимо учитывать такие переменные, как напряжение и частота при применении биофизических стимулов. Напряжение является важной переменной, так как влияет на поведение биологических тканей; например, было показано, что миграция клеток, ориентация и экспрессия геновзависят от амплитуды прикладного напряжения 3,6,7,8,9,10. Частота играет важную роль в биофизической стимуляции, так как было доказано, что они происходят естественно in vivo. Было продемонстрировано, что высокие и низкие частоты благотворно влияют на клетки; особенно, в клеточной мембране напряжения закрытых кальциевых каналов или эндоплазмической цитулум, которые вызывают различные сигнальные пути навнутриклеточном уровне 1,7,11.

Согласно вышеупомянутому, устройство для генерации ЭФ состоит из генератора напряжения, подключенного к двум параллельным конденсаторам12. Это устройство было реализовано Армстронгом и др., чтобы стимулировать как скорость распространения, так и молекулярный синтез хондроцитов13. Адаптация этого устройства была выполнена Брайтон и др., которые модифицировали клеточной культуры хорошо пластин путем бурения их верхней и нижней крышки. Отверстия были заполнены крышкой слайдов, где нижние очки были использованы для культуры биологических тканей. Электроды были размещены на каждом слайде крышки для создания EFs14. Это устройство было использовано для электрического стимулирования хондроцитов, остеобластов и хрящей explants, показывая увеличениепролиферации клеток 14,15,16 и молекулярного синтеза 3,17. Устройство, разработанное Hartig et al., состояло из волнового генератора и усилителя напряжения, которые были подключены к параллельным конденсаторам. Электроды были изготовлены из высококачественной нержавеющей стали, расположенной в изоляционной корпусе. Устройство было использовано для стимуляции остеобластов, показывая значительное увеличение пролиферации и секреции белка18. Устройство, используемое Кимом и др., состояло из двухфазного тока стимулятора чипа, который был построен с использованием производственного процесса дополнительных полупроводников высоковольтного оксида металла. Культура хорошо пластины была разработана для культуры клеток над проводимой поверхности с электрической стимуляции. Электроды были покрыты золотом над кремниевыми пластинами19. Это устройство было использовано для стимулирования остеобластов, показывая увеличение пролиферации и синтез сосудистого эндотелиальногофактора роста 19, и стимулирование производства щелочной активности фосфатазы, осаждения кальция и костных морфогенныхбелков 20. Аналогичным образом, это устройство было использовано для стимулирования скорости пролиферации и экспрессии сосудистого эндотелиального фактора роста мезенхимальных стволовых клеток21 костного мозгачеловека. Устройство, разработанное Nakasuji et al., состояло из генератора напряжения, подключенного к платиновым пластинам. Электроды были построены для измерения электрического потенциала в 24 различных точках. Это устройство было использовано для стимулирования хондроцитов, показывая, что EFs не изменили морфологию клеток и увеличение пролиферации и молекулярногосинтеза 22. Устройство, используемое Au et al., состояло из стеклянной камеры, оснащенной двумя углеродными стержнями, подключенными к стимулятору сердца с платиновыми проводами. Этот стимулятор был использован для стимулирования кардиомиоцитов и фибробластов, улучшение удлинения клеток и фибробластов выравнивание23.

Различные устройства MF были изготовлены на основе катушек Гельмгольца, чтобы стимулировать несколько типов биологических образцов. Например, катушки Гельмгольца были использованы для стимулирования пролиферации и молекулярногосинтеза хондроцитов 24,25, повышения протеогликан синтезасуставного хрящаexplants 26 , улучшить ген upregulation, связанные с формированием костей остеобласт-какклетки 27, и увеличение пролиферации и молекулярнойэкспрессии эндотелиальных клеток 28. Катушки Гельмгольца генерируют MFs в двух катушках, расположенных один перед другой. Катушки должны быть размещены на расстоянии, равном радиусу катушек, чтобы обеспечить однородный MF. Недостаток использования катушек Гельмгольца заключается в размерах катушки, потому что они должны быть достаточно большими, чтобы генерировать необходимую интенсивность MF. Кроме того, расстояние между катушками должно быть достаточным для обеспечения однородного распределения MFs вокруг биологических тканей. Чтобы избежать проблем, вызванных катушки Гельмгольца, различные исследования были сосредоточены на производстве соленоидных катушек. Соленоидные катушки основаны на трубке, которая рана с медной проволокой для создания MFs. Медный провод входы могут быть подключены непосредственно к розетке или питания для активизации катушки и создания MFs в центре соленоида. Чем больше поворотов катушки, тем больше MF генерируется. Величина MF также зависит от напряжения и тока, применяемого для активизации катушки29. Соленоидные катушки были использованы для стимуляции магнитно различных видов клеток, таких как HeLa, HEK293 и MCF730 или мезенхимальных стволовыхклеток 31.

Устройства, используемые различными авторами, не рассматривали ни адекватный размер электродов, ни правильную длину катушки, чтобы однородно распределять как EFs, так и MFs. Кроме того, устройства генерируют фиксированное напряжение и частоты, ограничивая их использование для стимулирования конкретных биологических тканей. По этой причине в этом протоколе выполняется вычислительное моделирование для имитации как емкостных систем, так и катушек для обеспечения однородного распределения ЭКФ и МФ по биологическим образцам, избегая эффекта края. Кроме того, показано, что конструкция электронных схем генерирует напряжение и частоту между электродами и катушками, создавая EFs и MFs, которые будут преодолевать ограничения, вызванные ограничением клеточной культуры хорошо пластин и воздуха. Эти изменения позволят создавать неинвазивные и адаптивные биореакторы для стимуляции любой биологической ткани.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Моделирование EFs и MFs

ПРИМЕЧАНИЕ: Моделирование EFs и MFs было выполнено в COMSOL Multiphysics.

  1. Выберите осесимметрическую 2D конфигурацию, чтобы представлять как электрические, так и магнитные домены.
  2. В конфигурации физики выберите интерфейс Electric Current для вычисления EFs в параллельных электродах или интерфейс магнитного поля для вычисления MFs вокруг катушек.
  3. В конфигурации исследования выберите частотный домен для вычисления реакции линейной или линейной модели, подвергаемой гармоническому возбуждению на одной или нескольких частотах.
  4. Оказавшись внутри интерфейса, чтобы начать строительство модели, следуйте следующим шагам в соответствии с моделью интереса.
    1. Создание модели для EFs
      1. Создавайте геометрию. В модели Builder ,выберите геометрию. Затем, найти раздел единиц и выбрать мм. На панели инструментов геометрии выберите Rectangle и ввемите размеры каждого компонента в поле размеров и форм настроек rectangle Window. Геометрия состоит из воздуха, двух параллельных электродов, культуры хорошо пластины, культуры средств массовой информации и биологического образца, который в данном случае представлен эшафот гиалуроновой кислоты - желатин гидрогель (см. размеры каждого элемента в таблице 1). После того, как все геометрии построены, нажмите Построить все объекты.
      2. Создавайте выделения. На панели инструментов определения ,нажмите Явный, чтобы создать выбор для металлического домена. Выберите геометрии, представляющие электроды. После, право нажмите на Явный 1, чтобы переименовать его. Тип металла в новом поле текста этикетки.
        1. С другой стороны, на панели инструментов определения, нажмите Дополнение. Найдите раздел Входные сущности в окне Настроек дополнения. Затем, под выбор, чтобы инвертировать, нажмите Добавить и выберите Металл в выборе инвертировать список из окна Добавить диалог. После этого нажмите правой кнопкой мыши в дополнении 1, чтобы переименовать его. Тип модели домена в новом поле текста этикетки.
      3. Создавайте границы. Нажмите Явно на панели инструментов определения. После обнаружения раздела Input Entities в окне Настройки для явного и из списка уровней geometric entity выберите Границу. Здесь выберите все границы для нижнего электрода. Право нажмите Явные 2, чтобы переименовать его. Ввести границы земли в новом поле текста метки. Повторите эти шаги, но выбрав все границы для верхнего электрода. После этого нажмите кнопку «Явная 3», чтобы переименовать ее. Границы терминала типа в новом поле текста метки.
      4. Добавьте электрические токи. В окне Model Builder под компонентом 1 нажмите Электрические токи (ec). Затем найдите раздел Выбор домена в окне настроек электрических тока. Из списка выбора выберите домен Модели. На панели инструментов физики,нажмите Границы и выбрать землю. После найдите раздел Выбор границ в окне «Наземные настройки» и выберите границы земли из списка выбора.
        1. После этого щелкните Границы и выберите Терминал на панели инструментов физики. Наконец, найдите раздел Выбор границ в окне настройки терминала и выберите границы Терминала из списка выбора; здесь, найдите раздел Терминала и выберите Voltage из списка Терминала и ввехните 100 V.
      5. Добавить материалы. Нажмите Добавить материал на панели домашнего инструмента, чтобы открыть окно Добавить материал. Поиск воздуха и нержавеющей стали и добавить их в окно Model Builder. Затем нажмите Пустой материал на панели домашнего инструмента и добавить три новых пустых материалов для культурных средств массовой информации, эшафот (гидрогель) и полистирол (культура хорошо пластины).
      6. Выберите пустой материал для присвоения диэлектрических свойств. Найдите список свойств материала в окне настроек материала и выберите относительную допустимость и электрическую проводимость из списка опций Basic Properties. Диэлектрические свойства для культурных средств массовой информации, гидрогеля и культуры хорошо пластины находятся в таблице 2. Повторите эту процедуру для всех пустых материалов.
      7. Присвоить каждый материал ранее построенным геометриям. Выберите воздушный материал в окне Model Builder; затем выберите домены, соответствующие воздуху из графического окна. Повторите этот шаг для всех созданных материалов. Убедитесь, что каждый домен соответствует правильному материалу. Чтобы убедиться, что все материалы правильно назначены, нажмите на каждый материал из окна Model Builder и понаблюдать за тем, выделены ли домены синим цветом в окне Graphic.
      8. Построить сетку. Право нажмите Сетка 1 в окне Model Builder и выберите Бесплатный треугольный. Повторите этот шаг, выбрав размер. В окне настройки сетки выберите сетку, контролируемую пользователем, из списка типа последовательности. Затем расширьте параметры сетки в окне Model Builder и нажмите Размер.
      9. Найдите параметры размера элемента в окне настройки размера и ввемит 1 мм для максимального размера элемента, 0,002 мм для минимального размера элемента, 1,1 для максимальной скорости роста элемента, 0,2 для кривизны и 1 для разрешения узких областей. Затем расширьте параметры сетки в окне Model Builder и нажмите Free Triangular 1. Здесь выберите все домены, которые будут сетчаты. Наконец, нажмите Build All в окне настройки сетки.
      10. Создание исследования. Нажмите Исследование 1 в окне модели builder. Затем найдите раздел Настройки исследования в окне настройки исследования и очистит чек-бокс участков Generate по умолчанию. Расширьте узел Study 1 в окне Model Builder и нажмите шаг 1: Домен частоты. Наконец, найдите раздел Настройки исследования в окне настройки частотного домена и ввемит 60 кГц в текстовом поле Frequencies.
      11. Рассчитайте исследование. Нажмите Показать по умолчанию Solver на панели инструментов исследования. Затем расширьте узел конфигураций Study 1 Solver в окне Model Builder. Расширить узел Solution 1 (sol1) в окне Model Builder; после этого щелкните Stationary Solver 1 в окне неподвижных настроек Solver и найдите общий раздел и ввех 1e-6 в текстовом поле относительной толерантности. Наконец, нажмите Compute на панели инструментов Study.
      12. Результаты участка. Выберите раздел Результаты на панели инструментов Home и добавьте 2D Plot Group. Затем нажмите правой кнопкой 2D Участок Группы 1 в окне Model Builder и выберите Surface. Затем найдите раздел Данные в окне Настройки поверхности и выберите Precursor. После найдите раздел Выражение в окне Настройки поверхности; здесь нажмите на символ плюс ( ) , чтобы открыть новое окно и найти последующий маршрут из списка выбора(модель - Компонент 1 - Электрические токи - Электрические). Здесь выберите ec.normE - EF Norm. Наконец, нажмите на графику в окне настройки поверхности, чтобы построить результаты.
    2. Создание модели для MFs
      1. Создавайте геометрию. В модели Строитель ,выберите геометрию; затем найдите раздел Единицы и выберите мм. На панели инструментов геометрии выберите Rectangle и ввемите размеры каждого компонента в поле размеров и форм настроек окна Rectangle. Геометрия состоит из воздуха и купера (см. размеры каждого элемента в таблице 1). После того, как все геометрии построены, нажмите Построить все объекты.
      2. Добавить материалы. Нажмите Добавить материал на панели домашнего инструмента, чтобы открыть окно Добавить материал. Поиск воздуха и меди и добавить их в окно Model Builder. Диэлектрические свойства меди находятся в таблице 2.
      3. Создавайте границы. Нажмите Магнитное поле на окне модели Builder. Здесь найдите список уравнений в окне параметров магнитных полей и выберите уравнение частотного домена из списка формы уравнения. В списке частот выбрать из решатера. После, найти закон Ампере на магнитном поле список в окне модели Builder. В типе 293.15 «K» в температуре ,1 »atm» в абсолютном давлении от списка модели входов. Затем выберите Solid из списка типов материалов в окне параметров закона Ampere. Убедитесь, что электрическая проводимость, относительная допустимость и относительная проницаемость соответствуют материалу Из списка.
      4. Найдите axial Symmetry в списке магнитного поля в окне Model Builder. Убедитесь, что линия осяной симметрии выделена как в списке выбора границ, так и в окне Graphic. Затем найдите Магнитную Изоляцию в списке Магнитного Поля в окне Model Builder. Убедитесь, что границы геометрии выделены как в списке выбора границ, так и в окне Graphic.
      5. Найдите начальные значения в списке магнитного поля в окне Model Builder. Выберите ранее построенные геометрии и включите их в выбор домена из окна параметров первоначальных значений.
      6. Ввемит функции катушки. Найдите несколько катушек в списке магнитного поля в окне Model Builder. Здесь выбирает геометрию, представляющую катушку, и включает ее в выбор домена из окна нескольких настроек катушки.
      7. Найдите список нескольких катушек в окне настройки нескольких катушек; здесь, найти список возбуждения катушки и выберите текущий; после этого, тип 1 «A» в текущем списке катушки, 450 в количестве поворотов и 6e7»S/m» в проводимости катушки.
      8. Найдите поперечную область провода катушки и выберите североамериканский диаметр кабеля (Коричневый и Шарп) из списка и ввёзь 18 в варианте AWG. Убедитесь, что относительная допустимость и относительная проницаемость соответствуют материалу из списка.
      9. Построить сетку. В окне настройки сетки выберите сетку, контролируемую физикой, из списка типа последовательности. После этого найдите параметры размера элемента в окне настройки сетки и выберите Чрезвычайно отлично. Наконец, выберите все домены, которые будут сцепиться, и нажмите Build All в окне настройки сетки.
      10. Создание исследования. Нажмите Исследование 1 в окне модели builder. Затем найдите раздел Настройки исследования в окне настройки исследования и очистит чек-бокс участков Generate по умолчанию. Расширьте узел Study 1 в окне Model Builder и нажмите шаг 2: Домен частоты. Наконец, найдите раздел Настройки исследования в окне настройки частотного домена и ввемит 60 Гц в текстовом поле Frequencies.
      11. Рассчитайте исследование. Нажмите Показать по умолчанию Solver на панели инструментов исследования. Затем расширьте узел конфигураций Study 1 Solver в окне Model Builder. Расширить узел Solution 1 (sol1) в окне Model Builder; после этого щелкните Stationary Solver 1 в окне неподвижных настроек Solver и найдите общий раздел и ввестите 1e-6 в поле текста относительной толерантности. Наконец, нажмите Compute на панели инструментов Study.
      12. Результаты участка. Выберите раздел Результаты на панели инструментов Home и добавьте 2D Plot Group. Затем нажмите правой кнопкой 2D Участок Группы 1 в окне Model Builder и выберите Surface. Затем найдите раздел Данные в окне Настройки поверхности и выберите Precursor.
      13. Найдите раздел Выражение в окне Настройки поверхности. Здесь нажмите на символ плюс ( ) , чтобы открыть новое окно и найти последующий маршрут из списка выбора(Модель - Компонент 1 - Магнитное поле - Магнитный). Здесь выберите mf.normB - Магнитная плотность потока Норма. Наконец, нажмите на графику в окне настройки поверхности, чтобы построить результаты.

2. Проектирование и изготовление устройств электрической и магнитной стимуляции

  1. Электростимуляторное устройство
    ПРИМЕЧАНИЕ: Он состоит из цепи на основе Осциллятора Вена моста и двух параллельных электродов из нержавеющей стали. Схема rc осциллятор фазового сдвига, который использует положительные и отрицательные отзывы. Осциллятор Wien Bridge состоит из сети свинцово-лагов, которая разделяет входное напряжение на комбинацию двух рук моста: резистора R5 с конденсатором C2 в серии, и резистор R6 с конденсатором C3 параллельно (Рисунок 1A). Эти компоненты модулируют частоту осциллятора. Для создания электрического устройства стимулятора следуйте следующим шагам:
    1. Рассчитайте частоту с помощью резонансного уравнения частот (1).
      figure-protocol-1
      В тех случаях,когда резисторы R 5 и R6являются резисторами, а C и C2 - C3 - конденсаторами. Оба R и C помещаются в двух руках моста(рисунок 1A). Для получения частоты 60 кГц и R 6 2,6 кЗ и С 2 й С 3 и 1 nF и 6,6 кГц и R 5 й 5. Резисторы и конденсаторы могут быть рассчитаны, если требуется другая частота.
    2. Проектирование схемы таким образом, чтобы увеличение напряжения усилителя автоматически компенсировало амплитуду изменения выходного сигнала. На рисунке 1А можно наблюдать схему схемы, в то время как в разделе Таблица материалов перечислены электронные компоненты для построения схемы.
    3. Рассчитайте комбинацию резисторов для генерации четырех выходных напряжений. Как показано на рисунке 1A, использовать комбинацию резисторов R11, R12, R13 и R14 (эквивалентное сопротивление 154 Ω) для создания напряжения 50 Vp-p; резисторы R17, R18 и R19 в серии (эквивалентное сопротивление 47,3 Ω) для получения напряжения 100 Vp-p; резисторы R9 и R10 в серии (эквивалентное сопротивление 25,3 Ω) для генерации напряжения 150 Vp-p; и сочетание резисторов R15 и R16 (эквивалентное сопротивление 16,8 Ω), чтобы получить напряжение 200 Vp-p.
    4. Используйте транзистор (TIP 31C) и трансформатор ядра феррита для реализации этапа усиления сигнала. Тороидальное ядро феррита было использовано для ветра медной проволоки AWG 24, завершив связь 1:200. Используйте два конденсатора(C4 и C5) 100 nF параллельно перед трансформатором, чтобы исправить сигнал(рисунок 1A).
    5. Подготовь ПКБ с помощью стороны PCB производственной службы. Схематическая схема схемы схемы приведена на рисунке 1. Поместите все компоненты на ПХД с антистатическим пинцетом. Используйте оловянный припой и припой железа припой все компоненты.
    6. Изготовьй пластиковый корпус с входным разъемом для защиты цепи. Внедрение трех входных разъемов для активизации цепи (12 V, -12 V и грунта). Используйте два входных разъема для подключения электродов. Включите три переключателя, чтобы изменить комбинацию резисторов, чтобы получить четыре выходных напряжения. Соберите электронную схему в пластиковый корпус(рисунок 1B).
    7. Изготовить два параллельных электрода из нержавеющей стали (200 х 400 х 2 мм) и припой входные разъемы для каждого края. Электроды расположены над тефлоном или акриловыми опорами, чтобы исключить любой контакт с металлической поверхностью инкубатора(рисунок 1C).
    8. Используйте автоклав при 394.15 K (121 градус по Цельсию) в течение 30 минут, чтобы стерилизовать электроды и использовать ультрафиолет в течение ночи для стерилизации проводов, которые находятся в контакте с инкубатором.
    9. Проверьте устройство электрической стимуляции. Отрегулируйте подачу питания в серии для генерации выходного напряжения в размере 12 В и -12 В между наземным и положительным и отрицательным терминалами. Прояви выходное напряжение питания с помощью мультиметра. Подключите каждый выход питания при правильном входе электрического стимулятора (No12 V, -12 V и грунта). Подключите каждый электрод в правильный входной разъем электрического стимулятора. Полярность не имеет важного значение, так как мы работаем над током переменного тока. Поместите культуру хорошо пластины между электродами и проверить выходной сигнал с осциллоскопом. Отрегулируйте переключатели электрического стимулятора для генерации четырех выходных напряжений (50, 100, 150 и 200 Vp-p).
    10. Рекомендации по безопасности. Чтобы избежать каких-либо проблем при передаче или удалении электродов из инкубатора убедитесь, что кабели не запутались. Отключите кабели от осциллятора перед удалением электродов из инкубатора. Никогда не развями электроды без акриловой или тефлоновой опоры.
  2. Устройство магнитного стимулятора
    1. Оцените количество поворотов, чтобы гарантировать однородный MF внутри катушки с помощью уравнения (2), который описывает MF внутри соленоидной катушки.
      figure-protocol-2
      где μ0 является магнитной проницаемости вакуума (4π×10-7), N является количество поворотов медной проволоки, я ток, и ч, который должен быть больше, чем его диаметр, является длина соленоидной катушки.
    2. Определите количество поворотов, выбрав длину (ч) 250 мм, ток 1 А и В-ит 2мТ.
    3. Изготовь катушки. Построить поливинилхлорид (ПВХ) трубки длиной 250 мм и диаметром 84 мм, чтобы ветер AWG 18 медной проволоки завершения 450 поворотов (Рисунок 2A). Размеры были выбраны на основе доступного пространства внутри инкубатора.
    4. Изготовление клеточной культуры хорошо пластины поддержки. Построить полиметилметилат (PMMA) поддержки для обеспечения того, чтобы хорошо пластины 35 мм всегда были расположены в середине катушки, где MFs являются однородными(рисунок 2A).
    5. Изготовить трансформатор для увеличения тока цепи. Построить трансформатор с выходом 1 А - 6 В переменного тока, чтобы достичь максимального MF 2 мТ. Входное напряжение трансформатора составило 110 В переменного тока при 60 Гц. Эти параметры соответствуют выходной напряжению и частоте выхода в южную Америку.
    6. Соедините цепь. Трансформатор подключен непосредственно к розетке. Используйте переменный резистор (реостат), чтобы изменять ток и генерировать MFs от 1 до 2 мТ. Подключите предохранитель для защиты цепи(рисунок 2B).
    7. Используйте ультрафиолет в течение ночи, чтобы стерилизовать провода, которые находятся в контакте с инкубатором. Оберните катушки с прозрачной пленкой стрейч и использовать этанол для стерилизации катушки.
    8. Проверьте устройство MF. Используйте тесламетр для измерения величины MF внутри катушки. Зонд тесламетра находился в центре катушки, что позволяло одновременно измерять MFs и токи.
    9. Варьировать величину MF. Используйте реостат для изменения сопротивления цепи(рисунок 2B). Значение сопротивления 0,7 Ω использовалось для генерации MFs 1 мТ.
    10. Рекомендации по безопасности. Чтобы избежать каких-либо проблем при передаче или удалении соленоида из инкубатора убедитесь, что кабели не запутались. Отключите кабели от трансформатора перед удалением соленоида из инкубатора. Никогда не разывять соленоид без поддержки PMMA. Твердо понять как PMMA поддержки от базы и solenoid при передаче или удалении из инкубатора.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Вычислительное моделирование
Распределение ETF и MFs показано на рисунке 3. С одной стороны, можно было наблюдать однородное распределение ЭК в емкостной системе(рисунок 3А). EF был построен для детального наблюдения за величиной поля внутри биологического образца(рисунок 3B). Это моделирование было полезно для параметризации размера электродов и их производства, чтобы избежать эффекта края. С другой стороны, мож...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Лечение, используемое для лечения различных патологий, которые влияют на ткани человекаявляются фармакологические методы лечения 32 или хирургические вмешательства 33, которые стремятся облегчить боль локально или заменить пораженные ткани с эксплантами или трансплантации. Недавно, аутологичной клеточной терапии было предложено в качестве альтернативной терапии для лечения травмированных тканей, где клетки изолированы от пациента и расширены, с помощью методов in vitro, кот...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Благодарности

Авторы благодарят финансовую поддержку, оказанную "Фонд Национального де Financiamiento пара ла Ciencia, Ла Текнология, y la Innovaci'n -Фонд Франсиско Хосе де Кальдас-Минсенсияс" и Национальный университет Колумбии через грант No 80740-290-2020 и поддержку, полученную Valteam Tech - Исследования и инновации для предоставления оборудования и технической поддержки в издании видео.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
<сильный>Электростимулятор
Операционный усилительMotorolaLF-353N----
Количество: 1
Резисторы--------22 kΩ
Количество: 1
Резисторы--------10 kΩ
Количество: 3
резистора--------2.6 kΩ < бр/> Количество: 2
резистора--------2.2 kΩ
Количество: 1
Резисторы--------1 kΩ
Количество: 1
Резисторы--------220 Ω
Количество: 2
резистора--------22 &
Количество: 5
резисторов--------10 Ω
Количество: 1
Резисторы--------6.8 Ω
Количество: 1
Резисторы--------3.3 Ω
Количество: 2
Полиэфирные конденсаторы--------1 нФ<бр/> Количество: 2
Полиэфирные конденсаторы--------100 нФ<бр/> Количество: 1
Усилитель УКВ диапазона Транзистор JFETToshiba2SK161----
Количество: 1
Силовой транзистор BJT NPNMospecTIP 31C----
Количество: 1
СтабилитронMicrosemi1N4148----
Количество: 1
ПереключательToogle SwitchSPDT - T13----
Количество: 3
Тороидальный ферритовый сердечникCaracol----T*22*14*8
Количество: 1
Медный проводGreenshine----AWG – 24
Количество: 1
Разъем Relimate с внутренним корпусомADAFRUIT----8-контактные разъемы
Количество: 1
разъем Relimate с гнездовым корпусомADAFRUIT----2-контактные разъемы
Количество: 1
гнездовой разъем штекерного разъемаJIALUN----4 мм Штекеры фонаря (вилка + розетка) 15 A
Количество: 1
алюминиевый радиаторAWINDДля TIP 31C транзистор
Количество: 1
светодиодCHANZON5 мм красный<бр/> Количество: 1
Разъем для интегральной схемыTe Electronics Co., Ltd.----Двухрядный 8-контактный DIP
Количество: 1
комплект 3-контактных разъемовSTARJST PH 2.0
Количество: 3
2-контактных винтовых разъемаSTARДля PCB
Количество: 1
3-контактные винтовые разъемыSTARДля PCB
Количество: 1
Измерительный провод бананового разъемаJIALUNP1041 - 4 mm - 15 A
Количество: 7
Bullet connectors to banana plug charge leadJIALUN4 мм адаптеры папа-папа/самка-мама - 15 A
Количество: 1
Case--------ABS
Количество: 1
Электроды--------Нержавеющая сталь
Количество: 2
Количество Electrode Support--------Teflon
: 2
Печатная платаКоличество: 1
<сильно>Магнитный стимулятор
Медный проводGreenshine----AWG – 18
Количество: 1
Вилки переменного тока--------120 В переменного тока – 60 Гц<бр/> Количество: 1
Контрольный провод гнездового разъема BananaJIALUN----1Set Dual Injection - 4 mm – 15 A
Количество: 2
Измерительный провод Banana Male ConnectorJIALUN----1Set Dual Injection - 4 mm 15 A
Количество: 1
Клеточная культура Flat Support--------PMMA
Количество: 1
FuseBussmann2A----
Количество: 1
Transformer--------1А – 6 В переменного тока<бр/> Количество: 1
трубка--------ПВХ<бр/> Количество: 1
переменный реостатMCPBXS15010 & Омега;
Количество: 1
General equipment
Digital dual source PeakTechDG 1022Z2 x 0 - 30 В / 0 - 5 А CC / 5 В / 3 А fijo
Количество: 1
Цифровой осциллографRigolDS1104Z Plus100 МГц, полоса, 4 канала<бр/> Количество: 1
Цифровой мультиметрFlukeF179Voltage CC – CA (1000 В). Текущий CC – CA 10 A. Частота 100 кГц<бр/> Количество: 1
----------------------------

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Электрические и магнитные полевые устройства для стимуляции биологических тканей
Свяжитесь с нами
Рекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

Авторские права © 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.