Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

نمذجة العناصر المحدودة لبيئة كهربائية خلوية

Published: May 18, 2021 doi: 10.3791/61928
Automatic Translation
1, 1, 1, 2, 1,3
1Department of Materials, Faculty of Science and Engineering, The University of Manchester, 2Department of Mechanical, Aerospace and Civil Engineering, Faculty of Science and Engineering, The University of Manchester, 3The Henry Royce Institute, Royce Hub Building, The University of Manchester

Summary

تعرض هذه الورقة استراتيجية لبناء نماذج عناصر محدودة من المواد موصل ليفية تتعرض لحقل كهربائي (EF). يمكن استخدام النماذج لتقدير المدخلات الكهربائية التي تتلقاها الخلايا المصنفة في مثل هذه المواد وتقييم تأثير تغيير خصائص المواد المكونة للسقالة أو هيكلها أو اتجاهها.

Abstract

تظهر الدراسات السريرية التحفيز الكهربائي (ES) ليكون العلاج المحتمل للشفاء وتجديد الأنسجة المختلفة. فهم آليات استجابة الخلايا عند التعرض للمجالات الكهربائية وبالتالي يمكن أن توجه الأمثل للتطبيقات السريرية. وتهدف التجارب المختبرية إلى المساعدة في الكشف عن تلك التجارب، مما يوفر ميزة نطاقات أوسع للمدخلات والمخرجات يمكن تقييمها أخلاقيا وفعالا. ومع ذلك ، من الصعب إعادة إنتاج التقدم في التجارب المختبرية مباشرة في البيئات السريرية. ويرجع ذلك أساسا إلى أن أجهزة ES المستخدمة في المختبر تختلف اختلافا كبيرا عن تلك المناسبة لاستخدام المريض، والمسار من الأقطاب الكهربائية إلى الخلايا المستهدفة مختلف. وبالتالي فإن ترجمة النتائج في المختبر إلى إجراءات في الجسم الحي ليست مباشرة. ونؤكد أن بنية البيئة الخلوية الدقيقة وخصائصها الفيزيائية تلعب دورا حاسما في ظروف الاختبار التجريبي الفعلي، ونقترح أن تدابير توزيع الشحنة يمكن استخدامها لسد الفجوة بين المختبر وفي الجسم الحي. وبالنظر إلى ذلك، فإننا نظهر كيف يمكن استخدام نمذجة العناصر المحدودة في السيليكو (FEM) لوصف البيئة الدقيقة الخلوية والتغيرات الناتجة عن التعرض للمجال الكهربائي (EF). نسلط الضوء على كيفية أزواج EF مع هيكل هندسي لتحديد توزيع الشحنة. ثم نعرض تأثير المدخلات المعتمدة على الوقت على حركة الشحن. وأخيرا، فإننا نثبت أهمية منهجيتنا الجديدة في نموذج السيليكو باستخدام دراستي حالة: (1) في السقالات الليفية المختبرية بولي (3،4-إيثيلين ديوكسيثيوفين) بولي (الستيرينسولفونات) (PEDOT-PSS) و (2) في الكولاجين الحي في مصفوفة خارج الخلية (ECM).

Introduction

ES هو استخدام EFs بهدف السيطرة على الخلايا والأنسجة البيولوجية. وتستند آليته على التحفيز المادي الذي يتم نقلها إلى الخلية عندما تتعرض الجزيئات الحيوية داخلها والمحيطة بها لتدرج الجهد المتولد خارجيا. وتشارك الجسيمات المشحونة في حركة منظمة يحكمها قانون كولومب، مما يولد قوى سحب على الجسيمات غير المشحونة. يؤدي تدفق السوائل الناتج وتوزيع الشحنة إلى تغيير أنشطة الخلايا ووظائفها مثل التصاق والانكماش والهجرة والتوجه والتمايز والانتشار1 حيث تحاول الخلية التكيف مع التغير في ظروف البيئة الدقيقة.

وبما أن الصناديق الكهربائية يمكن التحكم فيها، وغير الغازية، وغير الدوائية، وتبين أن لها تأثير فعال على سلوك الخلايا الأساسية، ES هو أداة قيمة لهندسة الأنسجة والطب التجديدي. وقد تم استخدامه بنجاح لتوجيهالعصبية 2, الهيكل العظمي3, عضلة القلب4, العظام5 والجلد6 التنمية. وعلاوة على ذلك، كما أنه يعزز iontophoresis7،ويستخدم كعلاج بديل أو مكمل لتلك الدوائية التقليدية. لا تزال تناقش كفاءتها في إدارة الألم كما ينتظر التجارب السريرية ذات جودة أعلى8,9,10. ومع ذلك، لم يتم الإبلاغ عن أي آثار سلبية ولها القدرة على تحسين رفاهية المريض11،12،13،14،15.

في حين أن التجارب السريرية فقط يمكن أن تعطي حكما نهائيا لفعالية الإجراء ، فإن هناك حاجة إلى نماذج في المختبر وفي silico لإثراء تصميم علاج ES الذي يمكن التنبؤ به لأنها توفر سيطرة أقوى على مجموعة أوسع من الحالات التجريبية. الاستخدامات السريرية التحقيق من ES هي تجديد العظام16,17, الانتعاش من العضلات denervated18,19, تجديد أكسنال بعد الجراحة20,21, تخفيف الألم22, التئام الجروح23,24,25 وإيونتوبهوريتي تسليم المخدرات26. من أجل إدخال أجهزة ES على نطاق واسع على جميع التطبيقات المستهدفة المحتملة ، لم تثبت التجارب السريرية بعد أدلة أقوى على العلاج الفعال. حتى في المجالات التي تشير فيها الدراسات الحيوانية والبشرية الحية باستمرار إلى نتائج إيجابية ، فإن العدد الكبير من الطرق المبلغ عنها إلى جانب القليل جدا من التوجيه حول كيفية الاختيار بينها وارتفاع سعر الاستحواذ يردع الأطباء عن الاستثمار في أجهزة ES27. للتغلب على ذلك، لم يعد من الممكن التعامل مع النسيج المستهدف كصندوق أسود (الحد الأقصى للتجارب في الجسم الحي) ولكن يجب أن ينظر إليه على أنه تآزر معقد بين أنظمة فرعية متعددة(الشكل 1).

وقد أجريت تجارب ES متعددة في المختبر على مر السنين28،29،30،31،32،33،34. معظم هذه تميز فقط ES من خلال انخفاض الجهد بين الأقطاب الكهربائية مقسومة على المسافة بينهما - تقريب تقريبي لحجم المجال الكهربائي. ومع ذلك ، فإن المجال الكهربائي نفسه يؤثر فقط على الجسيمات المشحونة ، وليس الخلايا مباشرة. أيضا، عندما يتم تداخل مواد متعددة بين الجهاز والخلايا، قد لا تعقد تقريب الخام.

ويتطلب التوصيف الأفضل لإشارة الإدخال رؤية واضحة حول كيفية نقل التحفيز إلى الخلية. الطرق الرئيسية لتقديم ES هي اقتران مباشر وسعوي وحثي35،36. تختلف الأجهزة لكل طريقة مع نوع القطب الكهربائي (قضيب أو مستو أو لف) ووضع نسبة إلى النسيج المستهدف (في اتصال أو معزولة)35. الأجهزة المستخدمة في الجسم الحي لعلاجات أطول تحتاج إلى أن تكون قابلة للارتداء، وبالتالي فإن الأقطاب الكهربائية ومعظم الأحيان يتم زرع مصدر الطاقة أو تعلق على الجلد كما ضمادات الجرح أو بقع كهربائية. يؤدي تدرج الجهد المتولد إلى إزاحة الجسيمات المشحونة في منطقة المعالجة.

كما أنه يؤثر على تدفق الجسيمات المشحونة الناتجة في محيط الخلايا، هيكل سقالة ذات أهمية قصوى في تصميم بروتوكولات ES. تنشأ تكوينات نقل الشحن المختلفة إذا كانت مادة المنصة أو تقنية التركيب أو الهيكل أو التوجه بالنسبة لتغيير تدرج الجهد. في الجسم الحي، يتأثر توافر وحركة الجسيمات المشحونة ليس فقط بالخلايا ولكن أيضا بشبكة الكولاجين والسوائل الخلالية التي تتألف منها ECM الداعمة. وتستخدم السقالات هندسيا على نحو متزايد لتحسين إعادة البيئة الدقيقة الخلية الطبيعية في المختبر1،35. في الوقت نفسه ، فإن ECM هو سقالة طبيعية معقدة.

وتستند السقالات الاصطناعية على المعادن، وإجراء البوليمرات والكربون، وهندستها مع التركيز على تحقيق التوازن بين التوافق البيولوجي مع الأداء الكهروكيميائية والاستقرار على المدى الطويل36. نوع واحد سقالة تنوعا هو حصيرة ليفية electrospun التي توفر تضاريس نانوية يمكن التحكم فيها. ويمكن هندسة هذا لتشبه ECM، وبالتالي تقديم الإشارات الميكانيكية المماثلة التي تساعد على تجديد مجموعة واسعة من الأنسجة37. للتأثير بشكل كبير على ES ، يجب أن تكون الحصير موصلة إلى حد ما. ومع ذلك، البوليمرات الموصلة من الصعب electrospin والمزج مع الناقلات العازلة يحد من الموصلية من الألياف الناتجة38. حل واحد هو بوليمر مونومر موصل على سطح الألياف العازلة، مما أدى إلى قوة ميكانيكية جيدة والخصائص الكهربائية للمنتجالنهائي 38. مثال على ذلك هو طلاء ألياف كهربائية حريرية مع PEDOT-PSS39شبه موصل. مزيج من الإشارات الميكانيكية والكهرومغناطيسية يسرع بشكل كبير نمو النيوريت40،41،42. Neurites اتبع السقالات محاذاة الألياف، وإطالة أكثر بعد التعرض لEEF موازية للألياف من العمودي واحد43. وبالمثل ، فإن محاذاة السقالات الليفية إلى EF تعزز أيضا نضوج الميوجيني33.

ويتكون أساسا ECM من البروتينات الليفية تشكيل44، من تلك نوع الكولاجين الأول كونه المكون الرئيسي في جميع الأنسجة الحيوانية وبصرف النظر عن الغضروف (غنية في نوع الكولاجين الثاني)44. Tropocollagen (TC) ، تشكيل ثلاثية من خيوط البوليبتيد ، هو عزر الهيكلية من الفيبريلات الكولاجين45. انتقال المجهر الإلكتروني وصور المجهر القوة الذرية من الفيبريلات الكولاجين تظهر نمط مد الدوري النطاقات46 وأوضح من قبل هودج وبيتروسكا نموذج47 كما صفائف العادية من الثغرات TC ويتداخل45. وتتكون الأوتار من مصفوفة الرجفان الكولاجيني المنحازة محمية من قبل مصفوفة بروتيوغليكان غير الكولاجينية عالية الهيدرفيلية48،49. Decorin هو بروتيوغليكان صغير غني بالليوزين (SLRP) قادر على ربط مناطق الفجوة من الفيبريلات الكولاجين والتواصل مع SLRPs الأخرى من خلال سلاسل جانبية جليكوسامينوغليكان (GAG)49. الدراسات التي أجريت على الأوتار تبين أن خصائصها الكهربائية تتغير بشكل كبير عندما رطب50،51، آلية نقل تهمة تغيير من البروتونية إلى الأيونية كما يزيد مستوى الترطيب51. وهذا يشير إلى أن التوصيل الكهربائي على طول نوع الكولاجين I fibril يمكن تمكينه من خلال معطف مياه Decorin ، مع مناطق الفجوة والتداخل التي لها الموصلات الكهربائية المختلفة والثوابت العازلة.

كما الترفيه متطابقة من ECM بواسطة السقالات الاصطناعية غير محتمل، والمعرفة المنتجة التآزر بين في الجسم الحي وفي المختبر تمكين من نتائج قابلة للترجمة ويبدو أن في طريق مسدود. في النمذجة سيليكو ليس فقط إعادة تمكين الترجمة بين البلدين، ولكن أيضا يضيف فوائد هامة في توصيف العمليات غير معروف المشاركة في ES. مقارنة الملاحظات في الجسم الحي مع المختبر يمكن أن تجلب معلومات عن قوة الاقتران بين النسيج المستهدف وبقية الكائن الحي ولكن لا يكشف حدود المعرفة الحالية. يمكن كشف المجهول من خلال ملاحظة الفرق بين ما يتوقع أن يحدث بناء على المعرفة الحالية وما يحدث. في تجارب silico على أساس النمذجة الرياضية تسمح بتقسيم العملية إلى معالجات فرعية معروفة وغير معروفة. وبهذه الطريقة، تظهر الظواهر التي لم يتم احتسابها في النموذج عندما تقارن تنبؤات السيليكو بالتجارب في المختبر وفي الجسم الحي.

إن تشكيل واختبار الفرضيات المتعلقة بالآلية (الآليات) الأساسية لكيفية تأثر الخلايا والأنسجة بالحقول الكهربائية يعوقه العدد الكبير من المعلمات52 التي تحتاج إلى اختبار منفصل. لتحديد الظروف التجريبية التمثيلية، يجب تقسيم عملية ES في العمليات الفرعية(الشكل 1)ويجب تحديد إشارات الإدخال المهيمنة التي تؤثر على سلوك الخلية. نماذج تمثل الآثار المادية الأساسية للES على الخلايا تصف المجال الذي أزواج EF مع الخلية - أن من الجسيمات المشحونة53. سلوك الجسيمات الخارجية للخلية يعتمد على البيئة الدقيقة ويمكن التحقيق بشكل منفصل عن الخلية. إشارة الإدخال المهيمنة للخلية هي المجموعة الفرعية من مخرجات جهاز ES التي تسبب أكبر درجة من التباين في استجابة الخلية. أصغر مجموعة فرعية من المعلمات التجريبية الكاملة التي يمكن أن تولد اختلافات في جميع إشارات إدخال الخلية المهيمنة يمكن استخدامها لتقليل البعد الفضائي المعلمة وعدد حالات الاختبار.

يجب أن يكون إدخال النموذج المستهدف ES البيولوجي مجموعة فرعية من إشارات الإخراج التي ينتجها جهاز ES المفيدة في وصف الآثار الفيزيائية ل ES على الخلايا. مفاعل حيوي بسيط مع اقتران مباشر له نفس بنية الخلايا الكهروكيميائية المنحلة بالكهرباء. وتبين نماذج من تلك النماذج التوزيع الأولي (المحاسبة لمقاومة الحلول)، أو الثانوي (الذي يفسر أيضا ردود الفعل الفارادية) أو الثالثي (الذي يفسر أيضا انتشار الأيونات) لتوزيع الكثافة الحالية. وبما أن التعقيد يترجم إلى تكلفة حسابية، فإن أبسط نموذج هو الأنسب لاستكشافات الفضاء المعلمة. وتركز عمليات محاكاة المركبات الليفية التي تحفزها خصائص المواد54 على خصائص المواد السائبة نتيجة للهندسة الدقيقة المعقدة، وبالتالي لا يمكن وصف الآثار المحلية للتعرض ل EF. الموجودة في نماذج السيليكو، بدافع من ES، والتركيز على العينة البيولوجية، وخلية واحدة مغمورة في وسط متجانس55،56،57،أو الأنسجة المعقدة مع الفضاء خارج الخلية متجانسة58. الشحن والكثافة الحالية(الشكل 2)يمكن أن تكون بمثابة إشارات واجهة بين نماذج الجهاز ES والعينة البيولوجية، أو بين مكونات مختلفة من الجهاز ES. يستخدم البروتوكول المقترح القائم على FEM المعادلات الموضحة في الشكل 2 وتم استخدامه لدراسة كيفية استخدام المعلمات المعتمدة على السقالات لتعديل هاتين الإشرتين ، بغض النظر عن EF الناتجة عن إعداد اقتران مباشر. تؤكد النتائج أنه من الضروري حساب الخصائص الكهربائية للسقالة أو ECM عند التحقيق في كيفية تأثير ES على الخلايا المستهدفة.

Protocol

1. بناء نموذج في COMSOL

  1. افتح COMSOL وحدد نموذج فارغ.
  2. المعلمات: في منشئ النموذج، انقر بزر الماوس الأيمن على التعريفات العالمية، حدد المعلمات، وأضف المعلمات وفقا للجدول 1.
  3. المواد: إضافة مواد ذات خصائص وفقا للجدول 2.
    1. في منشئ النموذج ضمن التعريفات العمومية، انقر بزر الماوس الأيمن فوق المادة وحدد مواد فارغة.
    2. إضافة خصائص المواد: في إعدادات المواد المضافة حديثا، قم بتوسيع خصائص المواد > الخصائص الأساسية،وحدد السماح النسبي واضغط على رمز '+' لإضافة خاصية. كرر الخطوة للتوصيلية الكهربائية.
    3. في محتويات المواد، قم بتعبئة خصائص المواد الحالية وفقا للجدول 2.
  4. تعريف المكون: في علامة التبويب الصفحة الرئيسية في الشريط العلوي، انقر على اليسار فوق إضافة مكون وحدد 3D. ستظهر عقدة مكون جديد في منشئ الطراز.
  5. الهندسة: في منشئ النموذج، انقر بزر الماوس الأيمن فوق الهندسة، انقر فوق اليسار إدراج، انقر نقرا مزدوجا فوق النموذج الكامل وحدد التسلسل المناسب (SC / SNC / RC / RNC / RNCd).
  6. بدلا من ذلك، إنشاء الهندسة من الصفر باتباع الخطوات الثانوية.
    1. في منشئ الطراز، انقر على اليسار فوق الهندسة ضمن عقدة المكون الحالي. سيتم الإشارة إلى عقدة Geometry نفسها في الخطوات الثانوية التالية. في إطار الإعدادات، قم بتغيير وحدة الطول إلى نانومتر وتأكد من ترك "قيم المقياس عند تغيير الوحدات" دون رادع.
    2. هندسة السقالة
      1. في منشئ النموذج، انقر بزر الماوس الأيمن على الهندسة وحدد كتلة.
      2. في علامة التبويب إعدادات، قم بتعبئة التسمية "نطاق السقالات".
      3. توسيع الحجم والشكل وملء في "WS"، "LS"، "HS" للعرض والعمق والارتفاع.
      4. توسيع الموضع وتغيير القاعدة إلى مركز.
      5. توسيع تحديدات الكيانات الناتجة، حدد جديد وإضافة "اختيار سقالة".
    3. مدى المادة المحيطة: في منشئ النموذج، ضمن الهندسة، انقر بزر الماوس الأيمن فوق مدى السقالات وحدد مكررة، وتحرير علامة التبويب إعدادات.
      1. تغيير التسمية إلى "مدى الوسائط".
      2. إلى كل مربع في قسم الحجم وShpe، أضف "med_ratio *" قبل المعلمة الموجودة.
      3. في تحديدات الكيانات الناتجة، أضف التحديد الجديد ك "تحديد الوسائط".
    4. هندسة الألياف (SC تخطي إلى 1.6.6)
      1. الأساسية (RC تخطي إلى 1.6.4.2)
        1. في منشئ النموذج، انقر بزر الماوس الأيمن فوق الهندسة، وحدد Cylinder، ثم قم بتحرير علامة التبويب إعدادات على النحو التالي.
        2. تغيير التسمية إلى "الأساسية".
        3. توسيع الحجم والشكل وملء في "Rc" و "Lf" لنصف قطرها والارتفاع.
        4. توسيع الموضع وملء "-excess*Ws/2" و "-Lf/2" ل x و y.
        5. توسيع المحور وتغيير نوع المحور إلى محور ص.
        6. توسيع تحديدات الكيانات الناتجة وإضافة "التحديد الأساسي".
      2. معطف (SNC تخطي إلى 1.6.5)
        1. Slab (RC أو RNC تخطي إلى 1.6.4.2.2; RNCd تخطي إلى 1.6.4.2.3)
          1. في منشئ النموذج ضمن الهندسة، انقر بزر الماوس الأيمن فوق نطاق السقالات وحدد مكرر. تأكد من تكرار (سقالة النطاقات 1) يأتي مباشرة بعد الأساسية في تسلسل الهندسة.
          2. في علامة التبويب إعدادات تغيير التسمية إلى "معطف".
          3. في علامة التبويب إعدادات، قم بتوسيع تحديدات الكيانات الناتجة وإنشاء "تحديد الألياف".
          4. انتقل إلى 1.6.5.
        2. متجانسه
          1. في منشئ نموذج انقر بزر الماوس الأيمن فوق الهندسة، حدد اسطوانة وتحرير علامة التبويب إعداداته على النحو التالي.
          2. تغيير التسمية إلى "معطف".
          3. توسيع الحجم والشكل وملء في "RF" و "Lf" لنصف قطرها والارتفاع.
          4. توسيع الموضع وملء "-excess*Ws/2" و "-Lf/2" ل x و y.
          5. توسيع المحور وتغيير نوع المحور إلى محور ص (RC تخطي إلى 1.6.4.2.2.7).
          6. توسيع الطبقات، وملء في "RF - Rc" لسمك وترك فقط "طبقات على الجانب" فحص.
          7. توسيع التحديدات من الكيانات الناتجة وإضافة "اختيار معطف" أو، لRC، "تحديد الألياف" (RC تخطي إلى 1.6.5).
          8. في منشئ الطراز، انقر بزر الماوس الأيمن فوق الهندسة وحدد حذف الكيانات.
          9. في علامة التبويب إعدادات تغيير مستوى إدخال هندسي إلى المجال واختر اختيار معطف التحديد.
          10. إزالة كافة المجالات ولكن المجال 3 من مربع التحديد (جوهر اسطوانة الطبقات).
          11. توسيع تحديدات الكيانات الناتجة وتحديد اختيار المعطف.
          12. انتقل إلى 1.6.5.
        3. صفيف دوري من نوعين
          1. في منشئ النموذج، انقر بزر الماوس الأيمن فوق الهندسة وحدد Cylinder. انقر بزر الماوس الأيمن فوق العنصر الذي تم إنشاؤه حديثا وحدد تكرار. تحرير علامة التبويب إعدادات الخاصة بهم كما يلي.
            1. تعيين التسمية إلى "معطف 1" / "معطف 2".
            2. تعيين نصف قطرها إلى Rf.
            3. تعيين الارتفاع إلى "د * دعامة" / "D *(1 دعامة)".
            4. توسيع الموقف وملء "الزائدة * WS / 2" لكل من على س و "- Lf / 2 " / "- Lf / 2 + D * دعامة" على ص.
            5. توسيع المحور وتغيير نوع المحور إلى محور ص.
            6. توسيع الطبقات المقطع وملء في "Rf-Rc"; تأكد من تحديد خانة "الطبقات على الجانب" فقط.
            7. توسيع التحديدات من الكيانات الناتجة وإنشاء "اختيار معطف 1"/ "اختيار معطف 2".
          2. في منشئ الطراز، انقر بزر الماوس الأيمن فوق الهندسة وحدد حذف الكيانات.
            1. في علامة التبويب إعدادات تغيير مستوى إدخال هندسي إلى المجال وحدد cylinder 2 (cyl2) و cylinder 3 (cyl3) من إطار الرسومات.
            2. إزالة كافة المجالات ولكن المجال 3 من مربع التحديد (جوهر cylinders الطبقات).
            3. توسيع تحديدات الكيانات الناتجة وإنشاء اختيار المعطف.
          3. في منشئ النموذج، انقر بزر الماوس الأيمن فوق الهندسة، قم بتوسيع التحويلات وحدد صفيف. تحرير إعدادات علامة التبويب كما يلي.
            1. حدد "اختيار المعطف" للكائنات الإدخال.
            2. تعيين نوع الصفيف إلى خطي.
            3. تعيين الحجم إلى "Lf/D".
            4. تعيين إزاحة على محور ص إلى "D".
    5. هندسة صفيف الألياف الموجهة
      1. الصفيف الأساسي (تخطي RC إلى 1.6.5.2)
        1. في منشئ النموذج، انقر بزر الماوس الأيمن فوق الهندسة، قم بتوسيع التحويلات وحدد تدوير.
          1. في علامة التبويب إعدادات، قم بتشغيل تبديل كائنات الإدخال وحدد التحديد الأساسي من القائمة المنسدلة. تأكد من عدم تحديد مربع الاحتفاظ بكائنات الإدخال.
          2. توسيع زاوية دوران وملء في "ثيتا" للتناوب.
          3. توسيع التحديدات من الكيانات الناتجة وإنشاء "تحديد الألياف".
        2. في منشئ نموذج انقر بزر الماوس الأيمن فوق هندسة، توسيع التحويلات وحدد صفيف.
          1. تغيير التسمية إلى "الصفيف الأساسي".
          2. حدد التحديد الأساسي في القائمة المنسدلة لكائنات الإدخال.
          3. توسيع الحجم، تغيير نوع الصفيف إلى الخطي وملء في "n_1 *(ثيتا< = 45) + n_2 *(ثيتا>45)" لحجم.
          4. توسيع النزوح وملء في "2 * tes * Rc * كوس (ثيتا)" ، "2 * tes * Rc * الخطيئة (ثيتا)" ل س و ص.
          5. توسيع التحديدات من الكيانات الناتجة وحدد "تحديد الألياف".
      2. صفيف المعطف (SNC تخطي إلى 1.6.5.3)
        1. في منشئ النموذج، انقر بزر الماوس الأيمن فوق الهندسة، قم بتوسيع التحويلات وحدد تدوير.
          1. في علامة التبويب إعدادات تشغيل تبديل كائنات الإدخال وحدد اختيار معطف من القائمة المنسدلة. تأكد من عدم تحديد "مربع الاحتفاظ بكائنات الإدخال".
          2. توسيع زاوية دوران وملء في "ثيتا" للتناوب.
          3. توسيع التحديدات من الكيانات الناتجة وحدد "تحديد الألياف".
        2. في منشئ النموذج، انقر بزر الماوس الأيمن فوق الهندسة، قم بتوسيع التحويلات وحدد صفيف.
          1. تغيير التسمية إلى "صفيف معطف".
          2. حدد اختيار المعطف في القائمة المنسدلة لكائنات الإدخال.
          3. توسيع الحجم، تغيير نوع الصفيف إلى الخطي وملء في "n_1 *(ثيتا< = 45) + n_2 *(ثيتا>45)" لحجم.
          4. توسيع النزوح وملء في "2 * tes * Rc * كوس (ثيتا)" ، "2 * tes * Rc * الخطيئة (ثيتا)" ل س و ص.
          5. توسيع التحديدات من الكيانات الناتجة وحدد "تحديد الألياف".
      3. قص سقالة
        1. توحيد الألياف: في منشئ نموذج انقر بزر الماوس الأيمن فوق الهندسة، وتوسيع المنطقيات والأقسام وحدد الاتحاد.
          1. تغيير التسمية إلى "الألياف".
          2. قم بتشغيل تبديل كائنات الإدخال وحدد تحديد الألياف من القائمة المنسدلة.
          3. تأكد من عدم تحديد مربع "الاحتفاظ بكائنات الإدخال".
          4. تأكد من التحقق من "الحفاظ على الحدود الداخلية".
          5. قم بتوسيع تحديدات الكيانات الناتجة وحدد تحديد السقالات من القائمة المنسدلة.
        2. تنفيذ قطع: في منشئ نموذج انقر بزر الماوس الأيمن فوق الهندسة، وتوسيع المنطقيات والأقسام وحدد تقاطع.
          1. تغيير التسمية إلى "سقالة".
          2. قم بتشغيل مفتاح تبديل كائنات الإدخال وحدد تحديد سقالة من القائمة المنسدلة.
          3. تأكد من عدم تحديد مربع "الاحتفاظ بكائنات الإدخال".
          4. تأكد من التحقق من "الحفاظ على الحدود الداخلية".
    6. هندسة الفرقة
      1. تعريف هندسة المادة المحيطة بها.
        1. في منشئ النموذج، انقر بزر الماوس الأيمن فوق الهندسة، وتوسيع المنطقيات والأقسام وحدد الفرق. تابع إلى علامة التبويب إعدادات.
        2. في القائمة المنسدلة كائنات لإضافة، حدد تحديد الوسائط.
        3. في القائمة المنسدلة كائنات لطرح، حدد تحديد سقالة.
        4. تأكد من أن مربعات "الاحتفاظ بكائنات الإدخال" و "الاحتفاظ بالحدود الداخلية" قد تم فحصهما.
      2. حذف مربع نطاق الوسائط.
        1. في منشئ النموذج، انقر بزر الماوس الأيمن فوق الهندسة وحدد حذف الكيانات. تابع إلى علامة التبويب إعدادات.
        2. حدد المجال من القائمة المنسدلة مستوى الإدخال الهندسي.
        3. حدد تحديد الوسائط من القائمة المنسدلة التحديد.
        4. إزالة "dif1" من مربع التحديد.
    7. بناء هندسة
      1. ضمن عقدة Geometry تأكد من أن العنصر الأخير قبل عقدة التحديدات التراكمية هو "اتحاد النموذج" وليس "تجميع النموذج". إذا لزم الأمر، انقر بزر الماوس الأيمن فوق تجميع النموذج وتغيير الإجراء إلى "تشكيل اتحاد" في علامة التبويب إعدادات.
      2. في منشئ النموذج، انقر على اليسار فوق الهندسة وحدد إنشاء الكل.
  7. المواد
    1. في منشئ النموذج ضمن عقدة المكون الحالي، انقر بزر الماوس الأيمن فوق المواد وحدد ارتباط المادة.
    2. كرر القسم خمس مرات لعدة مرات كما تعتبر العديد من المواد وفقا لمستوى التعقيد.
    3. المواد المعاونة لكل مكون بالترتيب التالي: المادة المحيطة والمعاطف والنوى.
    4. في علامة التبويب إعدادات، اختر Media/Scaffold (ل SC، SNC، RC)/Coat/Core Selection من القائمة المنسدلة التحديد.
    5. قم بتوسيع إعدادات الارتباط واختر المواد المناسبة من القائمة المنسدلة.
  8. الربط الشبكي
    1. في منشئ الطراز، انقر إلى اليسار فوق عقدة Mesh ضمن المكون الحالي.
    2. في علامة التبويب إعدادات، حدد عادي من القائمة المنسدلة حجم العنصر ثم انقر فوق إنشاء الكل.
  9. الفيزياء: في منشئ النموذج، انقر فوق المكون الحالي ، حدد إضافة فيزياء، قم بتوسيع وحدة AC / DC في علامة التبويب إضافة فيزياء ، وحدد وحدة التيارات الكهربائية (ec) وانقر فوق إضافة إلى مكون.
    1. شروط الحدود: في علامة التبويب الرسومات، حدد طريقة العرض xy.
      1. الأرض: في منشئ نموذج، انقر بزر الماوس الأيمن على عقدة التيارات الكهربائية وحدد الأرض.
      2. تأكد من أن مفتاح التحديد لتحديد الحدود نشط وانقر على أعلى وجه مادة محيطة موازية ل xz لإضافة حد 5 في مربع تحديد الحدود.
      3. المحطة الطرفية: في منشئ النموذج، انقر بزر الماوس الأيمن على عقدة التيارات الكهربائية وحدد المحطة الطرفية.
      4. تأكد من أن مفتاح التحديد الخاص بتحديد الحدود نشط وانقر على وجه المادة المحيطة الأدنى الموازي ل xz لإضافة الحد 2 في مربع تحديد الحدود.
      5. قم بتوسيع قسم المحطة الطرفية وحدد الجهد في القائمة المنسدلة لنوع المحطة الطرفية؛ ملء V0 للجهد.
    2. إضافة تعقيد إذا لزم الأمر: حفظ المكون الحالي والعودة إلى الخطوة 1.4 لمتابعة مسار تعقيد آخر (SC/SNC/RC/RNC/RNCd).

2. إجراء المحاكاة

  1. تحسين الشبكة التكيفية
    1. في منشئ النموذج، انقر على عقدة جذر النموذج وحدد إضافة دراسة لفتح علامة التبويب إضافة دراسة ، وحدد دراسة ثابتة وانقر بزر الماوس الأيمن على إضافة دراسة.
    2. إنشاء خطوة دراسة لكل مكون تم إنشاؤه: ضمن عقدة الدراسة انقر بزر الماوس الأيمن فوق الخطوة1: دراسة ثابتة وحدد مكرر.
    3. لكل خطوة دراسة تعديل علامة التبويب إعدادات مع تفاصيل المكون المقابل.
      1. توسيع اختيار الفيزياء والمتغيرات؛ في العمود حل للعمود اترك المكون الحالي فقط تم التحقق منه.
      2. توسيع ملحقات الدراسة والتحقق من مربع تحسين شبكة التكيفية.
      3. حدد هندسة المكون الحالي من القائمة المنسدلة بجوار التكيف في الهندسة.
    4. في منشئ نموذج انقر بزر الماوس الأيمن فوق دراسة 1 وحدد حساب. وهذا سوف يولد شبكات تكييفها لجميع هندسات المكونات مع زاوية اتجاهها الحالي.
  2. تعيين زاوية التوجيه وإجراء دراسة ثابتة.
    1. في منشئ نموذج، تحت التعريفات العمومية، انقر فوق المعلمات وتغيير المعلمة ثيتا إلى زاوية اتجاه الألياف المطلوبة للمحاكاة.
    2. لكل مكون، في منشئ طراز توسيع عقدة المكون، انقر بزر الماوس الأيمن فوق الهندسة وحدد إنشاء كافة.
    3. في منشئ النموذج، انقر بزر الماوس الأيمن فوق دراسة تحسين الشبكة التكيفية وحدد حساب.
    4. في منشئ نموذج اليسار انقر فوق العقدة الجذر نموذج وحدد إضافة دراسة لفتح علامة التبويب إضافة دراسة، حدد دراسة ثابتة وانقر بزر الماوس الأيمن إضافة دراسة.
    5. في منشئ النموذج، ضمن الدراسة المضافة حديثا ، انقر على اليسار فوق الخطوة 1، وتوسيع اختيار الشبكة ، ولكل مكون ، حدد الشبكات التي تم إنشاؤها في دراسة تحسين الشبكة التكيفية.
    6. انقر بزر الماوس الأيمن فوق حساب.
  3. تعيين زاوية التوجيه، إشارة الإدخال وإجراء دراسة تعتمد على الوقت.
    1. في منشئ نموذج، تحت التعريفات العمومية، انقر فوق المعلمات وتغيير المعلمة ثيتا إلى زاوية اتجاه الألياف المطلوبة للمحاكاة.
    2. في منشئ النموذج، انقر على عقدة جذر النموذج وحدد إضافة دراسة لفتح علامة التبويب إضافة دراسة. حدد دراسة تعتمد على الوقت، انقر على زر إضافة دراسة ثم قم بتحرير علامة التبويب إعدادات كما يلي.
      1. تعيين الأوقات إلى "range(0, (2*pi/omega)/39,2*pi/omega)".
      2. توسيع اختيار الفيزياء والمتغيرات؛ ترك خانة الاختيار "حل ل" مكون المحاكاة فقط.
      3. توسيع تحديد شبكة وتحديد شبكة لمكون المحاكاة. تغيير شبكات المكونات الأخرى إلى شبكة بلا.
      4. توسيع ملحقات الدراسة والتحقق من مربع تحسين شبكة التكيفية؛ حدد هندسة مكون المحاكاة من القائمة المنسدلة.
    3. تعريف شرط حد تابع للوقت.
      1. ضمن عقدة المكون الحالي انقر بزر الماوس الأيمن فوق التعريفات وتحت دالات حدد الموجي.
      2. في علامة التبويب إعدادات تغيير اسم الدالة إلى "الإدخال".
      3. توسيع المعلمات، تعيين نوع إلى جيب، تردد الزاوي إلى "أوميغا" ، السعة إلى V0.
      4. بالنسبة لمكون المحاكاة، تحت عقدة التيارات الكهربائية، حدد المحطة الطرفية وغير الجهد إلى "الإدخال(t[1/s])".
    4. انقر بزر الماوس الأيمن فوق حساب.

3. تحليل

  1. كثافة الشحن
    1. في "منشئ نموذج" انقر فوق عقدة النتائج، حدد مجموعة الرسم ثلاثي الأبعاد وحرر الإعدادات.
      1. تغيير التسمية إلى "كثافة الشحن".
      2. قم بتوسيع البيانات وحدد مجموعة بيانات الدراسة البارامترية في القائمة المنسدلة لمجموعة البيانات.
      3. قم بتوسيع وسيلة إيضاح الألوان وتحقق من "إظهار وسائل الإيضاح" و"إظهار القيم القصوى وال دنيا".
    2. انقر بزر الماوس الأيمن فوق كثافة الشحن أسفل عقدة النتائج في منشئ الطراز وحدد وحدة التخزين; انتقل إلى تحرير علامة التبويب إعدادات.
      1. توسيع البيانات وتحديد "من الأصل" من القائمة المنسدلة مجموعة البيانات.
      2. توسيع التعبير وملء "ec.rhoq" في المربع التعبير.
      3. توسيع النطاق والتحقق من مربع نطاق اللون اليدوي.
        1. تعيين الحد الأدنى إلى "-0.03" والحد الأقصى إلى "0.03".
      4. توسيع التلوين ونمط، تعيين التلوين إلى جدول اللون ، جدول اللون إلى موجة ، حدد اللون وسيلة الإيضاح مربع ، حدد متناظرة نطاق اللون.
      5. انقر بزر الماوس الأيمن فوق مستوى الصوت في منشئ الطراز وحدد تصفية.
        1. في علامة التبويب إعدادات تعبئة في "القيمة المطلقة (ec.rhoq)>0.012" في التعبير المنطقي لتضمينها.
    3. انقر على زر الرسمة لتصور النتائج في إطار الرسومات.
  2. الكثافة الحالية
    1. في منشئ نموذج انقر بزر الماوس الأيمن فوق عقدة النتائج حدد مجموعة رسم ثلاثي الأبعاد وتحرير علامة التبويب إعدادات.
      1. تغيير التسمية إلى "الكثافة الحالية".
      2. قم بتوسيع البيانات وحدد مجموعة بيانات الدراسة البارامترية في القائمة المنسدلة لمجموعة البيانات.
      3. توسيع وسيلة إيضاح اللون، والتحقق من "إظهار وسائل الإيضاح" و "إظهار القيم القصوى والحد الأدنى".
    2. انقر بزر الماوس الأيمن فوق الكثافة الحالية ضمن عقدة النتائج في منشئ النموذج وحدد حجم السهم؛ انتقل إلى تحرير علامة التبويب إعدادات.
      1. توسيع البيانات وتحديد "من الأصل" من القائمة المنسدلة مجموعة البيانات.
      2. توسيع التعبير وملء "ec. Jx"، "المفوضية الأوروبية. جي"، "المفوضية الأوروبية. Jz" في مربعات التعبير للمكونات س و ص و ض على التوالي.
      3. توسيع تحديد موضع السهم وملء 20 لجميع الإحداثيات عدد النقاط.
      4. توسيع التلوين ونمط، تعيين طول السهم إلى تطبيع ، السهم قاعدة إلى مركز ، والتحقق من عامل مقياس وتعيينه إلى 85.
      5. انقر بزر الماوس الأيمن فوق حجم السهم في منشئ الطراز وحدد تعبير اللون.
        1. في علامة التبويب إعدادات تعبئة في "ec.normJ" في المربع التعبير.
        2. توسيع التلوين ونمط، تعيين جدول اللون إلى حركة المرور ، والتحقق من لون وسيلة إيضاح وعكس جدول الألوان.
    3. انقر على زر رسم لتصور النتائج في إطار الرسومات.

Representative Results

يصف النموذج المقترح ملامح حصيرة مركبة مع ألياف متوازية ، مغمورة في مادة موصلة ومعرضة لتدرج كهربائي محتمل تم إنشاؤه خارجيا. تظهر المحاكاة أن المحاسبة للمكونات المختلفة للسقالة أمر مهم على مقياس صغير واستكشاف كيف يمكن للتغيير في زاوية المحاذاة (إشارة الإدخال) للألياف إلى EF أن يولد تباينا في كثافة التيار والشحن (إشارات الإخراج) بالقرب من الألياف.

يتم تقديم خمس مراحل تعقيد هندسي مختلفة ، كل منها له تأثير على نتيجة المحاكاة: لوح موصل سلس (SC) ، لوح ناعم مع ألياف مضمنة غير موصلة (SNC) ، مركب موصل خشن (RC) ، مركب خشن مع ألياف مضمنة غير موصلة (RNC) ، مركب خشن مع ألياف مضمنة غير موصلة ونوعين من الطلاء الدوري (RNCd)(الشكل 3). يعرض القسم 1.5 من البروتوكول الخطوات لاستيراد الأشكال الهندسية في مشروع ويعرض القسم 1.6 كيفية إنشاء هذه الخطوة خطوة. النموذجين الأولين لا تمثل مورفولوجيا السطح. SC وRC لا حساب لخصائص الألياف الأساسية عازلة. وRNC هو النموذج المقترح للسقالات الاصطناعية nanofibrous، في حين أن RNCd هو النموذج المقترح لجزء ECM.

تم التقليل من التكلفة الحسابية عن طريق تقليل هندسة جهاز ES إلى وحدة وحدة نموذج تمثل البيئة الدقيقة. في حين أن جهاز ES وعرض السقالة وطولها يمكن أن يكون بسهولة في ترتيب بضعة سنتيمترات ، فإن قطر الألياف المحتوية عادة ما يكون أقل من ميكرون. هنا، نستخدم قطع سقالة مماثلة القطر الألياف للحد من التكلفة الحسابية الناجمة عن نسبة العرض إلى الارتفاع وتسليط الضوء على تأثير الطبيعة الليفية للسقالة على البيئة الدقيقة الكهربائية. يتم استبدال بقية جهاز ES بظروف الحدود الكهربائية المحتملة التي تم اختيارها بحيث يكون التقريب التقريبي لحجم الحقل الكهربائي هو 100 V /m ، وهي معلمة تحفيز يتم الإبلاغ عنها بشكل متكرر. وعلاوة على ذلك، يفترض أن حجم وحدة مع خمسة ألياف متوازية - كما هو الحال في المحاكاة، المعروضة في الشكل 3 - أن يكون ممثلا ل حصيرة ليفية مستو كاملة. يمكن تمييز ثلاثة أنواع من الألياف في صفيف 1D: الوسطى الداخلية (مع مستوى التماثل الطولي للسقالة تقسيمها إلى نصفين)، الداخلية المؤقتة (مع سطح جانبي محاطة ألياف أخرى ولكن مع الجانبين غير المتماثلة)، والخارج (على حافة السقالة). خمسة هو الحد الأدنى لعدد الألياف المطلوبة من أجل تضمين جميع الأنواع الثلاثة المحددة.

نموذج شبكة حجم عنصر يتطلب اهتماما خاصا لأنها قد تؤثر على نتائج المحاكاة ، وبالتالي تفشل في الكشف عن آثار هامة ( الشكل4). هذه قاعدة عامة لطريقة العنصر المحدود وتأثير لنظرية أخذ العينات Nyquist-Shannon. كلما كانت إشارات المحاكاة الأساسية أسرع تتقلب في الفضاء كلما كانت العناصر الشبكية أصغر لإنتاج تمثيل مخلص للظاهرة. من ناحية أخرى، كلما كان العنصر أصغر، كلما زاد العدد الإجمالي للكتل الإنشاء النموذجية والتكلفة الحسابية. 10- إن تحسين الشبكة التكيفية الذي أنشئ في الباب 2-1 هو أسلوب جيد وسهل لتحقيق التوازن بين الأهداف المتعارضة عن طريق خفض حجم العنصر فقط حيثما وطالما أن هذه العملية تنتج تغييرا كبيرا.

نموذج التبسيط جدا يمكن أن تفشل في تقديم آثار هامة (الشكل 5, 6). وتظهر المحاكاة أن المحاسبة عن مورفولوجيا السطح والخصائص الكهربائية مكون سقالة ليست زائدة عن الحاجة في التنبؤ البيئات الدقيقة الكهربائية. في حين أن مورفولوجيا السطح لها تأثير مباشر على EF الثابتة (قارن SC و SNC مع RC و RNC و RNCd) ، فإن المقارنة بين توقعات RC و RNC تظهر أن نواة الألياف غير موصل تضخيم هذا التأثير. من وجهة نظر نمذجة البيئات الكهربائية الخلوية على السقالات nanofibrous، SC، SNC ونماذج RC وبالتالي دون المستوى الأمثل. ومع ذلك، فمن الممارسات الجيدة لإضافة تدريجيا التعقيد والمقارنات بين مراحل مختلفة تساعد على الإشارة إلى ما هي الميزات التي تؤدي إلى آثار محددة.

يؤثر تعقيد النموذج على التغير الحالي وكثافة الشحنة مع محاذاة الألياف إلى EF. البروتوكول المقترح يساعد على تسليط الضوء على تأثير (الشكل 5، 6). في حين أن نموذج SC لا يظهر أي اختلاف في المقاييس المقترحة عند تغيير محاذاتها إلى التدرج الكهربائي المحتمل ، فإن محاكاة نموذج RNC تتوقع تباينا قويا بين وحدة حصيرة مع ألياف محاذاة إلى EF وواحدة مع الألياف عمودي(الشكل 7). عندما تأتي النوى غير موصلة في طريق التدفق الحالي ، فإنها تشكل سدودا دورية تؤدي إلى مناطق متناوبة ذات كثافة شحن عالية ومنخفضة.

يمكن محاكاة أنظمة ES الديناميكية مع الدراسات المعتمدة على الوقت. تظهر مقاطع الفيديو في الملفات التكميلية تنبؤات مصنوعة لجهد إدخال جيبي على نموذج سقالة اصطناعي كامل (RNC) ، مع ألياف متوازية أو عمودية على التدرج الكهربائي المحتمل. تظهر التيارات الصغيرة على طول الألياف عموديا على EF عند تحرير الشحنة من السقالة مع انخفاض حجم EF. وهذا يدل على أن التحفيز يمكن أن يحدث ليس فقط أثناء وجود EF الخارجية ، ولكن أيضا مباشرة بعد قطع الاتصال - انظر الملفات التكميلية لمقاطع الفيديو.

Figure 1
الشكل 1: الرسم البياني كتلة الهرمية من النمذجة - مزايا وحدود النمذجة مع في الجسم الحي وفي نماذج سيليكو. كتلة لون علامات كتل على نفس المستوى الهرمي. يتم تضمين كتل رتبة أقل في تلك رتبة أعلى. كتلة السكتة الدماغية علامات اللون إمكانية لتشمل كتلة في نوع معين من نموذج - اقتران مع كتل النظام الأخرى لم يكن لديك الأصفر في السكتة الدماغية، لأنها ليست مكونات لنماذج في المختبر. الرصاص يتصرف مثل الصمامات وتدل على السيطرة على الكتلة. عندما يكون الصمام قيد التشغيل، يمكن أن تمر الإشارة عبر جميع مسارات الأسهم في الأنظمة الفرعية التابعة التي لها لون الصمام في السكتة الدماغية. تفسير الرسم البياني: تتكون عملية ES من جهاز التحفيز والهدف البيولوجي ، ولكل منها العديد من العمليات الفرعية الحتمية أو العشوائية المترابطة التي لا يمكن فصلها في الجسم الحي أو في المختبر ، وبالتالي ليس لديهم صمام أحمر أو أصفر. تتدخل العمليات العشوائية أيضا على الواجهة بين جهاز المحاكاة والعينة البيولوجية عندما يتم تحفيزهما معا. نموذج في المختبر يفصل نظام الاهتمام (أي شريحة الجلد) عن بقية الكائن الحي. وبالتالي، لا يمكن ملاحظة سوى العمليات الجوهرية لنظام المصالح التي تتصدرها العمليات العشوائية ذات الطبيعة المختلفة. ومع ذلك، لا يمكن تحفيز العمليات الجوهرية المختلفة المعنية وتحديدها بشكل منفصل. نماذج في سيليكو هي بارامترية للمكونات المعروفة - من المتوقع أن يكون سلوكهم من شكل معين - وغير بارامتري للمجهول - حيث لا يوجد سبب ميكانيكي لإعطاء مصداقية لاستقراء معين. يمكن محاكاة جميع مكونات السيليكو بشكل منفصل أو في مجموعات مختلفة ، مما يسمح بتصوير فرضية مختلفة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: (أ) قانون كولوم (ب) مجال الطاقة الكهربائية المحتملة وشحنة مسبار متنقل (C) التيار الكهربائي (D) كثافة الشحن (E) الكثافة الحالية (F) معادلة الاستمرارية (G) قانون الحفاظ على الشحن. (أ) الجسيمات الثابتة المشحونة كهربائيا س و Q تتفاعل كهربائيا من خلال قوة Equation 1 كولومب. (B1) كل جسيم مشحون Q يولد حقلا تحجيميا يسمى الإمكانات الكهربائية في جميع المواقع Equation 2 في الفضاء: Equation 3 . الحد الأقصى للعمل المطلوب لنقل جسيم آخر مشحون q من موقعه Equation 4 هو المنتج بين الشحنة q والإمكانات الكهربائية الناتجة عن Q في Equation 4 الموضع. المجال الكهربائي المحتمل الذي تولده جزيئات متعددة هو مجموع الحقول التي يولدها كل جسيم على حدة. (B2) حقل ثابت مع جزيئات مولد ثابت س و Q، يعمل مع على Equation 5 جسيم مسبار مع تهمة إيجابية فص. وردا على ذلك، يتحرك qp لتقليل الإمكانات الكهربائية لموقفه. لوصف حركة فف، يمكن للمرء أن يستمد Equation 5 والمجال الكهربائي من المجال الكهربائي Equation 6 المحتملة : Equation 7 . (ج) تتبع جزيئات مسبار متعددة مشحونة إيجابيا متنقلة تطلق بشكل موحد في حقل كهربائي ثابت حركة منظمة. لتتبع تكوين الشحنة دون تتبع كل جسيم ، يمكن للمرء أن يحدد في كل لحظة: (D) كيف يتم احتلال الفضاء بواسطة الجسيمات ، وتعيين كثافة Equation 8 شحنة لكل حجم متناهي الصغر ، وفقا لقانون غاوس ، و (E) كيفية مرور الجسيمات عبر أسطح الحدود بين الأحجام متناهية الصغر المجاورة ، وتعيين كثافة حالية Equation 9 لكل حد وفقا لقانون Ohm. (و) تتطور الشحنة والكثافة الحالية بشكل مشترك وفقا لمعادلة الاستمرارية، حيث يؤدي إزاحة الجسيمات غير الموحدة إما إلى تراكم أو فقدان الجسيمات في حجم معين. (ز) في إطار نظام معزول، يسود قانون حفظ الشحنة ولا يوجد تدفق أو تدفق للجسيمات المشحونة. الأسماء المستخدمة:- q, Q,qp الشحن واسم الجسيمات المشحونة; Equation 10 - القاعدة الإقليدسية لنواقل الموقف؛ ك - ثابت كولومب؛ Equation 11 - عامل التدرج، εأ - السماح المطلق للوسط؛ σ - الموصلية المتوسطة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: خمسة مستويات مختلفة من التعقيد ل حصيرة ليفية. SC- على نحو سلس مع الألياف المضمنة موصل، وأبسط نموذج، وليس المحاسبة لمورفولوجيا السطح أو خصائص مختلفة من المكونات المكونة؛ SNC- على نحو سلس مع الألياف المضمنة غير موصل؛ RC- الخام مع الألياف المضمنة موصل، والمحاسبة عن مورفولوجيا السطح ولكن ليس لخصائص مكون مختلف؛ RNC- الخام مع الألياف المضمنة غير موصل، نموذج كامل المقترحة من السقالات الاصطناعية nanofibrous؛ RNCd- الخام مع الألياف المضمنة غير موصل المغلفة مع اثنين من مواد مختلفة، نموذج كامل المقترحة لصحيفة من ألياف الكولاجين. طول وحدة المستخدمة: نانومتر. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4:مثال على نتائج تحسين الشبكة التكيفية وكثافة الشحن الناتجة بعد المحاكاة. (يسار) شبكة تم إنشاؤها تلقائيا مع عناصر رباعية هيدرولي خشنة إضافية؛ (يمين) شبكة الأولية تكييفيا خلال دراسة ثابتة; وهناك حاجة إلى عناصر أصغر لتحقيق نتيجة دقيقة في المناطق التي يكون فيها للإشارات المحاكاة تغيرات مكانية مفاجئة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5:تؤثر زاوية محاذاة الألياف إلى التدرج الكهربائي المحتمل على قوة EF في وسائط ثقافة الخلايا المحيطة عندما يتم حساب التعقيد الكافي. SC، SNC، RC، RNC وRNCD هي مستويات مختلفة من التعقيد لنموذج حصيرة ليفية المقدمة في الشكل 3. المحور العمودي علامات زاوية محاذاة الألياف إلى التدرج الكهربائية المحتملة. ظهرت الأقطاب الكهربائية المجردة - الجانب السفلي مع إمكانات كهربائية عالية والجانب العلوي مع إمكانات كهربائية منخفضة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 6
الشكل 6:تؤثر زاوية محاذاة الألياف إلى التدرج الكهربائي المحتمل على كثافة الشحنة الفضائية في وسائط ثقافة الخلايا المحيطة عندما يتم حساب التعقيد الكافي. SC، SNC، RC، RNC وRNCD هي مستويات مختلفة من التعقيد لنموذج حصيرة ليفية المقدمة في الشكل 3. المحور العمودي علامات زاوية محاذاة الألياف إلى التدرج الكهربائية المحتملة.  ظهرتالأقطاب الكهربائية المجردة -الجانب السفلي مع إمكانات كهربائية عالية والجانب العلوي مع إمكانات كهربائية منخفضة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 7
الشكل 7:تتأثر حركة الشحن بمحاذاة ألياف السقالة بالنسبة إلى EF. ويوضح كلا الفريقين تنبؤات نموذج RNC الثابتة للدولة. على الجانب الأيسر الألياف موازية لEF، بينما على الجانب الأيمن أنها عمودي. يشير حجم اللون الأحمر الفاتح إلى اللون الأزرق إلى كثافة الشحن، بينما يمثل حجم السهم اتجاه الكثافة الحالي. لون الأسهم يتوافق مع معيار الكثافة الحالي.

اسم تعبير وصف
WS 10 * Rc * med_ratio عرض السقالة
هل 10 * Rc * med_ratio طول السقالة
النظام المنسق 2*Rf ارتفاع السقالة
med_ratio 1.5 نسبة وسائط ثقافة الخلية إلى السقالة
اتفاقيه روتردام 278.5 [نانومتر] دائرة نصف قطرها الأساسية الألياف
r 1.5 نسبة الألياف الأساسية إلى المعطف
الترددات اللاسلكيه Rc* ص الألياف مع دائرة نصف قطرها معطف
ثيتا 90 [deg] زاوية اتجاه الألياف
اذا 1.3*(Ls*cos(ثيتا)+Ws*الخطيئة(ثيتا)) طول الألياف
1 نسبة دائرة نصف قطرها الأساسية للألياف إلى المسافة بين الألياف
n_1 2*(fix((Ws/(2*cos(theta)-Rf)/(2*tes*Rc))+3)*(كوس(ثيتا)!=0)+1*(كوس(ثيتا)==0) الحد الأقصى لعدد الألياف إذا ثيتا< = 45
n_2 2*(fix((Ls/(2*sin(theta)-Rf)/(2*tes*Rc))+3)*(الخطيئة(ثيتا)!=0)+1*(الخطيئة(ثيتا)==0) الحد الأقصى لعدد الألياف إذا ثيتا>45
فرط 1.2+0.3*abs(الخطيئة(2*ثيتا)) الألياف الأولى النسبية تعويض من سقالة
D Lf/5 دورية المعطف
دعم 0.46 طول المعطف الأول بالنسبة إلى دورية D
E 100 [mV/mm] حجم الحقل الكهربائي
V0 E * Ls * med_ratio الجهد الطرفي
اوميغا 500 [هرتز] الوقت تعتمد على دراسة الجهد التردد
p_sigma 0.5 الموصلية النسبية للطلاء الثاني
p_eps 1.5 طلاء الثاني ثابت عازل نسبي

الجدول 1: المعلمات المستخدمة في المحاكاة

الإعلام الثقافي PEDOT:PSS 1 PEDOT:PSS 2 الكولاجين رطب 1 الكولاجين رطب 2 سيلك فيبروين الكولاجين الجاف
الموصلية الكهربائية (S/m) 1.7014 1.00E-01 p_sigma * 0.1 2.00E-05 p_sigma * 2e-5 1.00E-08 2.50E-08
السماح النسبي 80.1 2.2 p_eps * 2.2 9.89 p_eps * 9.89 7.81E +00 4.97

الجدول 2: خصائص المواد المستخدمة في المحاكاة

ملفات تكميلية. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

Discussion

ويقترح البروتوكول المقترح حلا موحدا للنمذجة للسقالات الطبيعية والاصطناعية ويسلط الضوء على الحاجة إلى النظر في البنية النانوية للسقالات الليفية عند فحص آثار EF على الخلايا المصنفة على هذه المواد. على الرغم من أن تقريب خشن لكثافة EF (الفرق المحتمل للقطب الكهربائي مقسوما على المسافة بين الأقطاب الكهربائية) سيقودنا إلى توقع قوة حقل 100 mV /mm ، فإن المحاكاة تتوقع نقاط قوة حقل ثابتة أعلى بنسبة تصل إلى 30٪ في مناطق مختلفة من الحصيرة(الشكل 5). وينبغي أن تكون هذه النتيجة ذات أهمية في تصميم تجربة ES وتفسير البيانات، حيث يمكن أن يكون سبب موت الخلية هو وجود صناديق استثمار إلكترونية قوية للغاية. ومن شأن الكشف عن البيئة الكهربائية الدقيقة أن يمكن من وجود ارتباط مباشر بين ES والتنمية الخلوية. في حين أن العديد من الدراسات تقدم تحليلا مفصلا مورفولوجيا من السقالات المستخدمة33،43،59، فإنها لا تحقق في التفاعل بين الهيكل والخصائص الكهربائية للمواد وEF. ويمكن لهذا البروتوكول تمكين هذا الرابط، حيث يمكن تعديل معلمات مثل نصف قطر الألياف وسماكة طبقة الطلاء والمسافة بين الألياف والخصائص الكهربائية للمواد المكونة وفقا لكل تجربة عن طريق تغيير التعريفات العالمية في الخطوتين 1.2 و 1.3. ومن ثم، يمكن إجراء الشحنة ثلاثية الأبعاد المخصصة التي تم حلها مكانيا والتنبؤات الحالية بالكثافة لكل من أنظمة ES الثابتة والديناميكية.

يمكن استهداف تحسين تصميم السقالات من خلال نماذج RNC و RNCd مع استكشافات نطاق المعلمة الواسعة ، وتوسيع نطاق المورفولوجيا المقترحة أو أجزاء منها. بدلا من ذلك، يمكن التحقيق في تكوينات سقالة أخرى مع البروتوكول المقترح عن طريق تغيير أنواع الصفيف من خطي إلى ثلاثي الأبعاد في القسم 1.6.5 وتكييف هندسة السقالات في القسم 1.6.2. ومع ذلك ، لا يمكن أن يتم التحسين سقالة دون هدف. في حين لأغراض هندسة الأنسجة التركيز الرئيسي هو مصير الخلية، صورة أوضح على ما هي المحفزات المحددات الرئيسية أمر ضروري إذا كان من المرغوب السيطرة موثوق بها. الشحنة والكثافة الحالية هي واصفات جيدة من البيئات الدقيقة الكهربائية الخلوية لأنها تظهر التفاعل بين EF والخصائص الكهربائية للمواد المكونة المختلفة للسقالات المعقدة مثل ECM. يوضح البروتوكول كيفية حساب التنبؤات لتلك المقاييس نظرا لهندسة سقالة nanofibrous ويسلط الضوء على أهمية زاوية محاذاة الألياف مع EF. ويمكن بعد ذلك ربط التنبؤات بالشحن والكثافة الحالية بالتنمية الخلوية، وبالتالي يمكن بعد ذلك تحسين نظم السقالات وES لمهام محددة.

ومن المثير للاهتمام، أظهرت دراسة أن التعرض EF ولدت الإجهاد الميكانيكي أكثر من الضعف في القوة في الأفلام المركبة مع ألياف النانو عمودي على EF الخارجية مقارنة مع الأفلام مع محاذاة موازية60. الإجهاد الميكانيكي المبلغ عنه يمكن أن يكون نتيجة لقوات كولومب تعمل بين الألياف المشحونة، التي تنبأت بها المحاكاة نموذج الخام (RC، RNC، RNCD)(الشكل 6). وفي حين أن عمليات المحاكاة هذه يمكن أن تكون مفيدة في التحقيق في هذه الفرضية، لا بد من الإشارة إلى أن النتائج التجريبية المبلغ عنها تم الحصول عليها في نظام اقتران بالسعات، والمحاكاة تقدم اقترانا مباشرا.

ومن العوامل التي تحد من الاستخدامات المحتملة للبروتوكول في المستقبل لتقدير إشارة إدخال خلوية عدم اليقين بشأن المعلمة. المعلمات الهندسية غير مؤكدة هي سمك طبقة الطلاء والمسافة بين النوى الألياف. يمكن استنتاج الأول من خلال العثور على القيمة التي تؤدي إلى مقاومة السائبة التي يمكن التحقق من صحتها تجريبيا. ويمكن استخراج الثانية من المواد عالية الدقة بمسح. وتتأثر أيضا البارامترات التي تصف الخصائص الفيزيائية للمواد بعدم اليقين. ومع ذلك ، فإن الموصلية الكهربائية والثابت العازل للمواد المجسدة تختلف أكثر بكثير من دقة القياس التجريبية(الجدول 2). ولذلك، سيتم الإبقاء على الآثار المبلغ عنها على الرغم من أخطاء القياس المعتدلة.

وتبين النتائج كيف أن التعقيد غير الكافي للنموذج قد يخفي المعلومات ذات الصلة. من المهم الاعتراف بأن البروتوكول يحاكي نسخة مبسطة من الظاهرة الفيزيائية التي تحدث لأنه لا يأخذ في الاعتبار الطبيعة المختلفة للمواد المشاركة في العملية - الموصلات (الأقطاب الكهربائية) وأشباه الموصلات (الطلاء) وكهرباء (نواة الألياف) والكهارلي (المادة المحيطة) - التي هي قادرة على التأثير على نقل الشحنة. ويمكن تفسير هذه المسألة في التوسعات النموذجية المستقبلية بإضافة تأخيرات نقل الطاقة في الواجهات (أي ردود الفعل الفارادية) وتأخيرات النقل الأيونية داخل المنحل بالكهرباء. ومع ذلك، ينبغي أن تسترشد إضافة التعقيد بالتحقق التجريبي، حيث أن النموذج البسيط الذي يعيد إنتاج معظم ما يلاحظ هو أكثر فائدة من النموذج الدقيق بشكل ملحوظ الذي يضيف المزيد من المعلومات ولكنه حساس للغاية للعديد من المعايير التأسيسية.

كما الهدف النهائي من هندسة الأنسجة هو خلق المفاعلات الحيوية التي تحاكي ليس فقط واحد أو اثنين من جوانب في بيئات الجسم الحي، ولكن تكرار والسيطرة على جميع الإشارات التنموية الخلوية61،الكهرومغناطيسية والميكانكية في نماذج سيليكو، فضلا عن نماذج لنقل الحرارة بين مكونات المفاعل الحيوي سوف تحتاج إلى الجمع. في مرحلة النمذجة اللاحقة ، يمكن أيضا إضافة ظواهر اقتران بين تلك التفاعلات مثل التدفئة ohmic ، وتدفق السوائل المنحلة بالكهرباء ، وتشوهات السقالة المورفولوجية استجابة للتحفيز الكهربائي60 وطاقة بيزو62. ومع ذلك، يجب دمج النماذج فقط بعد التحقق من صحة كل منها تجريبيا. وبهذه الطريقة، يمكننا الحصول على فهم أفضل لتأثير كل مكون في البيئة الدقيقة الخلوية، وكيف يمكن تحسين المحفزات.

إذا تم التحقق من صحة النموذج المقترح تجريبيا ، فيمكن دمجه مع نماذج من الخلايا البيولوجية - الشكل 1. يمكن أن تؤثر أنماط كثافة الشحنة والتحوير بشكل غير متماثل على نشاط مضخات أيون محددة ، وتأثير التعلق بألياف البروتينات التي تقود التصاق الغشاء63 وبالتالي توجيه الهجرة وأنماط الانتشار والمورفوجين64. واستكشاف تلك الفرضيات هو الطريق إلى الأمام في فهم الآليات التي تقوم عليها استجابات الأنسجة والخلايا ل ES.

Disclosures

وليس لدى صاحبي البلاغ ما يكشفان عنه.

Acknowledgments

تم دعم هذا العمل من قبل برنامج ويلكوم ترست للدكتوراه لمدة 4 سنوات في البيولوجيا الكمية والفيزيائية الحيوية

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Comsol multiphysics 5.2 AC/DC module COMSOL - FEM modelling software

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Zhao, S., Mehta, A. S., Zhao, M. Biomedical applications of electrical stimulation. Cellular and Molecular Life Sciences. 77 (14), 2681-2699 (2020).
  2. Gordon, T. Electrical Stimulation to Enhance Axon Regeneration After Peripheral Nerve Injuries in Animal Models and Humans. Neurotherapeutics. 13 (2), 295-310 (2016).
  3. Pedrotty, D. M., et al. Engineering skeletal myoblasts: Roles of three-dimensional culture and electrical stimulation. American Journal of Physiology - Heart and Circulatory Physiology. 288, 1620-1626 (2005).
  4. Stoppel, W. L., Kaplan, D. L., Black, L. D. Electrical and mechanical stimulation of cardiac cells and tissue constructs. Advanced Drug Delivery Reviews. 96, 135-155 (2016).
  5. Leppik, L., et al. Combining electrical stimulation and tissue engineering to treat large bone defects in a rat model. Scientific Reports. 8 (1), (2018).
  6. Du, S., et al. Bioinspired hybrid patches with self-adhesive hydrogel and piezoelectric nanogenerator for promoting skin wound healing. Nano Research. 13 (9), 2525-2533 (2020).
  7. Gratieri, T., Santer, V., Kalia, Y. N. Basic principles and current status of transcorneal and transscleral iontophoresis. Expert Opinion on Drug Delivery. 14 (9), 1091-1102 (2017).
  8. Kroeling, P., Gross, A., et al. Electrotherapy for neck pain. Cochrane Database of Systematic Reviews. 2013 (8), (2013).
  9. Hurlow, A., et al. Transcutaneous electric nerve stimulation (TENS) for cancer pain in adults. Cochrane Database of Systematic Reviews. 2012 (3), (2012).
  10. Claydon, L. S., Chesterton, L. S., Barlas, P., Sim, J. Dose-specific effects of transcutaneous electrical nerve stimulation (TENS) on experimental pain: A systematic review. Clinical Journal of Pain. 27 (7), 635-647 (2011).
  11. Sbruzzi, G., Silveira, S. A., Silva, D. V., Coronel, C. C., Plentz, R. D. M. Estimulação elétrica nervosa transcutânea no pós-operatório de cirurgia torácica: Revisão sistemática e metanálise de estudos randomizados. Brazilian Journal of Cardiovascular Surgery. 27 (1), 75-87 (2012).
  12. Jin, D. M., Xu, Y., Geng, D. F., Yan, T. b Effect of transcutaneous electrical nerve stimulation on symptomatic diabetic peripheral neuropathy: A meta-analysis of randomized controlled trials. Diabetes Research and Clinical Practice. 89 (1), 10-15 (2010).
  13. Bjordal, J. M., et al. Short-term efficacy of physical interventions in osteoarthritic knee pain. A systematic review and meta-analysis of randomised placebo-controlled trials. BMC Musculoskeletal Disorders. 8 (1), 51 (2007).
  14. Johnson, M., Martinson, M. Efficacy of electrical nerve stimulation for chronic musculoskeletal pain: A meta-analysis of randomized controlled trials. Pain. 130 (1-2), 157-165 (2007).
  15. Johnson, M. I. Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation (TENS). eLS. , 1-13 (2012).
  16. Griffin, M., Bayat, A. Electrical stimulation in bone healing: critical analysis by evaluating levels of evidence. Eplasty. 11, (2011).
  17. Mollon, B., Da Silva, V., Busse, J. W., Einhorn, T. A., Bhandari, M. Electrical stimulation for long-bone fracture-healing: A meta-analysis of randomized controlled trials. Journal of Bone and Joint Surgery - Series A. 90 (11), 2322-2330 (2008).
  18. Eberstein, A., Eberstein, S. Electrical stimulation of denervated muscle: Is it worthwhile. Medicine and Science in Sports and Exercise. 28 (12), 1463-1469 (1996).
  19. Mödlin, M., et al. Electrical stimulation of denervated muscles: First results of a clinical study. Artificial Organs. 29 (3), 203-206 (2005).
  20. Gordon, T., Amirjani, N., Edwards, D. C., Chan, K. M. Brief post-surgical electrical stimulation accelerates axon regeneration and muscle reinnervation without affecting the functional measures in carpal tunnel syndrome patients. Experimental Neurology. 223 (1), 192-202 (2010).
  21. Chan, K. M., Curran, M. W. T., Gordon, T. The use of brief post-surgical low frequency electrical stimulation to enhance nerve regeneration in clinical practice. Journal of Physiology. 594 (13), 3553-3559 (2016).
  22. Vance, C. G. T., Dailey, D. L., Rakel, B. A., Sluka, K. A. Using TENS for pain control: the state of the evidence. Pain management. 4 (3), 197-209 (2014).
  23. Peters, E. J., Lavery, L. A., Armstrong, D. G., Fleischli, J. G. Electric stimulation as an adjunct to heal diabetic foot ulcers: A randomized clinical trial. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 82 (6), 721-725 (2001).
  24. Lundeberg, T. C. M., Eriksson, S. V., Malm, M. Electrical nerve stimulation improves healing of diabetic ulcers. Annals of Plastic Surgery. 29 (4), 328-331 (1992).
  25. Houghton, P. E., et al. Electrical Stimulation Therapy Increases Rate of Healing of Pressure Ulcers in Community-Dwelling People With Spinal Cord Injury. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 91 (5), 669-678 (2010).
  26. Bikbova, G., Bikbov, M. Standard corneal collagen crosslinking versus transepithelial iontophoresis-assisted corneal crosslinking, 24 months follow-up: randomized control trial. Acta Ophthalmologica. 94 (7), 600-606 (2016).
  27. Bhavsar, M. B., et al. Electrical stimulation-based bone fracture treatment, if it works so well why do not more surgeons use it. European Journal of Trauma and Emergency Surgery. 46 (2), 245-264 (2020).
  28. Erickson, C. A., Nuccitelli, R. Embryonic fibroblast motility and orientation can be influenced by physiological electric fields. Journal of Cell Biology. 98 (1), (1984).
  29. Hammerick, K. E., Longaker, M. T., Prinz, F. B. In vitro effects of direct current electric fields on adipose-derived stromal cells. Biochemical and Biophysical Research Communications. 397 (1), 12-17 (2010).
  30. Shao, S., et al. Osteoblast function on electrically conductive electrospun PLA/MWCNTs nanofibers. Biomaterials. 32 (11), 2821-2833 (2011).
  31. Forciniti, L., Ybarra Iii, J., Zaman, M. H., Schmidt, C. E. Schwann cell response on polypyrrole substrates upon electrical stimulation. Acta Biomaterialia. , (2014).
  32. Kumar, A., Nune, K. C., Misra, R. D. K. Electric field-mediated growth of osteoblasts-the significant impact of dynamic flow of medium. Biomaterials Science. 4 (1), 136-144 (2016).
  33. Hyun Ko, U., et al. Promotion of Myogenic Maturation by Timely Application of Electric Field Along the Topographical Alignment. Tissue Engineering Part A. 24 (10), 752-760 (2018).
  34. Lynch, K., Skalli, O., Sabri, F. Growing Neural PC-12 Cell on Crosslinked Silica Aerogels Increases Neurite Extension in the Presence of an Electric Field. Journal of Functional Biomaterials. 9 (2), 30 (2018).
  35. 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).
  36. Chen, C., Bai, X., Ding, Y., Lee, I. S. Electrical stimulation as a novel tool for regulating cell behavior in tissue engineering. Biomaterials Research. 23 (1), (2019).
  37. Purushothaman, A. E., Thakur, K., Kandasubramanian, B. Development of highly porous, Electrostatic force assisted nanofiber fabrication for biological applications. International Journal of Polymeric Materials and Polymeric Biomaterials. 69 (8), 477-504 (2020).
  38. Yanılmaz, M., Sarac, A. S. A review: Effect of conductive polymers on the conductivities of electrospun mats. Textile Research Journal. 84 (12), 1325-1342 (2014).
  39. Tsukada, S., Nakashima, H., Torimitsu, K. Conductive polymer combined silk fiber bundle for bioelectrical signal recording. PLoS ONE. 7 (4), 33689 (2012).
  40. Nguyen, H. T., et al. Electric field stimulation through a biodegradable polypyrrole-co- polycaprolactone substrate enhances neural cell growth. Journal of Biomedical Materials Research - Part A. 102 (8), 2554-2564 (2014).
  41. Song, J., et al. Polymerizing pyrrole coated poly (l-lactic acid-co-ε-caprolactone) (PLCL) conductive nanofibrous conduit combined with electric stimulation for long-range peripheral nerve regeneration. Frontiers in Molecular Neuroscience. 9, (2016).
  42. Lee, J. Y., Bashur, C. A., Goldstein, A. S., Schmidt, C. E. Polypyrrole-coated electrospun PLGA nanofibers for neural tissue applications. Biomaterials. 30 (26), 4325-4335 (2009).
  43. Du, L., et al. Combined effects of electrospun nanofibrous scaffold and electrical field on the neuronal outgrowth. Materials Letters. 256, (2019).
  44. Theocharis, A. D., Skandalis, S. S., Gialeli, C., Karamanos, N. K. Extracellular matrix structure. Advanced Drug Delivery Reviews. 97, 4-27 (2016).
  45. Shoulders, M. D., Raines, R. T. Collagen structure and stability. Annual Review of Biochemistry. 78, 929-958 (2009).
  46. Fang, M., et al. Type i collagen D-spacing in fibril bundles of dermis, tendon, and bone: Bridging between nano- and micro-level tissue hierarchy. ACS Nano. 6 (11), 9503-9514 (2012).
  47. PETRUSKA, J. A., HODGE, A. J. a Subunit Model for the Tropocollagen Macromolecule. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States ofAmerica. 51 (5), 871-876 (1964).
  48. Kastelic, J., Galeski, A., Baer, E. The multicomposite structure of tendon. Connective Tissue Research. 6 (1), 11-23 (1978).
  49. Thorpe, C. T., Birch, H. L., Clegg, P. D., Screen, H. R. C. The role of the non-collagenous matrix in tendon function. International Journal of Experimental Pathology. 94 (4), 248-259 (2013).
  50. Chapman, G. E., McLauchlan, K. A. The hydration structure of collagen. Proceedings of the Royal Society of London. Series B. Biological Sciences. 173 (31), 223-234 (1969).
  51. Bardelmeyer, G. H. Electrical conduction in hydrated collagen. I. Conductivity mechanisms. Biopolymers. 12 (10), 2289-2302 (1973).
  52. Budde, K., et al. Requirements for Documenting Electrical Cell Stimulation Experiments for Replicability and Numerical Modeling. Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. , 1082-1088 (2019).
  53. Zhao, S., Mehta, A. S., Zhao, M. Biomedical applications of electrical stimulation. Cellular and Molecular Life Sciences. 77 (14), 2681-2699 (2020).
  54. Zhang, T., Yi, Y. B. Monte Carlo simulations of effective electrical conductivity in short-fiber composites. Journal of Applied Physics. 103 (1), 14910 (2008).
  55. Meny, I., Burais, N., Buret, F., Nicolas, L. Finite element modeling of cell exposed to harmonic and transient electric fields. 12th Biennial IEEE Conference on Electromagnetic Field Computation, CEFC 2006. 43 (4), 310 (2006).
  56. Schoenbach, K. H., et al. Ultrashort electrical pulses open a new gateway into biological cells. Proceedings of the IEEE. 92 (7), 1122-1136 (2004).
  57. Gowrishankar, T. R., Smith, K. C., Weaver, J. C. Transport-based biophysical system models of cells for quantitatively describing responses to electric fields. Proceedings of the IEEE. 101 (2), 505-517 (2013).
  58. Pietak, A., Levin, M. Exploring instructive physiological signaling with the bioelectric tissue simulation engine. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 4, (2016).
  59. Babaie, A., et al. Synergistic effects of conductive PVA/PEDOT electrospun scaffolds and electrical stimulation for more effective neural tissue engineering. European Polymer Journal. 140, 110051 (2020).
  60. Zhou, J., Fukawa, T., Kimura, M. Directional electromechanical properties of PEDOT/PSS films containing aligned electrospun nanofibers. Polymer Journal. 43 (10), 849-854 (2011).
  61. Castro, N., et al. Physically Active Bioreactors for Tissue Engineering Applications. Advanced Biosystems. 4 (10), 1-29 (2020).
  62. Ribeiro, S., Gomes, A. C., Etxebarria, I., Lanceros-Méndez, S., Ribeiro, C. Electroactive biomaterial surface engineering effects on muscle cells differentiation. Materials Science and Engineering. , (2018).
  63. Marzocchi, M., et al. Physical and Electrochemical Properties of PEDOT:PSS as a Tool for Controlling Cell Growth. ACS Applied Materials and Interfaces. 7 (32), 17993-18003 (2015).
  64. Leronni, A., Bardella, L., Dorfmann, L., Pietak, A., Levin, M. On the coupling of mechanics with bioelectricity and its role in morphogenesis. Journal of the Royal Society Interface. 17 (167), 20200177 (2020).

Tags

الهندسة الحيوية، العدد 171، التحفيز الكهربائي، نمذجة العناصر المحدودة، النمذجة الحسابية، السقالة الموصلة، فيبريل الكولاجين، مصفوفة خارج الخلية، تصميم التجربة
نمذجة العناصر المحدودة لبيئة كهربائية خلوية
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Verdes, M., Disney, C., Phamornnak,… More

Verdes, M., Disney, C., Phamornnak, C., Margetts, L., Cartmell, S. Finite Element Modelling of a Cellular Electric Microenvironment. J. Vis. Exp. (171), e61928, doi:10.3791/61928 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter