Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

התקני שדה חשמליים ומגנטיים לגירוי רקמות ביולוגיות

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

פרוטוקול זה מתאר את התהליך שלב אחר שלב לבניית גירויים חשמליים ומגנטיים המשמשים להמרצת רקמות ביולוגיות. הפרוטוקול כולל קו מנחה לדמות שדות חשמליים ומגנטיים חישוביים וייצור התקני גירוי.

Abstract

שדות חשמליים (EFs) ושדות מגנטיים (MFs) נמצאים בשימוש נרחב על ידי הנדסת רקמות כדי לשפר את הדינמיקה של התאים כגון התפשטות, הגירה, בידול, מורפולוגיה וסינתזה מולקולרית. עם זאת, משתנים כגון גירויים חוזק זמני גירוי צריך להיחשב בעת גירוי תאים, רקמות או פיגומים. בהתחשב בכך ש- EFs ו- MFs משתנים בהתאם לתגובה התאית, עדיין לא ברור כיצד לבנות מכשירים המייצרים גירויים ביופיזיים נאותים כדי לעורר דגימות ביולוגיות. למעשה, יש חוסר ראיות לגבי החישוב וההפצה כאשר גירויים ביופיזיים מוחלים. פרוטוקול זה מתמקד בתכנון וייצור של מכשירים ליצירת EFs ו- MFs ויישום מתודולוגיה חישובית לחיזוי התפלגות גירויים ביופיזיים בתוך ומחוץ לדגימות ביולוגיות. מכשיר ה- EF הורכב משתי אלקטרודות נירוסטה מקבילות הממוקמות בחלק העליון והתחתון של תרבויות ביולוגיות. אלקטרודות היו מחוברות מתנד כדי ליצור מתחים (50, 100, 150 ו 200 Vp-p) ב 60 kHz. התקן ה- MF היה מורכב מסליל, אשר היה אנרגטי עם שנאי כדי ליצור זרם (1 A) ומתח (6 V) ב 60 הרץ. תמיכה בפולימתיל מתאקרילטה נבנתה כדי לאתר את התרבויות הביולוגיות באמצע הגליל. הסימולציה החישובית הבהירה את ההתפלגות ההומוגנית של EFs ו- MFs בתוך ומחוץ לרקמות ביולוגיות. מודל חישובי זה הוא כלי מבטיח שיכול לשנות פרמטרים כגון מתחים, תדרים, מורפולוגיות רקמות, סוגי לוחות היטב, אלקטרודות וגודל סליל כדי להעריך את EFs ו- MFs כדי להשיג תגובה סלולרית.

Introduction

EFs ו MFs הוכחו לשנות את הדינמיקה התא, מגרה התפשטות והגברת הסינתזה של המולקולות העיקריות הקשורות מטריצה חוץ תאית שלרקמות 1. גירויים ביופיזיים אלה יכולים להיות מיושמים בדרכים שונות באמצעות הגדרות והתקנים ספציפיים. לגבי המכשירים כדי ליצור EFs, ממריצי צימוד ישיר להשתמש אלקטרודות כי הם במגע עם דגימות ביולוגיות במבחנה או מושתל ישירות לתוך רקמות של חולים ובעלי חיים vivo2; עם זאת, יש עדיין מגבלות וליקויים הכוללים תאימות ביולוגית לא מספקת על ידי האלקטרודות במגע, שינויים ב- pH ורמות חמצן מולקולרי1. להיפך, התקני צימוד עקיפים מייצרים EFs בין שתי אלקטרודות, אשר ממוקמים במקביל לדגימות ביולוגיות3, המאפשר טכניקה חלופית לא פולשנית כדי לעורר דגימות ביולוגיות ולהימנע ממגע ישיר בין רקמות ואלקטרודות. סוג זה של מכשיר יכול להיות extrapolated ליישומים קליניים עתידיים לבצע הליכים עם פלישה מינימלית למטופל. ביחס למכשירים המייצרים MFs, מממריצי צימוד השראות יוצרים זרם חשמלי משתנה בזמן, הזורם דרך סליל הממוקם סביב תרביות תאים4,5. לבסוף, ישנם התקנים משולבים, המשתמשים במסמכים אלקטרוניים וב- MFs סטטיים כדי ליצור שדות אלקטרומגנטיים ארעיים1. בהתחשב בכך שיש תצורות שונות כדי לעורר דגימות ביולוגיות, יש צורך לשקול משתנים כגון מתח ותדירות כאשר גירויים ביופיזיים מוחלים. מתח הוא משתנה חשוב, שכן הוא משפיע על ההתנהגות של רקמות ביולוגיות; לדוגמה, הוכח כי נדידת תאים, אוריינטציה וביטוי גנים תלויים משרעת של מתח מיושם3,6,7,8,9,10. תדירות ממלאת תפקיד חשוב בגירוי ביופיזי, כפי שהוכח כי אלה מתרחשים באופן טבעי vivo. הוכח כי תדרים גבוהים ונמוכים יש השפעות מועילות על התאים; במיוחד, בערוצי סידן מגודרים במתח קרום התא או reticulum אנדופלזמי, אשר מפעילים מסלולי איתות שונים ברמה תאית1,7,11.

על פי האמור לעיל, מכשיר ליצירת EFs מורכב מחולל מתח מחובר שני קבלים מקבילים12. מכשיר זה יושם על ידי ארמסטרונג ואח 'כדי לעורר הן את קצב התפשטות ואת הסינתזה המולקולרית של כונדרוציטים13. עיבוד של מכשיר זה בוצע על ידי ברייטון ואח 'אשר שינו את תרבות התא היטב צלחות על ידי קידוח העפעפיים העליונים והתחתונים שלהם. חורים מולאו על ידי מגלשות כיסוי, שם המשקפיים התחתונים שימשו לתרבות רקמות ביולוגיות. אלקטרודות הונחו על כל שקופית כיסוי כדי ליצור EFs14. מכשיר זה שימש כדי לעורר חשמלית chondrocytes, osteoblasts ו סחוס explants, מראה עלייה בהתפשטות התא14,15,16 סינתזה מולקולרית3,17. המכשיר שתוכנן על ידי Hartig et al. כלל מחולל גלים ומגבר מתח, שהיו מחוברים לקבלים מקבילים. אלקטרודות היו עשויות נירוסטה באיכות גבוהה הממוקמת במקרה בידוד. המכשיר שימש כדי לעורר osteoblasts, מראה עלייה משמעותית התפשטות והפרשת חלבון18. המכשיר המשמש את קים ואח 'כלל שבב ממריץ זרם biphasic, אשר נבנה באמצעות תהליך הייצור של מוליכים למחצה משלימים של תחמוצת מתכת במתח גבוה. צלחת היטב תרבות תוכננה לתרבת תאים על פני משטח מוליך עם גירוי חשמלי. אלקטרודות היו מצופות זהב מעל לוחות סיליקון19. מכשיר זה שימש כדי לעורר osteoblasts, מראה עלייה בהתפשטות ואת הסינתזה של גורם הגדילה אנדותל כלי הדם19, וממריץ את הייצור של פעילות פוספטאז אלקליין, תצהיר סידן וחלבונים morphogenicעצם 20. באופן דומה, מכשיר זה שימש כדי לעורר את קצב התפשטות וביטוי של גורם הגדילה אנדותל כלי הדם של תאי גזע mesenchymal מח העצם האנושי21. המכשיר שתוכנן על ידי Nakasuji ואח 'היה מורכב מחולל מתח מחובר לוחות פלטינה. אלקטרודות נבנו כדי למדוד את הפוטנציאל החשמלי ב 24 נקודות שונות. מכשיר זה שימש כדי לעורר chondrocytes, מראה כי EFs לא לשנות מורפולוגיה של התא התפשטות מוגברת סינתזה מולקולרית22. המכשיר ששימש את Au et al. כלל תא זכוכית המצויד בשני מוטות פחמן המחוברים לממריץ לב עם חוטי פלטינה. גירוי זה שימש כדי לעורר קרדיומיוציטים ופיברובלסטים, שיפור התא יישור fibroblast23.

התקני MF שונים יוצרו על בסיס סלילי הלמהולץ כדי לעורר מספר סוגים של דגימות ביולוגיות. לדוגמה, סלילי הלמהולץ שימשו כדי לעורר התפשטות סינתזה מולקולרית של כונדרוציטים24,25, לשפר את הסינתזה proteoglycan של סחוס מפרקי26, לשפר את הסרת הגנים הקשורים להיווצרות עצם של תאים דמויי osteoblast27, ולהגדיל את התפשטות וביטוי מולקולרי של תאי אנדותל28. סלילי הלמהולץ מייצרים MFs לאורך שני סלילים הממוקמים אחד מלפנים והשני. הסלילים חייבים להיות ממוקמים עם מרחק שווה לרדיוס של הסלילים כדי להבטיח MF הומוגני. החיסרון בשימוש בסלילים של הלמהולץ טמון בממדי הסליל, מכיוון שהם צריכים להיות גדולים מספיק כדי ליצור את עוצמת ה- MF הנדרשת. בנוסף, המרחק בין סלילים חייב להיות מספיק כדי להבטיח התפלגות הומוגנית של MFs סביב רקמות ביולוגיות. כדי למנוע בעיות שנגרמו על ידי סלילי הלמהולץ, מחקרים שונים התמקדו בייצור סלילי סולנואיד. סלילי סולנואיד מבוססים על צינור, אשר פצע עם חוט נחושת כדי ליצור MFs. כניסות חוט נחושת יכול להיות מחובר ישירות לשקע או אספקת חשמל כדי להמריץ את הסליל וליצור MFs במרכז סולנואיד. ככל שהסליל מסתובב יותר, כך MF שנוצר גדול יותר. עוצמת ה- MF תלויה גם במתח ובזרם המוחלים כדי להמריץ את הסליל29. סלילי סולנואיד שימשו כדי לעורר סוג אחר מגנטי של תאים כגון HeLa, HEK293 ו MCF730 או תאי גזע mesenchymal31.

התקנים המשמשים מחברים שונים לא נחשבו לגודל הולם של אלקטרודות או לאורך הנכון של הסליל כדי להפיץ הומוגנית הן EFs והן MFs. יתר על כן, התקנים מייצרים מתחים ותדרים קבועים, ומגבילים את השימוש בהם כדי לעורר רקמות ביולוגיות ספציפיות. מסיבה זו, בפרוטוקול זה מבוצעת הנחיית סימולציה חישובית המדמה הן מערכות קיבוליות והן סלילים כדי להבטיח התפלגות הומוגנית של EFs ו- MFs על דגימות ביולוגיות, תוך הימנעות מ אפקט הקצה. בנוסף, מוצג כי העיצוב של מעגלים אלקטרוניים לייצר מתחים ותדירות בין האלקטרודות לבין הסליל, יצירת EFs ו MFs כי יתגבר על מגבלות שנגרמו על ידי עכבה של תרבות התא היטב צלחות ואוויר. שינויים אלה יאפשרו יצירה של ביו-רקטורים לא פולשניים ומסתגלים כדי לעורר כל רקמה ביולוגית.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. הדמיה של EFs ו- MFs

הערה: הדמיה של EFs ו- MFs בוצעה במולטיפיזיקה של COMSOL.

  1. בחר תצורה דו-ממדית צירית שתייצג הן את התחומים החשמליים והן את התחומים המגנטיים.
  2. בתצורה הפיזית, בחרו בממשק 'זרם חשמלי' לחישוב EFs באלקטרודות מקבילות או בממשק השדה המגנטי לחישוב MFs סביב סלילים.
  3. בתצורת המחקר, בחר תחום תדירות כדי לחשב את התגובה של מודל ליניארי או ליניארי הנתון להתרגשות הרמונית עבור תדר אחד או יותר.
  4. פעם אחת בתוך הממשק כדי להתחיל לבנות את המודל, בצע את השלבים הבאים על פי המודל של הריבית.
    1. בניית מודל עבור EFs
      1. צור גיאומטריות. בבונה הדגמים, בחר גיאומטריה. לאחר מכן, אתר את המקטע יחידות ובחר מ"מ. בסרגל הכלים גיאומטריה, בחר מלבן והקלד את הממדים של כל רכיב בתיבה גודל וצורה של הגדרות חלון המלבן . הגיאומטריה מורכבת מאוויר, שתי אלקטרודות מקבילות, צלחת תרבות, מדיה תרבותית ודגימה ביולוגית, שבמקרה זה מיוצגת על ידי פיגום של חומצה היאלורונית - ג'לטין הידרוג'ל (ראו מידות של כל יסוד בטבלה 1). לאחר בניית כל הגיאומטריות, לחץ על בנה את כל האובייקטים.
      2. צור בחירות. בסרגל הכלים הגדרות, לחץ על מפורש כדי ליצור בחירה עבור תחום המתכת. בחר את הגיאומטריות המייצגות את האלקטרודות. לאחר מכן, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על מפורש 1 כדי לשנות את שמו. הקלד מתכת בשדה הטקסט החדש של התווית.
        1. מצד שני, בסרגל הכלים הגדרות, לחץ על משלים. אתר את המקטע ישויות קלט בחלון הגדרות השלמה. לאחר מכן, תחת בחירות להפוך, לחץ על הוסף ובחר מתכת ברשימה בחירות כדי להפוך מתיבת הדו-שיח הוספה. לאחר מכן, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על משלים 1 כדי לשנות את שמו. הקלד קבוצת מחשבים של מודל בשדה הטקסט החדש של התווית.
      3. צור גבולות. לחץ על מפורש בסרגל הכלים הגדרות. לאחר מכן, אתר את המקטע ישויות קלט בחלון הגדרות עבור מפורש ומהרשימה רמת ישות גיאומטרית, בחר גבול. כאן, בחר את כל הגבולות עבור האלקטרודה התחתונה. לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על מפורש 2 כדי לשנות את שמו. הקלד גבולות בסיס בשדה הטקסט החדש של התווית. חזור על שלבים אלה אך בחר את כל הגבולות עבור האלקטרודה העליונה. לאחר מכן, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על מפורש 3 כדי לשנות את שמו. הקלד גבולות מסוף בשדה הטקסט החדש של התווית.
      4. הוסף זרמים חשמליים. בחלון בונה דגמים, תחת רכיב 1 לחץ על זרמים חשמליים (ec). לאחר מכן, אתר את המקטע בחירת תחום בחלון הגדרות זרמים חשמליים. מהרשימה בחירה, בחר קבוצת מחשבים של מודל. בסרגל הכלים לפיזיקה, לחץ על גבולות ובחר קרקע. לאחר מכן, אתר את המקטע בחירת גבולות בחלון הגדרות בסיס ובחר גבולות בסיס מהרשימה בחירה.
        1. לאחר מכן, לחץ על גבולות ובחר מסוף בסרגל הכלים לפיזיקה. לבסוף, אתר את המקטע בחירת גבולות בחלון הגדרות מסוף ובחר גבולות מסוף מהרשימה בחירה; כאן, אתר את מקטע המסוף ובחר מתח מרשימת המסוף והקלד 100 V.
      5. הוסף חומרים. לחץ על הוספת חומר בסרגל הכלים הביתי כדי לפתוח את החלון הוספת חומר. חפשו אוויר ופלדת אל-חלד והוסיפו אותם לחלון בונה הדגמים. לאחר מכן, לחץ על חומר ריק בסרגל הכלים הביתי והוסף שלושה חומרים ריקים חדשים למדיית תרבות, פיגום (הידרוג'ל) ופוליסטירן (תרבות צלחת טובה).
      6. בחר חומר ריק להקצאת המאפיינים הדיאלקטריים. אתר את הרשימה מאפייני חומרים בחלון הגדרות חומר ובחר היתר יחסי ומוליכות חשמלית מרשימת האפשרויות מאפיינים בסיסיים. המאפיינים הדיאלקטריים של מדיה תרבותית, הידרוג'ל ותרבות הם בטבלה 2. חזור על הליך זה עבור כל החומרים הריקים.
      7. הקצה כל חומר לגיאומטריות שנבנו בעבר. בחר את חומר האוויר בצורת החלון בונה דגמים; לאחר מכן, בחר את התחומים המתאימים לאוויר מהחלון גרפיקה. חזור על שלב זה עבור כל החומרים שנוצרו. ודא שכל תחום תואם לחומר הנכון. כדי לוודא שכל החומרים מוקצים כראוי, לחץ על כל חומר מחלון בונה המודלים ובדוק אם התחומים מסומנים בכחול בתוך החלון הגרפי.
      8. בנה רשת. לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על רשת 1 בחלון בונה הדגמים ובחר באפשרות משולש חינם. חזור על שלב זה על-ידי בחירה באפשרות גודל. בחלון הגדרת רשת שינוי בחר רשת שינוי הנשלטת על-ידי המשתמש מהרשימה סוג רצף. לאחר מכן, הרחיבו את האפשרויות 'רשת שינוי' בחלון 'בונה דגמים' ולחצו על 'גודל'.
      9. אתר פרמטרי גודל רכיב בחלון הגדרת גודל והקלד 1 מ"מ עבור גודל רכיב מרבי, 0.002 מ"מ עבור גודל רכיב מינימלי, 1.1 עבור קצב גידול פריט מרבי, 0.2 עבור גורם עקמומיות ו- 1 לרזולוציה של אזורים צרים. לאחר מכן, הרחב את אפשרויות רשת שינוי בחלון בונה דגמים ולחץ על משולש חינם 1. כאן, בחר את כל התחומים שיש לבצע עבורם רשת שינוי. לבסוף, לחץ על בנה הכל בחלון הגדרת רשת שינוי.
      10. צור מחקר. לחץ על לימוד 1 בחלון בונה המודלים. לאחר מכן, אתר את המקטע הגדרות לימוד בחלון הגדרות לימוד ונקה את תיבת הסימון צור התוויות ברירת מחדל. הרחב את הצומת לימוד 1 בחלון בונה המודלים ולחץ על שלב 1: תחום תדירות. לבסוף, אתר את המקטע הגדרות מחקר בחלון הגדרות תחום תדירות והקלד 60 kHz בשדה הטקסט תדרים.
      11. חשב מחקר. לחץ על הצג פותר ברירת מחדל בסרגל הכלים לימודים. לאחר מכן, הרחב את הצומת תצורות Solver של Study 1 בחלון בונה המודלים. הרחב את הצומת פתרון 1 (sol1) בחלון בונה המודלים; לאחר מכן, לחץ על פותר נייח 1 בחלון הגדרות Solver נייח ואתר את המקטע כללי והקלד 1e-6 בשדה הטקסט רגישות יחסית. לבסוף, לחץ על חשב בסרגל הכלים ללימודים.
      12. תוצאות העלילה. בחרו במקטע 'תוצאות' בסרגל הכלים 'בית' והוסיפו קבוצת התוויות דו-ממד. לאחר מכן, לחצו לחיצה ימנית על קבוצת התוויית נתונים דו-ממדית 1 בחלון 'בונה דגמים' ובחרו 'משטח'. לאחר מכן, אתר את המקטע נתונים בחלון הגדרות פני השטח ובחר קודמן. לאחר מכן, אתר את המקטע ביטוי בחלון הגדרות פני השטח; כאן, לחץ על סימן הפלוס (+) כדי לפתוח חלון חדש ולאתר את המסלול הבא מרשימת הבחירה (דגם - רכיב 1 - זרמים חשמליים - חשמלי). כאן, בחר ec.normE - EF נורמה. לבסוף, לחץ על גרפיקה בחלון הגדרות פני השטח כדי להתוות את התוצאות.
    2. בניית מודל עבור MFs
      1. צור גיאומטריות. בבונה הדגמים, בחר גיאומטריה; לאחר מכן, אתר את המקטע יחידות ובחר מ"מ. בסרגל הכלים גיאומטריה בחר מלבן והקלד את הממדים של כל רכיב בתיבה גודל וצורה של הגדרות חלון המלבן . הגיאומטריה מורכבת על ידי אוויר וקופר (ראה מידות של כל אלמנט בטבלה 1). לאחר בניית כל הגיאומטריות, לחץ על בנה את כל האובייקטים.
      2. הוסף חומרים. לחץ על הוספת חומר בסרגל הכלים הביתי כדי לפתוח את החלון הוספת חומר. חפשו אוויר ונחושת והוסיפו אותם לחלון בונה הדגמים. המאפיינים הדיאלקטריים לנחושת נמצאים בטבלה 2.
      3. צור גבולות. לחץ על שדה מגנטיות בחלון בונה הדגמים. כאן, אתר את רשימת המשוואות בחלון הגדרות שדות מגנטיים ובחר משוואת תחום תדירות מהרשימה טופס משוואה. ברשימה תדירות בחר מבין פותר. לאחר מכן, אתר את חוק אמפר ברשימת השדות המגנטיים בחלון בונה הדגמים. בסוג 293.15[K] בטמפרטורה, 1[atm] בלחץ מוחלט מהרשימה מודל קלט. לאחר מכן, בחר מלא מהרשימה סוג חומר בחלון הגדרות החוק של אמפר. ודא כי מוליכות חשמלית, היתר יחסי וחדירות יחסית תואמים את החומר From ברשימה.
      4. אתר סימטריה צירית ברשימת השדות המגנטיים בחלון בונה הדגמים. ודא שקו הסימטריה הצירית מסומן הן ברשימת בחירת הגבולות והן בחלון הגרפיקה. לאחר מכן, אתר בידוד מגנטי ברשימת השדות המגנטיים בחלון בונה הדגמים. ודאו שגבולות מהגיאומטריה מסומנים הן ברשימת בחירת הגבולות והן בחלון הגרפיקה.
      5. אתר ערכים ראשוניים ברשימה שדה מגנטי בחלון בונה המודלים. בחר גיאומטריות שנבנו בעבר וכלול אותן בבחירת תחום מהחלון הגדרות ערכים התחלתיים.
      6. הצג תכונות סליל. אתר סליל מרובה ברשימת השדות המגנטיים בחלון בונה הדגמים. כאן, בוחר את הגיאומטריה המייצגת את הסליל וכולל אותם בבחירת תחום מהחלון הגדרות סליל מרובות.
      7. אתר את הרשימה סליל מרובים בחלון הגדרת סליל מרובים; כאן, אתר רשימת עירור סליל ובחר נוכחי; לאחר מכן, הקלד 1[A] ברשימה הנוכחית סליל, 450 במספר פניות ו 6e7[S/m] במוליכות סליל.
      8. אתר את אזור חתך התיל סליל ובחר קוטר כבל צפון אמריקאי (חום & שארפ) מהרשימה והקלד 18 באפשרות AWG. ודא שההיתר היחסי והחדירות היחסית תואמים לחומר מתוך ברשימה.
      9. בנה רשת. בחלון הגדרת רשת שינוי בחר רשת שינוי הנשלטת על-ידי הפיזיקה מהרשימה סוג רצף. לאחר מכן, אתר את פרמטרי גודל הרכיב בחלון הגדרת רשת שינוי ובחר בסדר גמור. לבסוף, בחר את כל התחומים שיש לבצע רשת שינוי ולחץ על בנה הכל בחלון הגדרת רשת שינוי.
      10. צור מחקר. לחץ על לימוד 1 בחלון בונה המודלים. לאחר מכן, אתר את המקטע הגדרות לימוד בחלון הגדרות לימוד ונקה את תיבת הסימון צור התוויות ברירת מחדל. הרחב את הצומת לימוד 1 בחלון בונה המודלים ולחץ על שלב 2: תחום תדירות. לבסוף, אתר את המקטע הגדרות מחקר בחלון הגדרות תחום תדירות והקלד 60 הרץ בשדה הטקסט תדרים.
      11. חשב מחקר. לחץ על הצג פותר ברירת מחדל בסרגל הכלים לימודים. לאחר מכן, הרחב את הצומת תצורות Solver של Study 1 בחלון בונה המודלים. הרחב את הצומת פתרון 1 (sol1) בחלון בונה המודלים; לאחר מכן, לחץ על פותר נייח 1 בחלון הגדרות Solver נייחים ואתר את המקטע כללי והקלד 1e-6 בשדה הטקסט רגישות יחסית. לבסוף, לחץ על חשב בסרגל הכלים ללימודים.
      12. תוצאות העלילה. בחרו במקטע 'תוצאות' בסרגל הכלים 'בית' והוסיפו קבוצת התוויות דו-ממד. לאחר מכן, לחצו לחיצה ימנית על קבוצת התוויית נתונים דו-ממדית 1 בחלון 'בונה דגמים' ובחרו 'משטח'. לאחר מכן, אתר את המקטע נתונים בחלון הגדרות פני השטח ובחר קודמן.
      13. אתר את המקטע ביטוי בחלון הגדרות פני השטח. כאן, לחץ על סימן הפלוס (+) כדי לפתוח חלון חדש ולאתר את המסלול הבא מרשימת הבחירה (דגם - רכיב 1 - שדה מגנטי - מגנטי). כאן, בחר mf.normB - נורמה צפיפות שטף מגנטי. לבסוף, לחץ על גרפיקה בחלון הגדרות פני השטח כדי להתוות את התוצאות.

2. תכנון וייצור של התקני הגירוי החשמלי והמגנטי

  1. מכשיר הגירוי החשמלי
    הערה: הוא מורכב על ידי מעגל המבוסס על מתנד גשר וינה ושתי אלקטרודות נירוסטה מקבילות. המעגל הוא מתנד RC של שינוי פאזה, המשתמש במשוב חיובי ושלילי. מתנד גשר וינה מורכב מרשת השהיה בעופרת, המחלקת את מתח הכניסה על ידי שילוב של שתי זרועות הגשר: נגד R5 עם קבל C2 בסדרה, ונגד R6 עם קבל C3 במקביל (איור 1א). רכיבים אלה לווסת את התדירות של המתנד. כדי לבנות את התקן הגירוי החשמלי בצע את השלבים הבאים:
    1. חשב את התדירות באמצעות משוואת תדירות התהודה (1).
      Equation 1
      כאשר R = R5 = R6 הם נגדים ו- C = C 2 = C3 הם קבלים. הן R והן C ממוקמים בשתי זרועות הגשר(איור 1A). השתמש ב- R5 = R6 = 2.6 kΩ ו- C2 = C3 = 1 nF כדי להשיג תדר של 60 kHz. ניתן לחשב נגדים וקבלים אם נדרש תדר שונה.
    2. תכנן את המעגל באופן כזה שרווח המתח של המגבר יפצה באופן אוטומטי את שינויי משרעת של אות היציאה. באיור 1A ניתן לצפות בערכת המעגל, ואילו במקטע טבלת החומרים מפורטים הרכיבים האלקטרוניים לבניית המעגל.
    3. חשב את השילוב של נגדים כדי ליצור את ארבעת מתחי היציאה. כפי שמוצג באיור 1A, השתמש בשילוב של נגדים R11, R12, R13 ו- R14 (התנגדות שוות ערך של 154 Ω) כדי ליצור מתח של 50 Vp-p; נגדים R17, R18 ו R19 בסדרה (התנגדות שווה ערך של 47,3 Ω) כדי לקבל מתח של 100 Vp-p; נגדים R9 ו- R10 בסדרה (התנגדות שווה ערך של 25,3 Ω) כדי ליצור מתח של 150 Vp-p; ושילוב של נגדים R15 ו- R16 (התנגדות שווה ערך של 16,8 Ω) כדי לקבל מתח של 200 Vp-p.
    4. השתמש בטרנזיסטור (TIP 31C) ושנאי ליבה של פריטיט כדי ליישם שלב הגברה של אותות. ליבת פריט טורואידל שימשה לרוח חוט נחושת AWG 24, השלמת קשר 1:200. השתמש בשני קבלים (C4 ו- C5) של 100 nF במקביל לפני השנאי כדי לתקן את האות (איור 1A).
    5. הכן את לוח המעגלים המודפסים באמצעות שירות ייצור PCB של ספק חיצוני. הדיאגרמה הסכימטית של המעגל מסופקת באיור 1. הנח את כל הרכיבים על לוח המעגלים המודפסים עם פינצטה אנטי-סטטית. השתמש בהלחמת פח וברזל הלחמה כדי להלחים את כל הרכיבים.
    6. ייצור מארז פלסטיק עם מחברי קלט להגנה על המעגל. ליישם שלושה מחברי קלט כדי להמריץ את המעגל (12 V, -12 V וקרקע). השתמש בשני מחברי קלט כדי לחבר את האלקטרודות. כלול שלושה מתגים לשינוי שילוב הנגדים כדי להשיג את ארבעת מתחי היציאה. להרכיב את המעגל האלקטרוני לתוך מארז הפלסטיק (איור 1B).
    7. ייצור שתי אלקטרודות נירוסטה מקבילות (200 x 400 x 2 מ"מ) ומחברי כניסת הלחמה לכל קצה. האלקטרודות ממוקמות מעל טפלון או תומך אקריליק כדי למנוע כל מגע עם משטח המתכת של החממה(איור 1C).
    8. השתמש אוטוקלאב ב 394.15 K (121 °C (121 °C) במשך 30 דקות כדי לעקר את האלקטרודות ולהשתמש אולטרה סגול במהלך הלילה כדי לעקר את החוטים כי הם במגע עם האינקובטור.
    9. בדוק את מכשיר הגירוי החשמלי. כוונן את ספק הכוח בסדרות כדי ליצור מתח יציאה של +12 V ו- -12 V בין הקרקע לבין מסופים חיוביים ושליליים. אמת את מתח היציאה של ספק הכוח באמצעות מולטימטר. חבר כל יציאה של ספק הכוח בקלט הנכון של הממריץ החשמלי (+12 V, -12 V וקרקע). חבר כל אלקטרודה במחבר הקלט הנכון של הממריץ החשמלי. הקוטביות אינה חשובה, כפי שאנו עובדים על זרם AC. מניחים צלחת היטב תרבות בין האלקטרודות ולאמת את אות הפלט עם אוסילוסקופ. כוונן את המתגים של הממריץ החשמלי כדי ליצור את ארבעת מתחי היציאה (50, 100, 150 ו- 200 Vp-p).
    10. המלצות בטיחות. כדי למנוע כל בעיה בעת העברה או הסרה של האלקטרודות מהחממה, ודא שהכבלים אינם מסובכים. נתק את הכבלים מהמתנד לפני הסרת האלקטרודות מהחממה. לעולם אל תמקם את האלקטרודות ללא תומך אקריליק או טפלון.
  2. מכשיר הגירוי המגנטי
    1. להעריך את מספר פניות כדי להבטיח MF הומוגני בתוך הסליל באמצעות המשוואה (2), המתאר את MF בתוך סליל סולנואיד.
      Equation 2
      כאשר μ0 הוא החדירות המגנטית של הוואקום (4π×10-7), N הוא מספר הסיבובים של חוט הנחושת, אני הזרם, ו- h, שאמור להיות גדול מקוטרו, הוא אורך סליל הסולנואיד.
    2. קבע את מספר הסיבובים על-ידי בחירת אורך (h) של 250 מ"מ, זרם של 1 A ו- Bint = 2mT.
    3. ייצור סליל. בנה צינור פוליוויניל כלוריד (PVC) באורך של 250 מ"מ וקוטר של 84 מ"מ כדי לסובב חוט נחושת AWG 18 משלים 450 סיבובים (איור 2A). מידות נבחרו על בסיס השטח הפנוי בתוך החממה.
    4. ייצור תמיכה בצלחת טובה של תרבות תאים. בנה תמיכה בפולימתיל מתאקרילאט (PMMA) כדי להבטיח שצלחות של 35 מ"מ היו ממוקמות תמיד באמצע הסליל שבו MFs הם הומוגניים (איור 2A).
    5. ייצור שנאי להגדלת זרם המעגל. לבנות שנאי עם פלט של 1 A - 6 V AC כדי להגיע MF מרבי של 2 mT. מתח הכניסה של השנאי היה 110 V AC ב 60 הרץ. פרמטרים אלה תואמים למתח היציאה ולתדירות של שקע בדרום אמריקה.
    6. חבר את המעגל. השנאי מחובר ישירות לשקע. השתמשו בנגד משתנה (rheostat) כדי לשנות את הזרם וליצור MFs מ- 1 עד 2 mT. חבר נתיך כדי להגן על המעגל (איור 2B).
    7. השתמש אולטרה סגול במשך הלילה כדי לעקר את החוטים כי הם במגע עם האינקובטור. לעטוף את סליל עם סרט מתיחה שקוף ולהשתמש באתנול כדי לעקר את סליל.
    8. בדוק את התקן ה- MF. השתמש טסלמטר כדי למדוד את עוצמת MF בתוך הסליל. הגשושית טסלמטר הייתה ממוקמת במרכז הסליל, ומאפשרת מדידה של MFs וזרמים בו זמנית.
    9. שנה את סדר הגודל של MF. השתמש ב- rheostat כדי לשנות את ההתנגדות של המעגל (איור 2B). ערך התנגדות של 0.7 Ω שימש ליצירת MFs של 1 mT.
    10. המלצות בטיחות. כדי למנוע כל בעיה בעת העברה או הסרה של סולנואיד מהחממה ודא כי הכבלים אינם מסובכים. נתק כבלים מהשנאי לפני הסרת הסולנואיד מהחממה. לעולם אל תמקם את הסולנואיד ללא תמיכת PMMA. לתפוס בתקיפות הן תמיכה PMMA מהבסיס ואת סולנואיד בעת העברה או הסרה מן החממה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

הדמיה חישובית
הפצות של מסמכי EFs ו- MFs מוצגות באיור 3. מצד אחד, ניתן היה להתבונן בהתפלגות ההומוגנית של EFs במערכת ההקפתית(איור 3A). ה-EF תוכנן להתבונן בפירוט בעוצמת השדה בתוך המדגם הביולוגי (איור 3B). סימולציה זו הייתה שימושית כדי parametrize את גודל האלקטרודות ולייצר אותם כדי למנוע את אפקט הקצה. מצד שני, ניתן היה לצפות בהתפלגות ההומוגנית של MFs שנוצרה על ידי סליל סולנואיד(איור 3C). ה- MF הותווה להתבונן בפירוט בעוצמת השדה בתוך הסליל (איור 3D). סימולציה זו הייתה חשובה למדוד את המרחק שבו MF זהה ולבנות את תמיכת PMMA. תמיכה זו מבטיחה התפלגות הומוגנית של ה- MF לא רק במרכז הסליל, אלא גם בדגימות הביולוגיות שיש לעורר.

אותות הנוצרים על ידי ממריצים חשמליים ומגנטיים
אותות פלט הנוצרים על ידי ממריץ חשמלי מוצגים באיור 4. רלוונטי להדגיש כי אותות שנלכדו על ידי האוסילוסקופ נלקחו ישירות באלקטרודות, שכן אם המדידה נלקחת ישירות לכבלי היציאה, המתחים יהיו גבוהים יותר (איור 4A). וריאציית מתח זו ניתנת על ידי קיבוליות האלקטרודות. מתח היציאה מתנדנד בטווח של ± 5V ב 60 kHz; לדוגמה, אותות הפלט היו 54.9 סמנכ"ל (איור 4B), 113 Vp-p (איור 4C), 153 Vp-p (איור 4D) ו- 204 Vp-p (איור 4E) עבור 50, 100, 150 ו- 200 Vp-p, בהתאמה.

אות הפלט שנוצר על ידי הממריץ המגנטי מוצג באיור 5. האות שנלכד על ידי האוסילוסקופ נלקח ישירות בכבלי היציאה של הסליל(איור 5A). מתח היציאה מתנדנד בטווח של ± p-p 15V ב 60 הרץ (איור 5B).

Figure 1
איור 1. מכשיר גירוי חשמלי. A) מעגל שמייצר מתחים של 50, 100, 150 ו- 200 Vp-p בצורת גל סינוס של 60 קילו-הרץ. ב) מעגל מודפס בתוך המארז. ג) אלקטרודות בתוך האינקובטור. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2. מכשיר גירוי מגנטי. A) ייצוג סכמטי של התקן הגירוי המגנטי ותמיכת PMMA. ב)מעגל כדי ליצור את MFs. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של דמות זו.

Figure 3
איור 3. הדמיה חישובית של EFs ו- MFs. א) התפלגות של מסמכי EFs בתוך ומחוץ למערכת ההיבול. ב) התפלגות של EFs בתוך הידרוג'ל, אזור העניין מצוין בפירוט אדום. ג) הפצת MFs בתוך הסליל ומחוצה לו. ד) התפלגות של MFs במרכז הסליל, אזור העניין מצוין בפירוט אדום. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4. אות סינוסואידי שנוצר על ידי ממריץ חשמלי. א) אימות אותות שנוצר על ידי הממריץ החשמלי. ב) אות ב 50 Vp-p. C) אות ב 100 Vp-p.D) אות ב 150 Vp-p. E) אות ב 200 Vp-p. כל המדידות מתנדנדות בטווח של ± 5V ב 60 kHz. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5. אות סינוסואידי שנוצר על ידי הממריץ המגנטי. א) אימות אותות שנוצר על ידי הממריץ המגנטי. ב) אות ב 15 Vp-p ב 60 הרץ.

מערכת רכיבים רוחב (מ"מ) גובה (מ"מ)
מערכת חשמל אוויר 100 100
אלקטרודות 50 5
צלחת טובה 7 20
הידרוג'ל (הידרוג' 3.5 3.5
מדיה תרבותית 6 8
מערכת מגנטית אוויר 500 600
סליל 2 250

שולחן 1. מימד של גיאומטריות המרכיבות מערכות חשמליות ומגנטיות.

מערכת רכיבים היתר יחסי (ε) מוליכות (σ)
מערכת חשמל אוויר 1 0
אלקטרודות 1 1.73913 [MS/m]
צלחת טובה 3.5 6.2E-9 [S/m]
הידרוג'ל (הידרוג' 8.03E3 7.10E-2 [S/m]
מדיה תרבותית 2.67E4 7.20E-2 [S/m]
מערכת מגנטית סליל 1 5.998E7[S/m]

שולחן 2. תכונות דיאלקטריות של יסודות המרכיבים מערכות חשמליות ומגנטיות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

טיפולים המשמשים לריפוי פתולוגיות שונות המשפיעות על רקמות אנושיות הם טיפולים תרופתיים32 אוהתערבויות כירורגיות 33, המבקשים להקל על הכאב באופן מקומי או להחליף רקמות מושפעות עם explants או השתלות. לאחרונה, טיפול בתאים אוטולוגיים הוצע כטיפול אלטרנטיבי לטיפול ברקמות פצועות, שבו התאים מבודדים מהמטופל ומורחבים, באמצעות טכניקות במבחנה, להשתיל באתר הפציעה34. בהתחשב בכך טיפול בתאים אוטולוגי הוכיחה יש השפעה ישירה על התאוששות רקמות, אסטרטגיות שונות פותחה כדי להגדיל את האפקטיביות של טכניקה זו. לדוגמה, גירויים ביופיזיים שימשו כטיפול אלטרנטיבי לא פולשני כדי לעורר מספר סוגים של דגימות ביולוגיות, אפנון פונקציונליות התא על ידי שיפור התפשטות התא סינתזה מולקולרית35,36. בין הגירויים הביופיזיים הנפוצים ביותר, אלקטרוסטימולציה ומגנטותרפיה הוחלו באופן נרחב כדי לעורר תאים, רקמות ופיגומים. הוכח כי electrostimulation מפחית כאב ומגביר תהליכי ריפוי של מספררקמות 37. לגבי מגנטותרפיה, תואר כי גירוי זה משפר את השילוב של שתלים עם רקמות מארחות, מאיץ תהליכי ריפוי, מקל על הכאב באופן מקומי ומגביר את כוח הצלקת8,38.

בהתחשב לעיל, השילוב של ביו-חומרים, תרבות תאים וגירויים ביופיזיים חיצוניים כגון EFs ו- MFs, ברמת במבחנה, הוצג בהנדסת רקמות כטכניקה טיפולית חלופית לריפוירקמותפגועות 8,39. עם זאת, מציאת bioreactor המסייע לעורר רקמות שונות, אם בריא או מושפע פתולוגיות טראומטיות, הוא אתגר. בהקשר זה, הפרוטוקול הנוכחי נועד לפתח ממריצים חשמליים ומגנטיים כאחד. נכון לעכשיו, קיימות שתי ערכות אפשריות להחלת EFs. השיטה הראשונה מורכבת מיצירת EFs באמצעות מערכות צימוד ישירות, המשמשות להערכת העברת תאים וכיוון40,41,42. עם זאת, ישנן מגבלות כגון שינויים תאימות ביולוגית של המדיום תרבות התא על ידי אלקטרודות במגע, שינויים אפשריים ב- pH ורמות חמצן מולקולרי1. בנוסף, גירוי מצמד ישיר לא יכול להגביר אותות בתדר גבוה. התפוקה נוטה להשתנות עם הזמן, יצירת שינויי מתח אספקה. יש לו יציבות טמפרטורה מועטה, בשל זה נקודות ההפעלה שלה לשנות בתדרים נמוכים הקבל נכשל ופועל כמו מעגל פתוח43. בהתחשב במגבלות אלה, השיטה השנייה יושמה, שבה נעשה שימוש באלקטרודות מקבילות חיצוניות. שיטת מערכת צימוד עקיפה זו מעידה על עלייה בתפוצת תאים וסינתזה מולקולרית3,7,17,22,44,45; עם זאת, ההתקנים שפותחו על ידי מחברים שונים לא נחשבים לגודל של אלקטרודות להפצת EFs הומוגנית. לדוגמה, התקנים מייצרים מתחים ותדרים קבועים, ומגבילים את השימוש בהם בגירוי תאים ורקמות ספציפיים. לפיכך, במחקר זה גודל האלקטרודות היה מודל כדי להבטיח התפלגות הומוגנית של EFs על רקמות ביולוגיות. בנוסף, מעגל תוכנן ליצור תדר ומתח גבוה בין אלקטרודות, יצירת EFs שונים להתגבר על המגבלות הנגרמות על ידי עכבה של תרבות התא היטב צלחות ואוויר.

סלילי סולנואיד הם מכשירים רב-תכליתיים שניתן להשתמש בהם כדי לעורר דגימות ביולוגיות בתוך החממה, המאפשרים לתנאים האטמוספריים להישאר יציבים מבלי להשפיע על תכונות פיזיולוגיות של דגימות ביולוגיות. יתרון זה מבהיר כי סלילי סולנואידים הם חלופות אפשריות יותר מאשר סלילי הלמהולץ, שכן אלה צריכים להיות גדולים יותר בגודלם, מניעת גירוי בתוך אינקובטורים46. גירוי של דגימות ביולוגיות מחוץ לאינקובטור יכול להוביל במספר נושאים כגון זיהום תרבות התא, מתח התא, שינויי pH של מדיה תרבותית, בין היתר. בהתחשב בכך מכשירי גירוי שונים פותחו כדי לעורר מספר סוגי תאים ורקמות24,25,26,27, זה רלוונטי לבנות מכשירים שבהם עוצמות MF יכול להיות מגוון כדי לעורר מגוון רחב של דגימות ביולוגיות29,30. לפיכך, בפרוטוקול זה הממריץ המגנטי מחובר rheostat, אשר יכול לשנות את הזרם הזורם דרך סולנואיד על ידי שינוי ההתנגדות שלהם ואת הזרם, פרמטרים הקשורים ישירות לדור של MFs. תכונה חשובה נוספת שיש לקחת בחשבון ברגע בניית התקנים מגנטיים היא הפצת MFs. כאן, סימולציה חישובית שימשה כדי לדמות את התפלגות MF בתוך סליל סולנואיד. סימולציה זו אפשרה לחשב את מספר הסיבובים של חוט הנחושת ואת אורך הסליל כדי ליצור MFs הומוגני באמצע הסליל. הסימולציה החישובית היא כלי שימושי לחישוב מספר הדגימות הביולוגיות שיש לעורר, ולהבטיח שכל הדגימות יקבלו את אותו כוח שדה47.

לממריצים הביופיזיים שפותחו בפרוטוקול זה יש כמה מגבלות. ראשית, המעגל האלקטרוני המיועד לגירוי חשמלי מייצר ארבעה מתחי יציאה בתדר מסוים. למרות המעגל להתגבר על המגבלה של יצירת מתחים גבוהים בין אלקטרודות1, זה יכול להיות משופר כדי ליצור מתחים משתנים ותדרים. ניתן לשנות את המעגל כדי ליצור תדרים שונים רק חישוב נגדים או קבלים באמצעות משוואה (1); עם זאת, ניתן להשתמש בנגדים משתנים כדי לשנות באופן ידני את ערך הנגד. באופן דומה, נגד משתנה עשוי לשמש בשלב ההגברה של המעגל כדי לשנות את מתח היציאה. שנית, המעגל האלקטרוני של הממריץ החשמלי יוצר אותות סינוסואידיים. זה יהיה שימושי כדי ליצור סוג אחר של אותות כגון ריבוע, משולש, טרפז ורמפה, כמו סוגים אלה של אותות יכול לשמש כדי לעורר מגוון רחב של תאים ודגימות ביולוגיות48,49. כדי ליצור סוג אחר של אותות, המגבר התפעולי יכול להיות מוחלף על ידי מחולל פונקציה מונוליטית, אשר יכול לייצר צורות גל באיכות גבוהה של יציבות גבוהה ודיוק עם משרעת נמוכה, ואת שלב ההגברה ניתן להחליף על ידי מגבר תפעולי שאינו היפוך או שלב עם טרנזיסטורים NPN. שלישית, למרות שהממריץ המגנטי מייצר סדרי גודל קטנים של MF, הוכח כי לעוצמות אלה יש השפעה ישירה על הדינמיקה של דגימות ביולוגיות24,28,30,38; עם זאת, ניתן לשפר את המכשיר המגנטי כדי ליצור MFs ותדרים משתנים כדי לעורר מגוון רחב של רקמות ביולוגיות29.

בסך הכל, פרוטוקול זה הוא כלי שימושי המספק תרומה טכנולוגית לקהילה המדעית שעובדת על גירוי ביופיזי של רקמות ביולוגיות. מכשירים אלה יאפשרו לחוקרים להשתמש ב- EFs ו- MFs כדי לעורר את הפונקציה של רקמות ביולוגיות בריאות או אלה ששונו על ידי פתולוגיה מסוימת. בהתחשב בכך במחקרים נוספים vivo, פרמטרים שונים ומשתנים כגון גודל אלקטרודות, מספר סיבובים של הסליל, גירויים כוח פעמים גירוי יהיה נחוש להפיץ הומוגנית הן EFs ו MFs בבעלי חיים כגון חזירים, עגלים, שרקנים או ארנבים. בנוסף, ביו-רקטורים שתוכננו בפרוטוקול זה יכולים להיות מעודנים להגדרות קליניות כדי לשפר טכניקות רגנרטיביות כגון השתלת תאים אוטולוגיים. כאן, bioreactors יכול לשחק תפקיד חשוב על ידי גירוי דגימות ביולוגיות, ברמת במבחנה, כדי לשפר את התכונות התאיות והמולקולריות של תאים, רקמות ופיגומים לפני מושתל בחולה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים מצהירים כי אין להם ניגוד עניינים.

Acknowledgments

המחברים מודים לתמיכה הכספית שמספק "פונדו נאסיונאל דה פינסיאמיינטו פארה לה סינסיה, la Tecnología, y la Innovación -פונדו פרנסיסקו חוסה דה קלדס- Minciencias" ואוניברסיטת נאסיונאל דה קולומביה באמצעות המענק מס '80740-290-2020 ואת התמיכה שהתקבלה על ידי Valteam טק - מחקר וחדשנות לאספקת הציוד ותמיכה טכנית במהדורת הווידאו.

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

הנדסה ביולוגית גיליון 171 שדה חשמלי שדה מגנטי גירויים ביופיזיים גירוי רקמה ביולוגית
התקני שדה חשמליים ומגנטיים לגירוי רקמות ביולוגיות
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