이 프로토콜은 생물학적 조직을 자극하는 데 사용되는 전기 및 자기 자극기를 모두 구축하는 단계별 프로세스를 설명합니다. 이 프로토콜에는 전산 전기 및 자기장을 시뮬레이션하고 자극기 장치의 제조를 위한 지침이 포함되어 있습니다.
전기장(EF)과 자기장(MF)은 조직 공학에 의해 확산, 이주, 분화, 형태학 및 분자 합성과 같은 세포 역학을 개선하는 데 널리 사용되어 왔다. 그러나, 이러한 자극 강도와 자극 시간 변수는 세포, 조직 또는 비계중 하나를 자극할 때 고려될 필요가 있다. EF와 MF가 세포 반응에 따라 달라지는 것을 감안할 때, 생물학적 샘플을 자극하기 위해 적절한 생체 물리학 자극을 생성하는 장치를 구축하는 방법은 불분명합니다. 사실, 생물 물리학 자극이 적용될 때 계산 및 분포에 관한 증거의 부족이 있습니다. 이 프로토콜은 EF 및 MF를 생성하고 생물학적 샘플 안팎의 생물 물리학 자극 분포를 예측하는 계산 방법론의 구현을 위한 장치의 설계 및 제조에 중점을 두습니다. EF 장치는 생물학적 배양의 상단과 하단에 위치한 두 개의 병렬 스테인리스 스틸 전극으로 구성되었다. 전극은 60kHz에서 전압(50, 100, 150 및 200 Vp-p)을 생성하기 위해 발진기에 연결되었습니다. MF 장치는 60Hz에서 전류(1A) 및 전압(6V)을 생성하기 위해 변압기로 동력화된 코일로 구성되었다. 코일 한가운데에 있는 생물학적 배양을 찾기 위해 폴리메틸 메타크릴레이트 지원이 구축되었습니다. 계산 시뮬레이션은 생물학적 조직의 내부 와 외부의 EF및 MF의 균일 한 분포를 해명. 이 계산 모델은 전압, 주파수, 조직 형태학, 잘 플레이트 유형, 전극 및 코일 크기와 같은 매개 변수를 수정하여 세포 반응을 달성하기 위해 EF 및 MF를 추정할 수 있는 유망한 도구입니다.
EF 및 MF는 세포 역학을 수정하여 조직1의세포외 매트릭스와 관련된 주요 분자의 증식 및 증가 합성을 자극하는 것으로 나타났습니다. 이러한 생물 물리학 자극은 특정 설정 및 장치를 사용하여 다른 방법으로 적용 될 수있다. EF를 생성하는 장치에 관해서는, 직접 결합 자극기는 시험관내의 생물학적 샘플과 접촉하거나 생체 내 환자 및 동물의 조직에 직접 이식되는 전극을사용한다. 그러나, 접촉중인 전극에 의한 생체 적합성 부족, pH 및 분자 산소 수준1의변화 등 여전히 제한및 결함이 있다. 반대로 간접 커플링 장치는 생물학적 샘플3과병행하여 배치되는 두 전극 사이에 EF를 생성하여 비침습적 대체 기술을 통해 생물학적 샘플을 자극하고 조직과 전극 간의 직접적인 접촉을 피할 수 있습니다. 이러한 유형의 장치는 환자에게 최소한의 침입으로 절차를 수행하기 위해 미래의 임상 응용 프로그램으로 추정될 수 있습니다. MF를 생성하는 장치와 관련하여 유도 결합 자극기는 세포 배양4,5주위에 위치한 코일을 통해 흐르는 시간 변화전류를 생성한다. 마지막으로, 과도 전자기장1을생성하기 위해 EF와 정적 MF를 사용하는 결합 된 장치가 있습니다. 생물학적 시료를 자극하는 다양한 구성이 있다는 점을 감안할 때, 생물물리학 자극이 적용될 때 장력 및 주파수와 같은 변수를 고려해야 합니다. 전압은 생물학적 조직의 행동에 영향을 미치기 때문에 중요한 변수입니다. 예를 들어, 세포 이동, 방향 및 유전자 발현이 적용된 전압3,6,7,8,9,10의진폭에 의존하는 것으로 나타났다. 주파수는 생체 내 자극에서 자연적으로 발생한다는 것을 입증했기 때문에 생물 물리학 자극에서 중요한 역할을 합니다. 그것은 높은 낮은 주파수 세포에 유익한 효과 입증 되었습니다.; 특히, 세포막 전압 게이트 칼슘 채널 또는 내세포 내 수준1,7,11에서상이한 신호 경로를 유발하는 내시경 망상에서.
상기에 따르면, EF를 생성하는 장치는 두 개의 병렬커패시터(12)에연결된 전압 발생기로 구성된다. 이 장치는 암스트롱 외에 의해 구현되었다 증식 속도와 연골 세포(13)의분자 합성을 모두 자극. 이 장치의 적응은 브라이튼 외에 의해 수행되었다 누가 자신의 상단과 하단 뚜껑을 드릴링하여 잘 판 세포 배양을 수정. 구멍은 아래 쪽 안경이 생물학적 조직을 배양하는 데 사용된 커버 슬라이드로 채워졌습니다. 전극은 각 커버 슬라이드에 배치되어 EFs14를생성했다. 이 장치는 전동 세포, 골세포 및 연골 이세포를 전기적으로 자극하는 데 사용되었으며, 세포증식(14,15,16 및분자 합성3,17)의증가를 나타냈다. Hartig 등에서 설계한 장치는 병렬 커패시터에 연결된 웨이브 제너레이터와 전압 증폭기로 구성되었습니다. 전극은 절연 케이스에 위치한 고품질 스테인리스 스틸로 만들어졌습니다. 이 장치는 골세포를 자극하는 데 사용되었으며, 증식 및 단백질분비(18)의현저한 증가를 나타냈다. 김등에서 사용하는 장치는 고전압 금속 산화물의 보완 반도체 제조 공정을 사용하여 구축된 양면 전류 자극기 칩으로 구성되었다. 배양 우물 플레이트는 전기 자극을 가진 전도성 표면 을 통해 세포를 배양하도록 설계되었습니다. 전극은 실리콘 플레이트19위에 금으로 코팅되었다. 이 장치는 골성형물을 자극하는 데 사용되었으며, 혈관 내피 성장인자(19)의증식 및 합성의 증가를 나타내고, 알칼리성 인산염 활성, 칼슘 증착 및 뼈 형태성단백질(20)의생산을 자극하였다. 유사하게, 본 장치는 인간 골수 중간엽 줄기세포(21)의혈관 내피 성장 인자의 증식 속도 및 발현을 자극하기 위해 사용되었다. 나카수지 등에서 설계한 장치는 백금 판에 연결된 전압 발전기로 구성되었다. 전극은 24개의 다른 지점에서 전기 전위를 측정하기 위해 제작되었습니다. 이 장치는 연골세포를 자극하는 데 사용되었으며, EFs가 세포 형태와 증식 및 분자합성(22)을증가시키지 않았다는 것을 보여준다. Au 등에서 사용하는 장치는 백금 와이어가 있는 심장 자극제에 연결된 두 개의 탄소 막대가 장착된 유리 챔버로 구성되었습니다. 이 자극기는 심근세포와 섬유아세포를 자극하여 세포 신장및 섬유아세포정렬(23)을개선하는 데 사용되었다.
다른 MF 장치는 여러 유형의 생물학적 샘플을 자극하기 위해 Helmholtz 코일을 기반으로 제조되었습니다. 예를 들어, 헬름홀츠 코일은 연골세포의 증식 및 분자합성을 자극하는 데 사용되어왔다 24,25,관절 연골 의 프로테오글리칸 합성을강화(26),골세포와 같은 세포의 뼈 형성과 관련된 유전자 강화 조절을 개선하고, 내피세포(28)의 증식 및 분자발현을 증가시킨다. 헬름홀츠 코일은 다른 코일 앞에 있는 두 개의 코일 전체에 걸쳐 MF를 생성합니다. 코일은 동질적인 MF를 보장하기 위해 코일의 반지름과 동일한 거리로 배치되어야 합니다. Helmholtz 코일을 사용하는 단점은 필요한 MF 강도를 생성할 만큼 충분히 커야 하기 때문에 코일 치수에 있습니다. 또한 코일 사이의 거리는 생물학적 조직 주위의 MF의 균일한 분포를 보장하기에 충분해야합니다. Helmholtz 코일로 인한 문제를 피하기 위해 솔레노이드 코일 제조에 중점을 두는 다양한 연구가 있었습니다. 솔레노이드 코일은 구리 와이어로 감겨 MF를 생성하는 튜브를 기반으로 합니다. 구리 와이어 입력은 출구 또는 전원 공급 장치에 직접 연결하여 코일에 활력을 공급하고 솔레노이드의 중심에 MF를 생성할 수 있습니다. 코일이 회전할수록 MF가 생성될 수록 됩니다. MF 크기는 또한코일(29)에에너지를 불어넣기 위해 적용되는 전압 및 전류에 따라 달라집니다. 솔레로이드 코일은 HeLa, HEK293 및 MCF7 30 또는 중간엽 줄기세포(31)와같은 자기적으로 다른 종류의 세포를 자극하는 데 사용되어 왔다.
다른 저자가 사용하는 장치는 전기 전극의 적절한 크기 또는 코일의 정확한 길이를 고려하여 EF와 MF를 균일하게 분배하지 않았습니다. 또한 장치는 고정 전압과 주파수를 생성하여 특정 생물학적 조직을 자극하는 데 사용을 제한합니다. 이러한 이유로 이 프로토콜에서는 생체 샘플을 통해 EF및 MF의 균일한 분포를 보장하기 위해 정전용량 시스템과 코일을 모두 시뮬레이션하여 에지 효과를 피하기 위해 전산 시뮬레이션 지침이 수행됩니다. 또한, 전자 회로의 설계는 전극과 코일 사이의 전압과 주파수를 생성하여 세포 배양의 임피던스로 인한 한계를 극복할 수 있는 EF와 MF를 생성하는 것으로 나타났다. 이러한 수정은 비 침습적 및 적응 생물 반응기의 생성이 어떤 생물학적 조직을 자극할 수 있게 할 것입니다.
인간 조직에 영향을 미치는 다른 병리를 치유하는 데 사용되는 치료법은 약리요법32 또는 외과 적 개입33이며,이는 현지에서 통증을 완화하거나 영향을받는 조직을 각병 또는 이식으로 대체하려고합니다. 최근에는 자가세포치료제가 환자로부터 분리되고 시험외기술을 통해 증축된 부상조직을 치료하는 대체 요법으로 제안되고있다(34). 자가 ?…
The authors have nothing to disclose.
저자는 “폰도 나시오날 드 피난시아미엔토 파라 라 시엔시아, 라 Tecnología, y la Innovación -폰도 프란시스코 호세 드 칼다스 – 민시엔시아스”와 유니버시다드 나시오날 드 콜롬비아 보조금을 통해 80740-290-2020 및 발팀 테크에 의해 받은 지원 – 비디오 의 판에서 장비와 기술 지원을 제공하기위한 연구 및 혁신.
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 |