Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

أجهزة المجال الكهربائي والمغناطيسي لتحفيز الأنسجة البيولوجية

Published: May 15, 2021 doi: 10.3791/62111
Automatic Translation
1,2, 2,3, 1,2, 1,4
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

Summary

يصف هذا البروتوكول عملية خطوة بخطوة لبناء كل من المحفزات الكهربائية والمغناطيسية المستخدمة لتحفيز الأنسجة البيولوجية. ويتضمن البروتوكول مبدأ توجيهيا لمحاكاة المجالات الكهربائية والمغناطيسية حسابيا وتصنيع أجهزة التحفيز.

Abstract

تستخدم هندسة الأنسجة الحقول الكهربائية (EFs) والمجالات المغناطيسية على نطاق واسع لتحسين ديناميكيات الخلايا مثل الانتشار والهجرة والتمايز والمورفولوجيا والتركيب الجزيئي. ومع ذلك، المتغيرات مثل قوة المحفزات وأوقات التحفيز تحتاج إلى النظر عند تحفيز الخلايا أو الأنسجة أو السقالات. وبالنظر إلى أن الصناديق الاستئمانية والصناديق الاستئمانية تختلف باختلاف الاستجابة الخلوية، لا يزال من غير الواضح كيفية بناء أجهزة تولد محفزات بيوفيزيائية كافية لتحفيز العينات البيولوجية. في الواقع، هناك نقص في الأدلة المتعلقة بالحساب والتوزيع عند تطبيق المحفزات الفيزيائية الحيوية. ويركز هذا البروتوكول على تصميم وتصنيع أجهزة لتوليد الصناديق الاستئمانية وصناديق الثروة السيادية وتنفيذ منهجية حسابية للتنبؤ بتوزيع المحفزات الفيزيائية الحيوية داخل العينات البيولوجية وخارجها. كان جهاز EF يتألف من قطبين متوازيين من الفولاذ المقاوم للصدأ يقعان في أعلى وأسفل الثقافات البيولوجية. تم توصيل الأقطاب الكهربائية بمذبذب لتوليد الفولتية (50 و 100 و 150 و 200 Vp-p) بسرعة 60 كيلوهرتز. كان جهاز MF يتكون من لفائف ، والتي تم تنشيطها بمحول لتوليد تيار (1 A) والجهد (6 V) عند 60 هرتز. تم بناء دعم الميثاكريل متعدد اليميثيل لتحديد الثقافات البيولوجية في منتصف الملف. وقد بينت المحاكاة الحسابية التوزيع المتجانس للصناديق الاستئمانية والصناديق الاستئمانية داخل الأنسجة البيولوجية وخارجها. هذا النموذج الحسابي هو أداة واعدة يمكن أن تعدل المعلمات مثل الفولتية والترددات ومورفولوجيا الأنسجة وأنواع لوحات الآبار والأقطاب الكهربائية وحجم الملف لتقدير EFs و MFs لتحقيق استجابة خلوية.

Introduction

وقد ثبت أن صناديق الاستثمار الإلكترونية والصناديق متعددة الخلايا تعدل ديناميكيات الخلايا، مما يحفز الانتشار ويزيد من تركيب الجزيئات الرئيسية المرتبطة بالمصفوفة خارج الخلية للأنسجة1. يمكن تطبيق هذه المحفزات الفيزيائية الحيوية بطرق مختلفة باستخدام إعدادات وأجهزة محددة. وفيما يتعلق بالأجهزة لتوليد EFs، تستخدم المحفزات المباشرة اقتران الأقطاب الكهربائية التي هي في اتصال مع العينات البيولوجية في المختبر أو زرعها مباشرة في أنسجة المرضى والحيوانات في الجسم الحي2؛ ومع ذلك، لا تزال هناك قيود وأوجه القصور التي تشمل عدم كفاية التوافق البيولوجي من قبل الأقطاب الكهربائية في اتصال، والتغيرات في مستويات الحموضة والأوكسجين الجزيئي1. على العكس من ذلك ، تولد أجهزة الاقتران غير المباشرة EFs بين قطبين كهربائيين ، يتم وضعها بالتوازي مع العينات البيولوجية3، مما يسمح بتقنية بديلة غير غازية لتحفيز العينات البيولوجية وتجنب الاتصال المباشر بين الأنسجة والأقطاب الكهربائية. يمكن استقراء هذا النوع من الأجهزة للتطبيقات السريرية المستقبلية لإجراء إجراءات مع الحد الأدنى من الغزو للمريض. فيما يتعلق بالأجهزة التي تولد MFs ، تخلق محفزات الاقتران الاستقرائي تيارا كهربائيا متغيرا زمنيا ، يتدفق من خلال لفائف تقع حول ثقافات الخلايا4و5. وأخيرا، هناك أجهزة مجتمعة، والتي تستخدم صناديق الاستثمار الإلكترونية وFS ثابت لتوليد المجالات الكهرومغناطيسيةعابرة 1. وبالنظر إلى وجود تكوينات مختلفة لتحفيز العينات البيولوجية، فمن الضروري النظر في متغيرات مثل التوتر والتردد عند تطبيق المحفزات الفيزيائية الحيوية. الجهد هو متغير مهم ، لأنه يؤثر على سلوك الأنسجة البيولوجية . على سبيل المثال، فقد تبين أن هجرة الخلايا والتوجه والتعبير الجيني تعتمد على اتساع الجهد التطبيقي3،6،7،8،9،10. يلعب التردد دورا مهما في التحفيز البيوفيزيائي ، حيث ثبت أن هذه تحدث بشكل طبيعي في الجسم الحي. وقد ثبت أن الترددات العالية والمنخفضة لها آثار مفيدة على الخلايا؛ خاصة، في قنوات الكالسيوم ذات البوابات الجهد الخلية غشاء أو reticulum endoplasmic، والتي تؤدي مختلف الإشارات المسارات في مستوى داخل الخلية1،7،11.

وفقا لما ذكر أعلاه ، يتكون جهاز لتوليد EFs من مولد جهد متصل بمكثفين متوازيين12. تم تنفيذ هذا الجهاز من قبل ارمسترونغ وآخرون لتحفيز كل من معدل التكاثر والتوليف الجزيئي للشوندروسيتيس13. تم إجراء تكييف لهذا الجهاز من قبل برايتون وآخرون الذين عدلوا صفائح آبار زراعة الخلايا عن طريق حفر أغطية العلوي والسفلي. تم ملء الثقوب بشرائح الغطاء ، حيث تم استخدام النظارات السفلية زراعة الأنسجة البيولوجية. وضعت أقطاب كهربائية على كل شريحة غطاء لتوليد EFs14. تم استخدام هذا الجهاز لتحفيز كهربائيا chondrocytes، والعظام والغضاريف explants، مما يدل على زيادة في انتشار الخلايا14،15،16 والتوليف الجزيئي3،17. ويتكون الجهاز الذي صممه Hartig وآخرون من مولد موجة ومكبر للصوت الجهد، والتي كانت متصلة المكثفات المتوازية. تم صنع أقطاب كهربائية من الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الجودة الموجود في علبة عازلة. تم استخدام الجهاز لتحفيز الخلايا العظمية، مما يدل على زيادة كبيرة في الانتشار وإفراز البروتين18. ويتكون الجهاز الذي يستخدمه كيم وآخرون من رقاقة محفز تيار ثنائي الطور، تم بناؤها باستخدام عملية تصنيع أشباه الموصلات التكميلية لأكسيد المعادن عالي الجهد. تم تصميم لوحة بئر الثقافة زراعة الخلايا على سطح موصل مع التحفيز الكهربائي. كانت مغلفة الأقطاب الكهربائية في الذهب على لوحات السيليكون19. تم استخدام هذا الجهاز لتحفيز الخلايا العظمية ، مما يدل على زيادة في انتشار وتوليف عامل النمو البطاني الوعائي19، وتحفيز إنتاج نشاط الفوسفاتاز القلوية وترسب الكالسيوم والبروتينات المورفوجينية العظمية20. وبالمثل، تم استخدام هذا الجهاز لتحفيز معدل التكاثر والتعبير عن عامل النمو البطانية الوعائية من نخاع العظم البشري الخلايا الجذعيةالمتوسطة 21. وكان الجهاز الذي صممه ناكاسوجي وآخرون يتألف من مولد جهد متصل بلوحات البلاتين. تم بناء أقطاب كهربائية لقياس الإمكانات الكهربائية في 24 نقطة مختلفة. تم استخدام هذا الجهاز لتحفيز chondrocytes، مما يدل على أن EFs لم يغير مورفولوجيا الخلايا وزيادة الانتشار والتوليف الجزيئي22. ويتكون الجهاز الذي يستخدمه الاتحاد الافريقي وآخرون من غرفة زجاجية مجهزة بقضيبين كربونيين متصلين بمحفز للقلب بأسلاك بلاتينية. تم استخدام هذا المحفز لتحفيز خلايا القلب والخلايا الليفية ، وتحسين استطالة الخلايا ومحاذاة الخلايا الليفية23.

تم تصنيع أجهزة MF مختلفة على أساس لفائف هيلمهولتز لتحفيز عدة أنواع من العينات البيولوجية. على سبيل المثال، وقد استخدمت لفائف هيلمهولتز لتحفيز الانتشار والتوليف الجزيئي للشوندروسيتيس24،25، وتعزيز تخليق البروتيوغليكان من explants الغضاريف المفصلية26، وتحسين التنظيم الجيني المتعلقة بتكوين العظام من الخلايا الشبيهة بالعظم27، وزيادة الانتشار والتعبير الجزيئي للخلايا البطانية28. لفائف هيلمهولتز تولد MFs في جميع أنحاء اثنين من لفائف تقع واحدة أمام الأخرى. يجب وضع اللفائف بمسافة مساوية لنصف قطر اللفائف لضمان MF متجانسة. ويكمن عيب استخدام لفائف هيلمهولتز في أبعاد الملف ، لأنها تحتاج إلى أن تكون كبيرة بما يكفي لتوليد كثافة MF المطلوبة. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تكون المسافة بين اللفائف كافية لضمان توزيع متجانس للصناديق متعددة العضلات حول الأنسجة البيولوجية. لتجنب المشاكل الناجمة عن لفائف هيلمهولتز، ركزت دراسات مختلفة على تصنيع لفائف السولينويد. وتستند لفائف سولينويد على أنبوب، وهو الجرح مع الأسلاك النحاسية لتوليد MFs. يمكن توصيل مدخلات الأسلاك النحاسية مباشرة إلى منفذ أو إمدادات الطاقة لتنشيط لفائف وخلق MFs في وسط سولينويد. كلما زاد تحول الملف ، كلما زاد توليد MF. حجم MF يعتمد أيضا على الجهد والتيارات المطبقة لتنشيطلفائف 29. وقد استخدمت لفائف سولينويد لتحفيز نوع مختلف مغناطيسيا من الخلايا مثل هيلا، HEK293 وMCF730 أو الخلايا الجذعية mesenchymal31.

الأجهزة المستخدمة من قبل مختلف المؤلفين لم تنظر في الحجم الكافي للأقطاب الكهربائية أو الطول الصحيح لللفائف لتوزيع متجانسة كل من صناديق الاستثمار المتداولة وFs. وعلاوة على ذلك، تولد الأجهزة الفولتية الثابتة والترددات، والحد من استخدامها لتحفيز الأنسجة البيولوجية محددة. ولهذا السبب، يتم في هذا البروتوكول تنفيذ مبدأ توجيهي للمحاكاة الحاسوبية لمحاكاة كل من النظم السعائية واللفائف لضمان التوزيع المتجانس للصناديق الاستئمانية والصناديق متعددة المؤشرات على العينات البيولوجية، وتجنب تأثير الحافة. بالإضافة إلى ذلك ، يظهر أن تصميم الدوائر الإلكترونية يولد الفولتية والتردد بين الأقطاب الكهربائية واللفائف ، مما يخلق EFs و MFs التي ستتغلب على القيود الناجمة عن مقاومة لوحات الآبار والهواء لثقافة الخلية. وستسمح هذه التعديلات بإنشاء مفاعلات بيولوجية غير غازية ومتكيفة لتحفيز أي أنسجة بيولوجية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. محاكاة صناديق الاستثمار الإلكترونية وصناديق الاستثمار المتداولة

ملاحظة: تم تنفيذ محاكاة من EFs و MFs في COMSOL Multiphysics.

  1. حدد تكوينا 2D محوري لتمثيل كلا المجالين الكهربائية والمغناطيسية.
  2. في التكوين الفيزيائي، حدد إما واجهة التيار الكهربائي لحساب EFs في أقطاب كهربائية متوازية أو واجهة المجال المغناطيسي لحساب MFs حول اللفائف.
  3. في تكوين الدراسة، حدد نطاق التردد لحساب استجابة نموذج خطي أو خطي يخضع لإثارة متناسقة لتردد واحد أو عدة ترددات.
  4. مرة واحدة داخل واجهة لبدء بناء النموذج، اتبع الخطوات التالية وفقا لنموذج الاهتمام.
    1. بناء نموذج لصناديق الاستثمار الإلكترونية
      1. إنشاء هندسات. في منشئ النموذج، حدد الهندسة. ثم حدد موقع قسم الوحدات واختر مم. على شريط الأدوات Geometry، حدد مستطيل واكتب أبعاد كل مكون في المربع الحجم والشكل لإعدادات إطار المستطيل . وتتكون الهندسة عن طريق الهواء، واثنين من الأقطاب الكهربائية المتوازية، والثقافة جيدا لوحة، وسائل الإعلام الثقافية وعينة البيولوجية، والتي في هذه الحالة يتم تمثيلها من قبل سقالة من حمض الهيالورونيكس - الجيلاتين هيدروجيل (انظر أبعاد كل عنصر في الجدول 1). بمجرد بناء كافة الأشكال الهندسية، انقر فوق إنشاء كافة الكائنات.
      2. إنشاء التحديدات. على شريط أدوات التعريفات، انقر فوق Explicit لإنشاء تحديد للمجال المعدني. حدد الأشكال الهندسية التي تمثل الأقطاب الكهربائية. بعد ذلك، انقر بزر الماوس الأيمن على Explicit 1 لإعادة تسميته. اكتب المعدن في حقل نص التسمية الجديد.
        1. من ناحية أخرى، على شريط أدوات التعريفات، انقر فوق تكملة. حدد موقع المقطع كيانات الإدخال في إطار "إعدادات مكملة". ثم، ضمن التحديدات لعكس، انقر فوق إضافة وحدد المعدن في التحديدات لعكس القائمة من مربع الحوار إضافة. بعد ذلك، انقر بزر الماوس الأيمن في Complement 1 لإعادة تسميته. نوع مجال طراز في حقل نص التسمية الجديد.
      3. إنشاء حدود. انقر فوق صريح على شريط أدوات التعريفات. بعد ذلك، حدد موقع المقطع كيانات الإدخال في إطار إعدادات صريح ومن قائمة مستوى الكيان الهندسي، اختر الحدود. هنا، حدد جميع الحدود للقطب السفلي. انقر بزر الماوس الأيمن فوق Explicit 2 لإعادة تسميته. اكتب حدود الأرض في حقل نص التسمية الجديد. كرر هذه الخطوات ولكن اختيار جميع الحدود للقطب العلوي. بعد ذلك، انقر بزر الماوس الأيمن فوق Explicit 3 لإعادة تسميته. اكتب حدود المحطة الطرفية في حقل نص التسمية الجديد.
      4. إضافة التيارات الكهربائية. في إطار منشئ طراز، ضمن Component 1 انقر فوق التيارات الكهربائية (ec). ثم حدد موقع المقطع تحديد المجال في إطار إعدادات التيارات الكهربائية. من قائمة التحديد، اختر مجال الطراز. على شريط أدوات الفيزياء، انقر فوق الحدود واختر الأرض. بعد ذلك، حدد موقع المقطع تحديد الحدود في إطار إعدادات الأرض واختر حدود الأرض من قائمة التحديد.
        1. بعد ذلك، انقر فوق الحدود واختر المحطة الطرفية على شريط أدوات الفيزياء. وأخيرا، حدد موقع المقطع تحديد الحدود في إطار "إعدادات المحطة الطرفية" واختر حدود المحطة الطرفية من قائمة التحديد؛ هنا، حدد موقع القسم المحطة الطرفية واختر الجهد من قائمة المحطة ونوع 100 V.
      5. إضافة مواد. انقر فوق إضافة مادة على شريط الأدوات الرئيسية لفتح نافذة إضافة مادة. البحث في الهواء والفولاذ المقاوم للصدأ وإضافتها إلى إطار منشئ النموذجي. ثم انقر فوق مادة فارغة على شريط الأدوات الرئيسية وإضافة ثلاث مواد فارغة جديدة لوسائط الثقافة، سقالة (هيدروجيل) والبوليسترين (الثقافة جيدا لوحة).
      6. حدد مادة فارغة لتعيين الخصائص العازلة. حدد موقع قائمة خصائص المواد في إطار إعدادات المواد وحدد المسموحية النسبية والتوصيلية الكهربائية من قائمة الخيارات خصائص أساسية. خصائص عازلة لوسائل الإعلام الثقافية، هيدروجيل والثقافة جيدا لوحة في الجدول 2. كرر هذا الإجراء لجميع المواد الفارغة.
      7. تعيين كل مادة إلى الهندسة التي بنيت سابقا. حدد شكل المواد الهوائية نافذة منشئ الطراز؛ ثم حدد المجالات التي تتوافق مع الهواء من إطار الرسم. كرر هذه الخطوة لجميع المواد التي تم إنشاؤها. تأكد من أن كل مجال يتوافق مع المواد الصحيحة. للتأكد من أن كافة المواد تم تعيينها بشكل صحيح، انقر فوق كل مادة من إطار Model Builder ولاحظ ما إذا كانت المجالات مميزة باللون الأزرق داخل إطار الرسم.
      8. بناء شبكة. انقر بزر الماوس الأيمن فوق Mesh 1 في إطار منشئ النموذج وحدد الثلاثي الحر. كرر هذه الخطوة بتحديد الحجم. في إطار إعداد شبكة حدد شبكة التحكم بواسطة المستخدم من قائمة نوع التسلسل. ثم قم بتوسيع خيارات Mesh في إطار منشئ الطراز وانقر فوق الحجم.
      9. حدد موقع معلمات حجم العنصر في إطار إعداد الحجم واكتب 1 مم لأقصى حجم للعنصر، و0.002 مم للحد الأدنى لحجم العنصر، و1.1 لمعدل نمو العنصر الأقصى، و0.2 لعامل الانحناء، و1 لحل المناطق الضيقة. ثم قم بتوسيع خيارات Mesh في إطار منشئ النموذج وانقر فوق Free Triangular 1. هنا، حدد كافة المجالات التي سيتم تشابكها. وأخيرا، انقر فوق إنشاء الكل في إطار إعداد شبكة.
      10. إنشاء دراسة. انقر فوق دراسة 1 في إطار منشئ نموذج. ثم حدد موقع المقطع إعدادات الدراسة في إطار إعدادات الدراسة ثم قم بإلغاء تحديد خانة الاختيار إنشاء مخططات افتراضية. توسيع عقدة الدراسة 1 في إطار منشئ طراز ثم انقر فوق الخطوة 1: مجال التردد. وأخيرا، حدد موقع المقطع إعدادات الدراسة في إطار إعدادات مجال التردد واكتب 60 كيلوهرتز في حقل النص الترددات.
      11. حساب الدراسة. انقر فوق إظهار Solver الافتراضي على شريط أدوات الدراسة. ثم قم بتوسيع عقدة تكوينات Solver Study 1 في إطار منشئ طراز. توسيع عقدة الحل 1 (sol1) في إطار منشئ الطراز; بعد ذلك، انقر فوق 1 Solver ثابتة في إطار إعدادات Solver ثابتة وحدد موقع المقطع عام واكتب 1e-6 في حقل النص التسامح النسبي. وأخيرا، انقر فوق حساب على شريط أدوات الدراسة.
      12. نتائج المؤامرة. حدد قسم النتائج على شريط الأدوات الرئيسية وأضف مجموعة رسم 2D. ثم انقر بزر الماوس الأيمن فوق مجموعة رسم 2D 1 في إطار منشئ الطراز واختر Surface. ثم حدد موقع مقطع البيانات في إطار إعدادات السطح وحدد مقدمة. بعد ذلك، حدد موقع مقطع التعبير في إطار إعدادات السطح; هنا، انقر في رمز زائد (+) لفتح نافذة جديدة وتحديد مسار متابعة من قائمة الاختيار (نموذج - مكون 1 - التيارات الكهربائية - الكهربائية). هنا، حدد ec.normE - EF نورم. وأخيرا، انقر على الرسم في نافذة إعدادات السطح لرسم النتائج.
    2. بناء نموذج لصناديق الاستثمار المتداولة
      1. إنشاء هندسات. في منشئ النموذج، حدد الهندسة؛ ثم حدد موقع المقطع وحدات واختر مم. على شريط الأدوات Geometry حدد مستطيل واكتب أبعاد كل مكون في المربع حجم وشكل إعدادات إطار المستطيل . وتتكون الهندسة عن طريق الهواء وكوبر (انظر أبعاد كل عنصر في الجدول 1). بمجرد بناء كافة الأشكال الهندسية، انقر فوق إنشاء كافة الكائنات.
      2. إضافة مواد. انقر فوق إضافة مادة على شريط الأدوات الرئيسية لفتح نافذة إضافة مادة. ابحث عن الهواء والنحاس وأضفهما إلى نافذة Model Builder. خصائص عازلة للنحاس في الجدول 2.
      3. إنشاء حدود. انقر فوق حقل المغناطيسيات على إطار منشئ الطراز. هنا، حدد موقع قائمة المعادلة في إطار إعدادات الحقول المغناطيسية واختر معادلة مجال التردد من قائمة نموذج المعادلة. في قائمة التردد اختر من solver. بعد ذلك، حدد موقع قانون أمبير على قائمة المجال المغناطيسي في إطار منشئ النموذج. في النوع 293.15 [K] في درجة الحرارة، 1 [atm] في الضغط المطلق من قائمة نموذج المدخلات. ثم اختر Solid من قائمة نوع المادة في إطار إعدادات القانون في Ampere. تأكد من أن الموصلية الكهربائية، والسماح النسبي وال نفاذية النسبية تتوافق مع من المواد في القائمة.
      4. حدد موقع التماثل المحوري في قائمة المجال المغناطيسي في إطار منشئ الطراز. تأكد من تمييز خط التماثل المحوري في كل من قائمة تحديد الحدود و إطار الرسم. ثم حدد موقع العزل المغناطيسي على قائمة المجال المغناطيسي في إطار منشئ طراز. تأكد من تمييز الحدود من الهندسة في كل من قائمة تحديد الحدود و إطار الرسم.
      5. حدد موقع القيم الأولية في قائمة المجال المغناطيسي في إطار منشئ الطراز. حدد الأشكال الهندسية التي تم إنشاؤها مسبقا وتضمينها في تحديد المجال من إطار إعدادات القيم الأولية.
      6. تقديم ميزات لفائف. حدد موقع لفائف متعددة على قائمة المجال المغناطيسي في إطار منشئ الطراز. هنا، يحدد الهندسة التي تمثل الملف وتضمينها في تحديد المجال من إطار إعدادات الملف المتعددة.
      7. حدد موقع قائمة لفائف متعددة على إطار إعداد لفائف متعددة; هنا، حدد قائمة الإثارة لفائف وحدد الحالي؛ بعد ذلك، اكتب 1 [A] في القائمة الحالية لفائف، 450 في عدد من المنعطفات و 6e7 [S / م] في الموصلية لفائف.
      8. حدد موقع منطقة سلك Coil المقطعية واختر قطر كابل أمريكا الشمالية (Brown &؛ Sharpe) من القائمة والنوع 18 في خيار AWG. تأكد من أن السماح النسبي وال نفاذية النسبية تتوافق مع من المواد في القائمة.
      9. بناء شبكة. في إطار إعداد شبكة حدد شبكة التحكم بواسطة الفيزياء من قائمة نوع التسلسل. بعد تحديد موقع معلمات حجم العنصر في إطار إعداد شبكة وحدد Fine للغاية. وأخيرا، حدد كافة المجالات التي سيتم تشابكها وانقر فوق إنشاء الكل في إطار إعداد شبكة.
      10. إنشاء دراسة. انقر فوق دراسة 1 في إطار منشئ نموذج. ثم حدد موقع المقطع إعدادات الدراسة في إطار إعدادات الدراسة ثم قم بإلغاء تحديد خانة الاختيار إنشاء مخططات افتراضية. توسيع عقدة Study 1 في إطار منشئ طراز ثم انقر فوق الخطوة 2: مجال التردد. وأخيرا، حدد موقع المقطع إعدادات الدراسة في إطار إعدادات مجال التردد واكتب 60 هرتز في حقل النص الترددات.
      11. حساب الدراسة. انقر فوق إظهار Solver الافتراضي على شريط أدوات الدراسة. ثم قم بتوسيع عقدة تكوينات Solver Study 1 في إطار منشئ طراز. توسيع عقدة الحل 1 (sol1) في إطار منشئ الطراز; بعد ذلك، انقر فوق 1 Solver ثابتة في إطار إعدادات Solver ثابتة وحدد موقع المقطع عام واكتب 1e-6 في حقل النص التسامح النسبي. وأخيرا، انقر فوق حساب على شريط أدوات الدراسة.
      12. نتائج المؤامرة. حدد قسم النتائج على شريط الأدوات الرئيسية وأضف مجموعة رسم 2D. ثم انقر بزر الماوس الأيمن فوق مجموعة رسم 2D 1 في إطار منشئ الطراز واختر Surface. ثم حدد موقع مقطع البيانات في إطار إعدادات السطح وحدد مقدمة.
      13. حدد موقع مقطع التعبير في إطار إعدادات السطح. هنا، انقر في رمز زائد (+) لفتح نافذة جديدة وتحديد مسار متابعة من قائمة الاختيار (نموذج - مكون 1 - المجال المغناطيسي - المغناطيسي). هنا، حدد mf.normB - المغناطيسي كثافة التدفق نورم. وأخيرا، انقر على الرسم في نافذة إعدادات السطح لرسم النتائج.

2. تصميم وتصنيع أجهزة التحفيز الكهربائي والمغناطيسي

  1. جهاز التحفيز الكهربائي
    ملاحظة: وتتكون من دائرة على أساس مذبذب جسر وين واثنين من الأقطاب الفولاذ المقاوم للصدأ موازية. الدائرة هي مذبذب RC من مرحلة التحول، والذي يستخدم ردود فعل إيجابية وسلبية. يتكون مذبذب جسر Wien من خلال شبكة الرصاص تأخر، الذي يقسم الجهد المدخلات من خلال الجمع بين ذراعين من الجسر: مقاوم R5 مع مكثف C2 في سلسلة، ومقاوم R6 مع مكثف C3 بالتوازي (الشكل 1 أ). هذه المكونات تعدل تردد المذبذب. لبناء جهاز التحفيز الكهربائي اتبع الخطوات التالية:
    1. حساب التردد باستخدام معادلة التردد الرنانة (1).
      Equation 1
      حيث R = R5 = R6 هي المقاومات وC = C2 = C3 هي المكثفات. يتم وضع كل من R و C في ذراعي الجسر(الشكل 1A). استخدم R5 = R6 = 2.6 kΩ و C2 = C3 = 1 nF للحصول على تردد 60 كيلوهرتز. يمكن حساب المقاومات والمكثفات إذا كان هناك حاجة إلى تردد مختلف.
    2. تصميم الدائرة في مثل هذه الطريقة التي كسب الجهد من مكبر للصوت يعوض تلقائيا التغيرات السعة من إشارة الإخراج. في الشكل 1A من الممكن مراقبة مخطط الدائرة ، في حين يتم سرد في قسم جدول المواد المكونات الإلكترونية لبناء الدائرة.
    3. حساب مزيج من المقاومات لتوليد الفولتية الناتج أربعة. كما هو مبين في الشكل 1A، استخدم مزيجا من المقاومات R11و R12و R13 و R14 (مقاومة مكافئة من 154 Ω) لتوليد جهد 50 Vp-p ؛ المقاومات R17، R18 و R19 في سلسلة (مقاومة تعادل 47،3 Ω) للحصول على الجهد من 100 نائب الرئيس ف ؛ المقاومات R9 و R10 في سلسلة (مقاومة تعادل 25،3 Ω) لتوليد الجهد من 150 نائب الرئيس ف؛ ومزيج من المقاومين R15 و R16 (مقاومة تعادل 16،8 Ω) للحصول على الجهد من 200 نائب الرئيس ص.
    4. استخدم الترانزستور (TIP 31C) ومحول أساسي فيريت لتنفيذ مرحلة تضخيم الإشارة. تم استخدام نواة فيريت تورويدال لتصفية الأسلاك النحاسية AWG 24 ، واستكمال علاقة 1:200. استخدام اثنين من المكثفات (C4 و C5) من 100 nF بالتوازي قبل المحول لتصحيح إشارة (الشكل 1A).
    5. قم بإعداد PCB باستخدام خدمة تصنيع PCB خارجية. يتم توفير الرسم التخطيطي للدائرة في الشكل 1. ضع جميع المكونات على PCB مع ملاقط مضادة للستاتيكي. استخدام لحام القصدير والحديد لحام لجميع المكونات.
    6. تصنيع علبة بلاستيكية مع موصلات الإدخال لحماية الدائرة. تنفيذ ثلاثة موصلات الإدخال لتنشيط الدائرة (12 V، -12 V والأرض). استخدم موصلين لإدخال توصيل الأقطاب الكهربائية. وتشمل ثلاثة مفاتيح لتغيير تركيبة المقاومات للحصول على الفولتية الناتج أربعة. تجميع الدائرة الإلكترونية في حالة البلاستيك(الشكل 1B).
    7. تصنيع اثنين من الأقطاب الفولاذ المقاوم للصدأ موازية (200 × 400 × 2 ملم) وموصلات إدخال لحام إلى كل حافة. وتقع الأقطاب الكهربائية فوق تفلون أو يدعم الاكريليك للقضاء على أي اتصال مع السطح المعدني للحاضنة(الشكل 1C).
    8. استخدم التعقيم التلقائي عند 394.15 K (121 درجة مئوية) لمدة 30 دقيقة لتعقيم الأقطاب الكهربائية واستخدام الأشعة فوق البنفسجية خلال الليل لتعقيم الأسلاك التي هي على اتصال مع الحاضنة.
    9. اختبار جهاز التحفيز الكهربائي. ضبط إمدادات الطاقة في سلسلة لتوليد الجهد الناتج من +12 V و-12 الخامس بين الأرض ومحطات إيجابية وسلبية. تحقق من الجهد الناتج من إمدادات الطاقة مع multimeter. قم بتوصيل كل مخرج من إمدادات الطاقة في الإدخال الصحيح للمحفز الكهربائي (+12 فولت و-12 فولت والأرض). قم بتوصيل كل قطب كهربائي في موصل الإدخال الصحيح للمحفز الكهربائي. القطبية ليست مهمة ، ونحن نعمل على التيار المتردد. ضع طبق جيد للثقافة بين الأقطاب الكهربائية وتحقق من إشارة الإخراج باستخدام منظار الذبذبات. ضبط مفاتيح المحفز الكهربائي لتوليد الفولتية الناتج أربعة (50، 100، 150 و 200 نائب الرئيس ف).
    10. توصيات السلامة. لتجنب أي مشكلة عند نقل أو إزالة الأقطاب الكهربائية من الحاضنة تأكد من عدم تشابك الكابلات. قطع الكابلات من المذبذب قبل إزالة الأقطاب الكهربائية من الحاضنة. أبدا وضع الأقطاب الكهربائية دون الاكريليك أو تفلون يدعم.
  2. جهاز التحفيز المغناطيسي
    1. تقدير عدد المنعطفات لضمان MF متجانسة داخل الملف باستخدام المعادلة (2)، الذي يصف MF داخل لفائف سولينويد.
      Equation 2
      حيث μ0 هو نفاذية المغناطيسي للفراغ (4π×10-7)،N هو عدد من المنعطفات من الأسلاك النحاسية، وأنا هو التيار، و ح، والتي ينبغي أن تكون أكبر من قطرها، هو طول لفائف سولينويد.
    2. تحديد عدد المنعطفات عن طريق اختيار طول (ح) من 250 ملم، الحالية من 1 A و Bint = 2mT.
    3. تصنيع لفائف. بناء أنبوب كلوريد البولي فينيل (PVC) بطول 250 ملم وقطره 84 ملم لالرياح AWG 18 سلك نحاسي الانتهاء من 450 يتحول(الشكل 2A). تم اختيار الأبعاد بناء على المساحة المتاحة داخل الحاضنة.
    4. تصنيع ثقافة الخلية جيدا لوحة الدعم. بناء دعم الميثاكريل متعدد البرومثالات (PMMA) لضمان أن لوحات جيدة من 35 ملم كانت موجودة دائما في منتصف الملف حيث تكون متجانسة MFs(الشكل 2A).
    5. تصنيع محول لزيادة تيار الدائرة. بناء محول مع إخراج 1 A - 6 V AC للوصول إلى أقصى MF من 2 MT. وكان الجهد مدخلات المحول 110 V AC في 60 هرتز. تتوافق هذه المعلمات مع الجهد الناتج وتردد منفذ أمريكا الجنوبية.
    6. قم بتوصيل الدائرة. يتم توصيل المحول مباشرة إلى منفذ. استخدم مقاوم متغير (rheostat) لتغيير التيار وتوليد MFs من 1 إلى 2 mT. توصيل فتيل لحماية الدائرة (الشكل 2B).
    7. استخدام الأشعة فوق البنفسجية خلال الليل لتعقيم الأسلاك التي هي على اتصال مع الحاضنة. التفاف لفائف مع فيلم تمتد شفافة واستخدام الإيثانول لتعقيم لفائف.
    8. اختبار جهاز MF. استخدام تيسلامتر لقياس حجم MF داخل الملف. كان مسبار تيسلاميتر يقع في وسط الملف، مما يسمح بقياس MFs التيارات في وقت واحد.
    9. تختلف حجم MF. استخدام الريوستات لتعديل مقاومة الدائرة (الشكل 2B). واستخدمت قيمة مقاومة قدرها 0.7 Ω لتوليد MFs من 1 mT.
    10. توصيات السلامة. لتجنب أي مشكلة عند نقل أو إزالة سولينويد من الحاضنة تأكد من أن الكابلات ليست متشابكة. قطع الكابلات من المحول قبل إزالة سولينويد من الحاضنة. أبدا وضع سولينويد دون دعم PMMA. فهم بحزم كل من دعم PMMA من القاعدة والسولينويد عند نقل أو إزالة من الحاضنة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

المحاكاة الحاسوبية
يتم عرض توزيعات صناديق الاستثمار الإلكترونية وصناديق الاستثمار المتداولة في الشكل 3. فمن ناحية، كان من الممكن ملاحظة التوزيع المتجانس للصناديق الاستئمانية في نظام السعة(الشكل 3 ألف). تم رسم EF لمراقبة حجم الحقل داخل العينة البيولوجية بالتفصيل(الشكل 3B). كانت هذه المحاكاة مفيدة لparametrize حجم الأقطاب الكهربائية وتصنيعها لتجنب تأثير الحافة. ومن ناحية أخرى، كان من الممكن مراقبة التوزيع المتجانس للملفات متعددة الدهون الناتجة عن لفائف السولينويد(الشكل 3C). تم رسم MF لمراقبة بالتفصيل حجم الحقل داخل الملف(الشكل 3D). وكانت هذه المحاكاة قياس المهم المسافة حيث MF هو نفسه وبناء دعم PMMA. يضمن هذا الدعم توزيعا متجانسا ل MF ليس فقط في وسط الملف ، ولكن أيضا في العينات البيولوجية التي سيتم تحفيزها.

الإشارات التي تولدها المحفزات الكهربائية والمغناطيسية
تظهر إشارات المخرجات الناتجة عن المحفزات الكهربائية في الشكل 4. من المهم تسليط الضوء على أن الإشارات التي التقطها منظار الذبذبة تم التقاطها مباشرة في الأقطاب الكهربائية ، حيث ما إذا كان القياس يؤخذ مباشرة إلى كابلات الإخراج ، فإن الفولتية ستكون أعلى(الشكل 4A). هذا الاختلاف الجهد هو إعطاء من قبل سعة الأقطاب الكهربائية. ويتذبذب الجهد الناتج في مجموعة من ± 5V في 60 كيلوهرتز; على سبيل المثال، كانت إشارات الإخراج 54.9 Vp-p (الشكل 4B)، 113 Vp-p (الشكل 4C)،153 Vp-p (الشكل 4D) و 204 Vp-p (الشكل 4E) ل 50 و 100 و 150 و 200 Vp-p على التوالي.

تظهر إشارة الإخراج الناتجة عن المحفز المغناطيسي في الشكل 5. تم التقاط الإشارة التي التقطها الذبذبة مباشرة في كابلات إخراج الملف(الشكل 5A). ويتذبذب الجهد الناتج في نطاق ± 15V ف ف في 60 هرتز (الشكل 5B).

Figure 1
الشكل 1. جهاز التحفيز الكهربائي. أ) الدائرة التي تولد توترات من 50 و 100 و 150 و 200 Vp-p في شكل موجة جيب 60 كيلوهرتز. ب) لوحة الدوائر المطبوعة داخل القضية. ج) أقطاب كهربائية داخل الحاضنة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2. جهاز التحفيز المغناطيسي. أ)التمثيل التخطيطي لجهاز التحفيز المغناطيسي ودعم PMMA. ب)دائرة لتوليد MFs. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3. المحاكاة الحاسوبية لصناديق الاستثمار الإلكترونية وصناديق الاستثمار المتداولة. أ) توزيع الصناديق الكهربائية داخل وخارج نظام السعة. ب) توزيع الصناديق الإلكترونية داخل الهيدروجيل، ويشار إلى المنطقة ذات الاهتمام في التفاصيل الحمراء. ج) توزيع ملفات MFs داخل وخارج الملف. د) توزيع MFs في وسط الملف ، ويشار إلى المنطقة ذات الاهتمام في التفاصيل الحمراء. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4. إشارة الجيوب الأنفية التي تم إنشاؤها بواسطة المحفز الكهربائي. أ) التحقق من الإشارة التي تم إنشاؤها بواسطة المحفز الكهربائي. ب) إشارة في 50 Vp-p. C) إشارة في 100 نائب الرئيس P. D) إشارة في 150 نائب الرئيس-p. E) إشارة في 200 نائب الرئيس ف. جميع القياسات تتأرجح في مجموعة من ± 5V في 60 كيلوهرتز. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5. إشارة الجيوب الأنفية التي تم إنشاؤها بواسطة المحفز المغناطيسي. أ) التحقق من الإشارة التي تم إنشاؤها بواسطة المحفز المغناطيسي. ب) إشارة في 15 نائب الرئيس ف في 60 هرتز. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

نظام مكونات العرض (مم) الارتفاع (مم)
النظام الكهربائي هواء 100 100
اقطاب 50 5
لوحة جيدة 7 20
هيدروجيل 3.5 3.5
الإعلام الثقافي 6 8
النظام المغناطيسي هواء 500 600
لف 2 250

الجدول 1 - الجداول بعد الهندسة التي تشكل الأنظمة الكهربائية والمغناطيسية.

نظام مكونات السماح النسبي (ε) الموصلية (σ)
النظام الكهربائي هواء 1 0
اقطاب 1 1.73913 [MS/m]
لوحة جيدة 3.5 6.2E-9 [S/m]
هيدروجيل 8.03E3 7.10E-2 [S/m]
الإعلام الثقافي 2.67E4 7.20E-2 [S/m]
النظام المغناطيسي لف 1 5.998E7 [S/m]

الجدول 2 - الأرباح خصائص عازلة للعناصر التي تشكل الأنظمة الكهربائية والمغناطيسية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

العلاجات المستخدمة لعلاج الأمراض المختلفة التي تؤثر على الأنسجة البشرية هي العلاجات الدوائية32 أو التدخلات الجراحية33، والتي تسعى إلى تخفيف الألم محليا أو استبدال الأنسجة المصابة بالنباتات أو عمليات الزرع. في الآونة الأخيرة ، تم اقتراح العلاج الذاتي بالخلايا كعلاج بديل لعلاج الأنسجة المصابة ، حيث يتم عزل الخلايا عن المريض وتوسيعها ، من خلال تقنيات المختبر ، لزرعها في موقع الإصابة34. وبالنظر إلى أن العلاج الذاتي بالخلايا قد ثبت أن لها تأثير مباشر على استعادة الأنسجة، وقد وضعت استراتيجيات مختلفة لزيادة فعالية هذه التقنية. على سبيل المثال، تم استخدام المحفزات الفيزيائية الحيوية كعلاج بديل غير الغازية لتحفيز عدة أنواع من العينات البيولوجية، وتعديل وظائف الخلية عن طريق تحسين انتشار الخلايا والتوليف الجزيئي35،36. من بين المحفزات الفيزيائية الحيوية الأكثر استخداما ، تم تطبيق التحفيز الكهربائي والعلاج المغناطيسي على نطاق واسع لتحفيز الخلايا والأنسجة الخارجية والسقالات. وقد ثبت أن التحفيز الكهربائي يقلل من الألم ويزيد من عمليات الشفاء من عدةأنسجة 37. وفيما يتعلق بالعلاج المغناطيسي، وقد وصف أن هذا التحفيز يحسن التكامل من يزرع مع الأنسجة المضيفة، ويسرع عمليات الشفاء، ويخفف الألم محليا ويزيدمن قوةندبة 8،38.

وبالنظر إلى ما ذكر أعلاه، تم إدخال مزيج من المواد الحيوية، وزراعة الخلايا والمحفزات الفيزيائية الحيوية الخارجية مثل صناديق الاستثمار الأوروبي وصناديق الاستثمار متعددة العضلات، على مستوى المختبر، في هندسة الأنسجة كبقنية علاجية بديلة لشفاء الأنسجة المصابة8،39. ومع ذلك ، فإن العثور على مفاعل حيوي يساعد على تحفيز الأنسجة المختلفة ، سواء كانت صحية أو متأثرة بالأمراض المؤلمة ، يشكل تحديا. وفي هذا السياق، يهدف هذا البروتوكول إلى تطوير محفزات كهربائية ومغناطيسية على حد سواء. ويوجد حاليا مخططان محتملان لتطبيق الصناديق الاستئمانية. وتتمثل الطريقة الأولى في توليد صناديق الاستثمار الإلكتروني من خلال أنظمة الاقتران المباشر، والتي تستخدم لتقييم هجرة الخلايا والتوجه40و41و42. ومع ذلك ، هناك قيود مثل التعديلات في التوافق البيولوجي للخلية ثقافة المتوسطة من قبل الأقطاب الكهربائية في الاتصال ، والتغيرات المحتملة في درجة الحموضة ومستويات الأكسجين الجزيئي1. بالإضافة إلى ذلك، لا يمكن للتحفيز المباشر المقترن تضخيم الإشارات عالية التردد. الإخراج يميل إلى أن تختلف مع مرور الوقت، وتوليد التغييرات الجهد العرض. لديها القليل من الاستقرار في درجة الحرارة، ويرجع ذلك إلى هذا التغيير نقاط التشغيل وعلى الترددات المنخفضة فشل المكثف ويعمل بمثابة دائرة مفتوحة43. وبالنظر إلى هذه القيود، تم تنفيذ الطريقة الثانية، حيث تم استخدام أقطاب كهربائية خارجية متوازية. وقد أظهرت هذه الطريقة نظام اقتران غير مباشر زيادة في انتشار الخلايا والتوليف الجزيئي3,7,17,22,44,45; ومع ذلك ، فإن الأجهزة التي طورها مؤلفون مختلفون لم تنظر في حجم الأقطاب الكهربائية لتوزيع EFs بشكل متجانس. على سبيل المثال، تولد الأجهزة الفولتية الثابتة والترددات، والحد من استخدامها في تحفيز خلايا وأنسجة محددة. وبناء على ذلك، في هذه الدراسة تم نمذجة حجم الأقطاب الكهربائية لضمان توزيع متجانس للصناديق الاستئمانية على الأنسجة البيولوجية. بالإضافة إلى ذلك ، تم تصميم دائرة لتوليد تردد والجهد العالي بين الأقطاب الكهربائية ، وخلق EFs المختلفة التي تتغلب على القيود الناجمة عن إعاقة صفائح زراعة الخلايا جيدا والهواء.

لفائف سولينويد هي أجهزة متعددة الاستخدامات التي يمكن استخدامها لتحفيز العينات البيولوجية داخل الحاضنة، مما يسمح بأن تظل الظروف الجوية مستقرة دون التأثير على السمات الفسيولوجية للعينات البيولوجية. توضح هذه الميزة أن لفائف السولينويد هي بدائل مجدية أكثر من لفائف هيلمهولتز ، حيث يجب أن تكون هذه أكبر في الحجم ، مما يمنع التحفيز داخل الحاضنات46. يمكن أن يؤدي تحفيز العينات البيولوجية خارج الحاضنة إلى العديد من القضايا مثل تلوث زراعة الخلايا ، والإجهاد الخلوي ، وتغيرات الحموضة في وسائل الإعلام الثقافية ، من بين أمور أخرى. وبالنظر إلى أنه تم تطوير أجهزة محفزة مختلفة لتحفيز العديد من أنواع الخلايا والأنسجة24و25و26و27، فمن المهم بناء أجهزة حيث يمكن أن تختلف كثافة MF لتحفيز مجموعة واسعة من العينات البيولوجية29،30. وبناء على ذلك، في هذا البروتوكول يتم توصيل المحفز المغناطيسي إلى rheostat، والتي يمكن أن تختلف التيار الذي يتدفق من خلال سولينويد عن طريق تعديل مقاومتها والحالية، والمعلمات التي ترتبط مباشرة إلى توليد MFs. ومن السمات الهامة الأخرى التي ينبغي النظر فيها في لحظة بناء الأجهزة المغناطيسية توزيع الصناديق الاستئمانية. هنا، تم استخدام محاكاة حسابية لمحاكاة توزيع MF داخل لفائف سولينويد. سمحت هذه المحاكاة لحساب عدد من المنعطفات من الأسلاك النحاسية وطول لفائف لتوليد MFs متجانسة في منتصف الملف. المحاكاة الحاسوبية هي أداة مفيدة لحساب عدد العينات البيولوجية التي سيتم تحفيزها ، وضمان حصول جميع العينات على نفس قوة المجال47.

المحفزات الفيزيائية الحيوية التي تم تطويرها في هذا البروتوكول لها بعض القيود. أولا، تولد الدائرة الإلكترونية المصممة للمحفز الكهربائي أربعة فولتية إخراج بتردد محدد. على الرغم من أن الدائرة التغلب على الحد من توليد الفولتية العالية بين الأقطابالكهربائية 1، فإنه يمكن تحسين لتوليد الفولتية المتغيرة والترددات. ويمكن تعديل الدائرة لتوليد ترددات مختلفة فقط حساب المقاومات أو المكثفات باستخدام المعادلة (1)؛ ومع ذلك، فمن الممكن استخدام المقاومات المتغيرة تختلف يدويا قيمة المقاوم. وبالمثل، قد يكون مقاوم متغير استخدامها في مرحلة تضخيم الدائرة لتغيير الجهد الإخراج. ثانيا، الدائرة الإلكترونية للمحفز الكهربائي يولد إشارات الجيوب الأنفية. سيكون من المفيد توليد نوع مختلف من الإشارات مثل المربع والثلاثي والشحيئ والمنحدر ، حيث يمكن استخدام هذه الأنواع من الإشارات لتحفيز مجموعة واسعة من الخلايا والعينات البيولوجية48،49. لتوليد نوع مختلف من الإشارات، يمكن استبدال مكبر الصوت التشغيلي بمولد وظيفة متجانسة، والتي يمكن أن تنتج أشكال موجات عالية الجودة من الاستقرار العالي والدقة مع انخفاض السعة، ويمكن استبدال مرحلة التضخيم بمكبر للصوت التشغيلي غير مقلوب أو مرحلة مع ترانزستورات NPN. ثالثا، على الرغم من أن المحفز المغناطيسي يولد مقادير صغيرة MF، فقد ثبت أن هذه الكثافات لها تأثير مباشر علىديناميات العيناتالبيولوجية 24،28،30،38؛ ومع ذلك، يمكن تحسين الجهاز المغناطيسي لتوليد MFs المتغيرة والترددات لتحفيز مجموعة واسعة من الأنسجة البيولوجية29.

وعموما، فإن هذا البروتوكول هو أداة مفيدة توفر مساهمة تكنولوجية للمجتمع العلمي الذي يعمل على التحفيز الفيزيائي الحيوي للأنسجة البيولوجية. ستسمح هذه الأجهزة للباحثين باستخدام صناديق الاستثمار الإلكترونية وصناديق الثروة السيادية لتحفيز وظيفة الأنسجة البيولوجية السليمة أو تلك التي تم تغييرها بواسطة مرض معين. وبالنظر إلى ذلك في مزيد من الدراسات في الجسم الحي، سيتم تحديد المعلمات والمتغيرات المختلفة مثل حجم الأقطاب الكهربائية، وعدد من المنعطفات من لفائف، وقوة المحفزات وأوقات التحفيز لتوزيع متجانسة كل من EFs وFS في الحيوانات مثل الخنازير والعجول والخنازير غينيا أو الأرانب. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استقراء المفاعلات الحيوية المصممة في هذا البروتوكول إلى البيئات السريرية لتحسين التقنيات التجديدية مثل زرع الخلايا الذاتية. هنا، يمكن أن تلعب المفاعلات الحيوية دورا هاما من خلال تحفيز العينات البيولوجية، على المستوى المختبري، لتحسين السمات الخلوية والجزيئية للخلايا والأنسجة والسقالات قبل زرعها في المريض.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ويعلن صاحبا البلاغ أنه ليس بينهما تضارب في المصالح.

Acknowledgments

ويشكر أصحاب البلاغ الدعم المالي الذي قدمته مؤسسة فينانسيامينتو بارا لا سينسيا، لا تكنولوجيا، إي لا إنوفاسيون - فوندو فرانسيسكو خوسيه دي كالداس - مينسينوسياس" وجامعة كولومبيا الوطنية من خلال المنحة رقم 80740-290-2020 والدعم الذي تلقته شركة فالتيام للتكنولوجيا - البحث والابتكار لتوفير المعدات والدعم التقني في طبعة الفيديو.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Electrical stimulator
Operational amplifier Motorola LF-353N ----
Quantity: 1
Resistors ---- ---- 22 kΩ
Quantity: 1
Resistors ---- ---- 10 kΩ
Quantity: 3
Resistors ---- ---- 2.6 kΩ
Quantity: 2
Resistors ---- ---- 2.2 kΩ
Quantity: 1
Resistors ---- ---- 1 kΩ
Quantity: 1
Resistors ---- ---- 220 Ω
Quantity: 2
Resistors ---- ---- 22 Ω
Quantity: 5
Resistors ---- ---- 10 Ω
Quantity: 1
Resistors ---- ---- 6.8 Ω
Quantity: 1
Resistors ---- ---- 3.3 Ω
Quantity: 2
Polyester capacitors ---- ---- 1 nF
Quantity: 2
Polyester capacitors ---- ---- 100 nF
Quantity: 1
VHF Band Amplifier Transistor JFET Toshiba 2SK161 ----
Quantity: 1
Power transistor BJT NPN Mospec TIP 31C ----
Quantity: 1
Zener diode Microsemi 1N4148 ----
Quantity: 1
Switch Toogle Switch SPDT - T13 ----
Quantity: 3
Toroidal ferrite core Caracol ---- T*22*14*8
Quantity: 1
Cooper wire Greenshine ---- AWG – 24
Quantity: 1
Relimate header with female housing ADAFRUIT ---- 8 pin connectors
Quantity: 1
Relimate header with female housing ADAFRUIT ---- 2 pin connectors
Quantity: 1
Female plug terminal connector JIALUN ---- 4mm Lantern Plugs (Plug + Socket) 15 A
Quantity: 1
Aluminum Heat Sink AWIND ---- For TIP 31C transistor
Quantity: 1
Led CHANZON ---- 5 mm red
Quantity: 1
Integrated circuit socket connector Te Electronics Co., Ltd. ---- Double row 8-pin DIP
Quantity: 1
3 pin connectors set STAR ---- JST PH 2.0
Quantity: 3
2 pin screw connectors STAR ---- For PCB
Quantity: 1
3 pin screw connectors STAR ---- For PCB
Quantity: 1
Banana connector test lead JIALUN ---- P1041 - 4 mm - 15 A
Quantity: 7
Bullet connectors to banana plug charge lead JIALUN ---- 4 mm male-male/female-female adapters - 15 A
Quantity: 1
Case ---- ---- ABS
Quantity: 1
Electrodes ---- ---- Stainless – steel
Quantity: 2
Electrode support ---- ---- Teflon
Quantity: 2
Printed circuit board Quantity: 1
Magnetic stimulator
Cooper wire Greenshine ---- AWG – 18
Quantity: 1
AC power plugs ---- ---- 120 V AC – 60 Hz
Quantity: 1
Banana female connector test lead JIALUN ---- 1Set Dual Injection - 4 mm – 15 A
Quantity: 2
Banana male connector test lead JIALUN ---- 1Set Dual Injection - 4 mm 15 A
Quantity: 1
Cell culture well plate support ---- ---- PMMA
Quantity: 1
Fuse Bussmann 2A ----
Quantity: 1
Transformer ---- ---- 1A – 6 V AC
Quantity: 1
Tube ---- ---- PVC
Quantity: 1
Variable rheostat MCP BXS150 10 Ω
Quantity: 1
General equipment
Digital dual source  PeakTech DG 1022Z 2 x 0 - 30 V / 0 - 5 A CC / 5 V / 3 A fijo
Quantity: 1
Digital Oscilloscope Rigol DS1104Z Plus 100 MHz, bandwidth, 4 channels
Quantity: 1
Digital multimeter Fluke F179 Voltage CC – CA (1000 V). Current CC – CA 10 A. Frequency 100 kHz
Quantity: 1

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

الهندسة الحيوية، العدد 171، المجال الكهربائي، المجال المغناطيسي، المحفزات الفيزيائية الحيوية، المحفز، الأنسجة البيولوجية
أجهزة المجال الكهربائي والمغناطيسي لتحفيز الأنسجة البيولوجية
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Saiz Culma, J. J., Escobar Huertas,… More

Saiz Culma, J. J., Escobar Huertas, J. F., Garzón-Alvarado, D. A., Vaca-Gonzalez, J. J. Electric and Magnetic Field Devices for Stimulation of Biological Tissues. J. Vis. Exp. (171), e62111, doi:10.3791/62111 (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