Summary
Bu protokol, biyolojik dokuları uyarmak için kullanılan hem elektriksel hem de manyetik uyarıcılar oluşturmak için adım adım süreci açıklar. Protokol, hesaplamalı olarak elektrik ve manyetik alanları simüle etmek ve uyarıcı cihazların üretimini simüle etmek için bir kılavuz içerir.
Abstract
Elektrik alanları (EF'ler) ve manyetik alanlar (MF'ler) doku mühendisliği tarafından çoğalma, göç, farklılaşma, morfoloji ve moleküler sentez gibi hücre dinamiklerini iyileştirmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, hücreleri, dokuları veya iskeleleri uyarırken uyaran gücü ve stimülasyon süreleri gibi değişkenlerin göz önünde bulundurulması gerekir. EF'lerin ve MF'lerin hücresel yanıta göre değiştiği göz önüne alındığında, biyolojik örnekleri uyarmak için yeterli biyofiziksel uyaran üreten cihazların nasıl oluşturulanınğı belirsizliğini korumaktadır. Aslında, biyofiziksel uyaranlar uygulandığında hesaplama ve dağılımla ilgili kanıt eksikliği vardır. Bu protokol, EF'ler ve MF'ler üretecek cihazların tasarımı ve üretimine ve biyolojik numunelerin içindeki ve dışındaki biyofiziksel uyaran dağılımını tahmin etmek için bir hesaplama metodolojisinin uygulanmasına odaklanmıştır. EF cihazı, biyolojik kültürlerin üst ve alt kısmında bulunan iki paralel paslanmaz çelik elektrotlardan oluşuyordu. Elektrotlar, 60 kHz'de voltaj (50, 100, 150 ve 200 Vp-p) üretmek için bir osilatörüne bağlandı. MF cihazı, 60 Hz'de bir akım (1 A) ve voltaj (6 V) oluşturmak için bir transformatörle enerjilendirilmiş bir bobinden oluşuyordu. Bobinin ortasındaki biyolojik kültürleri bulmak için bir polimetil methakrilat desteği inşa edildi. Hesaplamalı simülasyon, EF'lerin ve MF'lerin biyolojik dokuların içinde ve dışında homojen dağılımını aydınlattı. Bu hesaplamalı model, hücresel bir yanıt elde etmek için EF'leri ve MF'leri tahmin etmek için voltajlar, frekanslar, doku morfolojileri, kuyu plaka tipleri, elektrotlar ve bobin boyutu gibi parametreleri değiştirebilen umut verici bir araçtır.
Introduction
EF'lerin ve MF'lerin hücre dinamiklerini değiştirdiği, çoğalmasını teşvik ettiği ve dokuların hücre dışı matrisi ile ilişkili ana moleküllerin sentezini artırdığı gösterilmiştir1. Bu biyofiziksel uyaranlar belirli ayarlar ve cihazlar kullanılarak farklı şekillerde uygulanabilir. EF'ler üretecek cihazlarla ilgili olarak, doğrudan kavrama stimülatörleri, biyolojik örneklerle temas halinde olan veya doğrudan hastaların ve hayvanların dokularına yerleştirilen elektrotları kullanır2; bununla birlikte, temas eden elektrotlar tarafından yetersiz biyouyumbilite, pH ve moleküler oksijen seviyelerinde değişiklikler içeren sınırlamalar ve eksiklikler hala vardır1. Aksine, dolaylı kavrama cihazları, biyolojik örneklere paralel olarak yerleştirilen iki elektrot arasında EF'ler oluşturur3Biyolojik örnekleri uyarmak ve dokular ile elektrotlar arasında doğrudan temastan kaçınmak için invaziv olmayan bir alternatif teknik sağlar. Bu tür bir cihaz, hastaya en az invazyonla işlem yapmak için gelecekteki klinik uygulamalara tahmin edilebilir. MF üreten cihazlarla ilgili olarak, endüktif kavrama stimülatörleri, hücre kültürleri etrafında bulunan bir bobinden akan zaman değişen bir elektrik akımı oluşturur4,5. Son olarak, geçici elektromanyetik alanlar oluşturmak için EF'ler ve statik MF'ler kullanan birleşik cihazlarvardır 1. Biyolojik örnekleri uyarmak için farklı konfigürasyonlar olduğu göz önüne alındığında, biyofiziksel uyaranlar uygulandığında gerginlik ve frekans gibi değişkenleri göz önünde bulundurmak gerekir. Voltaj, biyolojik dokuların davranışını etkilediği için önemli bir değişkendir; örneğin, hücre geçişi, yönelim ve gen ekspresyonunun uygulanan voltaj 3 , 6 , 7,8,9,10genliğine bağlı olduğu gösterilmiştir. Frekans, biyofiziksel stimülasyonda önemli bir rol oynar, çünkü bunların in vivo olarak doğal olarak meydana geldiği kanıtlanmıştır. Yüksek ve düşük frekansların hücreler üzerinde yararlı etkileri olduğu gösterilmiştir; özellikle hücre içi membran gerilim kapılı kalsiyum kanallarında veya endoplazmik retikulumda, hücre içi seviye1, 7 , 11'defarklı sinyal yollarınıtetikler.
Yukarıda belirtilenlere göre, EF üretmek için bir cihaz iki paralel kapasitöre bağlı bir voltaj jeneratörüoluşur 12. Bu cihaz Armstrong ve arkadaşları tarafından hem proliferatif oranı hem de kondrositlerin moleküler sentezini uyarmak için uygulandı13. Bu cihazın bir uyarlaması, üst ve alt kapaklarını delerek hücre kültürü kuyu plakalarını değiştiren Brighton ve ark. Delikler, alt camların biyolojik dokuları kültüre etmek için kullanıldığı kapak kaydırakları ile dolduruldu. EFs14oluşturmak için her kapak kaydırağından elektrotlar yerleştirildi. Bu cihaz, hücre çoğalmasında14, 15 , 16ve moleküler sentez 3,17'debir artış göstererek kondrositleri, osteoblastları ve kıkırdak eksplantlarını elektriksel olarak uyarmak için kullanılmıştır. Hartig ve arkadaşları tarafından tasarlanan cihaz, paralel kapasitörlere bağlı bir dalga jeneratörü ve bir voltaj amplifikatöründen oluşuyordu. Elektrotlar, bir yalıtım kasasında bulunan yüksek kaliteli paslanmaz çeliktan yapılmıştır. Cihaz, çoğalma ve protein salgısında önemli bir artış göstererek osteoblastları uyarmak için kullanıldı18. Kim ve arkadaşları tarafından kullanılan cihaz, yüksek voltajlı metal oksitin tamamlayıcı yarı iletkenlerinin üretim süreci kullanılarak üretilen bifazik akım uyarıcı çipten oluşuyordu. Bir kültür kuyusu, elektriksel stimülasyon ile iletken bir yüzey üzerindeki hücreleri kültüre etmek için tasarlanmıştır. Elektrotlar silikon plakalar üzerinde altınla kaplandı19. Bu cihaz osteoblastları uyarmak için kullanıldı, çoğalma ve vasküler endotel büyüme faktörü19sentezinde bir artış gösterdi ve alkali fosfataz aktivitesi, kalsiyum birikimi ve kemik morfojenik proteinlerin üretimini teşviketti 20. Benzer şekilde, bu cihaz insan kemik iliği mezenkimal kök hücrelerinin vasküler endotel büyüme faktörünün proliferatif oranını ve ekspresyonunun uyarılması için kullanılmıştır21. Nakasuji ve ark. tarafından tasarlanan cihaz platin plakalara bağlı bir gerilim jeneratöründen oluşuyordu. Elektrotlar, 24 farklı noktadaki elektrik potansiyelini ölçmek için üretildi. Bu cihaz, EF'lerin hücre morfolojisini değiştirmediğini ve çoğalma ve moleküler sentezi artırdığını gösteren kondrositleri uyarmak için kullanıldı22. Au ve arkadaşları tarafından kullanılan cihaz, platin telli bir kardiyak uyarıcıya bağlı iki karbon çubukla donatılmış bir cam odadan oluşuyordu. Bu uyarıcı, kardiyomiyositleri ve fibroblastları uyarmak, hücre uzamasını ve fibroblast hizalamasını iyileştirmek için kullanılmıştır23.
Çeşitli biyolojik numune türlerini uyarmak için Helmholtz bobinlerine dayalı farklı MF cihazları üretilmiştir. Örneğin, Helmholtz bobinleri,24 , 25kondrositlerinin çoğalmasını ve moleküler sentezini teşviketmek,eklem kıkırdağı eksplantlarının proteoglikan sentezinigeliştirmek,osteoblast benzeri hücrelerin kemik oluşumu ile ilgili gen yükseltmesini iyileştirmek27ve endotel hücrelerinin çoğalmasını ve moleküler ekspresyonunu artırmak için kullanılmıştır28. Helmholtz bobinleri, biri diğerinin önünde bulunan iki bobin boyunca MF'ler üretir. Bobinler, homojen bir MF sağlamak için bobinlerin yarıçapına eşit bir mesafe ile yerleştirilmelidir. Helmholtz bobinlerini kullanmanın dezavantajı bobin boyutlarında yatmaktadır, çünkü gerekli MF yoğunluğunu oluşturacak kadar büyük olmaları gerekir. Ek olarak, MF'lerin biyolojik dokular etrafında homojen bir dağılımını sağlamak için bobinler arasındaki mesafe yeterli olmalıdır. Helmholtz bobinlerinin neden olduğu sorunları önlemek için, solenoid bobinlerin üretimine farklı çalışmalar odaklanmıştır. Solenoid bobinler, MF üretmek için bakır tel ile yaralanan bir tüpe dayanır. Bakır tel girişleri doğrudan prize veya bobine enerji vermek ve solenoidin merkezinde MF'ler oluşturmak için bir güç kaynağına bağlanabilir. Bobin ne kadar çok dönüşe sahip olursa, MF o kadar büyük bir üretim oluşturur. MF büyüklüğü ayrıca bobine enerji vermek için uygulanan voltaj ve akıma bağlıdır29. Solenoid bobinler HeLa, HEK293 ve MCF730 veya mezenkimal kök hücreler31gibi manyetik olarak farklı hücre türlerini uyarmak için kullanılmıştır.
Farklı yazarlar tarafından kullanılan cihazlar, hem EF'leri hem de MF'leri homojen bir şekilde dağıtmak için yeterli elektrot boyutunu veya bobinin doğru uzunluğunu dikkate almamıştır. Ayrıca, cihazlar belirli biyolojik dokuları uyarmak için kullanımlarını sınırlayan sabit voltajlar ve frekanslar üretir. Bu nedenle, bu protokolde, EF'lerin ve MF'lerin biyolojik numuneler üzerinde homojen dağılımını sağlamak için hem kapasitif sistemleri hem de bobinleri simüle etmek için bir hesaplama simülasyon kılavuzu gerçekleştirilir ve kenar etkisinden kaçınılır. Ek olarak, elektronik devrelerin tasarımının elektrotlar ve bobin arasında voltaj ve frekans oluşturduğu, hücre kültürü kuyu plakalarının ve havanın empedansının neden olduğu sınırlamaların üstesinden gelecek EF'ler ve MF'ler oluşturduğu gösterilmiştir. Bu değişiklikler, herhangi bir biyolojik dokuyu uyarmak için non-invaziv ve adaptif biyoreaktörlerin oluşturulmasına izin verecektir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. EF ve MF simülasyonları
NOT: COMSOL Multifizik'te EF ve MF simülasyonları gerçekleştirildi.
- Hem alan adlarını hem de elektrikli ve manyetik alanları temsil etmek için bir eksenemetrik 2B yapılandırma seçin.
- Fizik yapılandırmada, EF'leri paralel elektrotlarla hesaplamak için Elektrik Akımı arabirimini veya bobinler etrafındaki MF'leri hesaplamak için Manyetik Alan arabirimini seçin.
- Çalışma yapılandırmasında, bir veya birkaç frekans için harmonik ekscitasyona tabi tutulan doğrusal veya doğrusallaştırılmış bir modelin yanıtını hesaplamak için Sıklık Etki Alanı'nı seçin.
- Modeli oluşturmaya başlamak için arayüze girdikten sonra, ilginin modeline göre sonraki adımları izleyin.
- EF'ler için model oluşturma
- Geometriler oluşturun. Model Oluşturucusu'nda Geometri 'yiseçin. Ardından, Birimler bölümünü bulun ve mm'yi seçin. Geometri Araç Çubuğu'nda Dikdörtgen'i seçin ve Dikdörtgen Pencere ayarlarının Boyut ve Şekil kutusuna her bileşenin boyutlarını yazın. Geometri hava, iki paralel elektrot, bir kültür kuyu plakası, kültür medyası ve bu durumda hyaluronik asit - jelatin hidrojel bir iskele ile temsil edilen biyolojik bir örnek tarafından oluşur (Tablo 1'dekiher elemanın boyutlarına bakın). Tüm geometriler oluşturulup oluşturulup tüm nesneleri oluştur 'atıklayın.
- Seçimler oluşturun. Tanımlar Araç Çubuğu 'nda,metal etki alanı için bir seçim oluşturmak üzere Açık'ı tıklatın. Elektrotları temsil eden geometrileri seçin. Sonra, yeniden adlandırmak için Açık 1'i sağ tıklatın. Yeni etiket metin alanına Metal yazın.
- Öte yandan, Tanımlar Araç Çubuğu 'nda Tamamla 'yatıklayın. Tamamlayıcı Ayarları penceresinde Giriş Varlıkları bölümünü bulun. Ardından, Ters çevrilecek Seçimler'in altında Ekle'yi tıklatın ve Ekle iletişim kutusundan listeyi ters çevirmek için Seçimler'de Metal'i seçin. Ardından, yeniden adlandırmak için Tamamlayıcı 1'i sağ tıklatın. Yeni etiket metin alanına Model etki alanı yazın.
- Sınırlar oluşturun. Tanımlar Araç Çubuğu'nda Açık'ı tıklatın. Daha sonra, Açık için Ayarlar penceresinde Giriş Varlıkları bölümünü bulun ve Geometrik varlık düzeyi listesinden Sınır'ı seçin. Burada, alt elektrot için tüm sınırları seçin. Yeniden adlandırmak için Açık 2'yi sağ tıklatın. Yeni etiket metin alanına Zemin sınırları yazın. Bu adımları yineleyin, ancak üst elektrot için tüm sınırları seçin. Daha sonra, yeniden adlandırmak için Açık 3'ü sağ tıklatın. Yeni etiket metin alanına Terminal sınırlarını yazın.
- Elektrik akımları ekleyin. Model Oluşturucu penceresinde, Bileşen 1'in altında Elektrik Akımları (ec)'yi tıklatın. Ardından, Elektrik Akımları Ayarları penceresinde Etki Alanı Seçimi bölümünü bulun. Seçim listesinden Model etki alanı'nı seçin. Fizik Araç Çubuğu 'nda, Sınırlar 'ı tıklatın ve Zemin 'iseçin. Ardından, Zemin Ayarları penceresinde Sınır Seçimi bölümünü bulun ve Seçim listesinden Zemin sınırlarını seçin.
- Ardından, Sınırlar 'ı tıklatın ve Fizik Araç Çubuğu'nda Terminal 'i seçin. Son olarak, Terminal Ayarları penceresinde Sınır Seçimi bölümünü bulun ve Seçim listesinden Terminal sınırlarını seçin; burada, Terminal bölümünü bulun ve Terminal listesinden Voltage'ı seçin ve 100 V yazın.
- Malzeme ekleyin. Malzeme Ekle penceresini açmak için Giriş Araç Çubuğu'nda Malzeme Ekle'yi tıklatın. Hava ve paslanmaz çelik arayın ve bunları Model Oluşturucu penceresine ekleyin. Ardından, Ev Araç Çubuğu'nda Boş Malzeme'yi tıklatın ve kültür ortamı, iskele (hidrojel) ve polistiren (kültür kuyu plakası) için üç yeni boş malzeme ekleyin.
- Dielektrik özellikleri atamak için boş bir malzeme seçin. Malzeme ayarları penceresinde Malzeme Özellikleri listesini bulun ve Temel Özellikler seçenek listesinden göreli izin ve elektrik iletkenliğini seçin. Kültür medyası, hidrojel ve kültür kuyu plakası için dielektrik özellikler Tablo 2'dedir. Tüm boş malzemeler için bu yordamı tekrarlayın.
- Her malzemeyi daha önce oluşturulmuş geometrilere atayın. Model Oluşturucu penceresini hava malzemesi formunu seçin; ardından, Grafik penceresinden havaya karşılık gelen etki alanlarını seçin. Oluşturulan tüm malzemeler için bu adımı yineleyin. Her etki alanının doğru malzemeye karşılık geldiğine emin olun. Tüm malzemelerin doğru atandığından emin olmak için Model Oluşturucu penceresinden her malzemeyi tıklatın ve etki alanlarının Grafik penceresinde mavi renkle vurgulanıp vurgulanmadığını gözlemleyin.
- Ağ oluşturun. Model Oluşturucu penceresinde Mesh 1'i sağ tıklatın ve Serbest Üçgen 'iseçin. Boyut 'useçerek bu adımı yineleyin. Kafes Ayarı penceresinde, Sıra Türü listesinden Kullanıcı Tarafından Denetlenen Kafes'i seçin. Ardından, Model Oluşturucu penceresinde Mesh seçeneklerini genişletin ve Boyut 'atıklayın.
- Boyut Ayarı penceresinde Öğe Boyutu Parametrelerini bulun ve en büyük öğe boyutu için 1 mm, minimum eleman boyutu için 0,002 mm, maksimum öğe büyüme hızı için 1,1, eğrilik faktörü için 0,2 ve dar bölgelerin çözünürlüğü için 1 yazın. Ardından, Model Oluşturucu penceresinde Mesh seçeneklerini genişletin ve Serbest Üçgen 1 'itıklatın. Burada, meshlenecek tüm etki alanlarını seçin. Son olarak, Kafes Ayarı penceresinde Tümlerini Oluştur'a tıklayın.
- Çalışma oluşturun. Model Oluşturucu penceresinde Çalışma 1'i tıklatın. Ardından, Çalışma Ayarları penceresinde Çalışma Ayarları bölümünü bulun ve Varsayılan çizimler oluştur onay kutusunu temizleyin. Model Oluşturucu penceresinde Çalışma 1 düğümünü genişletin ve Adım 1: Sıklık Etki Alanı'nı tıklatın. Son olarak, Sıklık Etki Alanı Ayarları penceresinde Çalışma Ayarları bölümünü bulun ve Frekanslar metin alanına 60 kHz yazın.
- Çalışmayı hesapla. Çalışma araç çubuğunda Varsayılan Çözücüyü Göster'i tıklatın. Ardından, Model Oluşturucu penceresindeki Study 1 Çözücü Yapılandırmaları düğümünü genişletin. Model Oluşturucu penceresinde Çözüm 1 (sol1) düğümünü genişletin; ardından, Sabit Çözücü Ayarları penceresinde Sabit Çözücü 1'i tıklatın ve Genel bölümünü bulun ve Göreli Tolerans metin alanına 1e-6 yazın. Son olarak, Çalışma Araç Çubuğu'nda İşlem 'i tıklatın.
- Sonuçları çizin. Giriş araç çubuğunda Sonuçlar bölümünü seçin ve 2D Çizim Grubuekleyin. Ardından, Model Oluşturucu penceresinde 2B Çizim Grubu 1'i sağ tıklatın ve Yüzey'i seçin. Ardından, Yüzey Ayarları penceresinde Veri bölümünü bulun ve Öncü'nün öğesini seçin. Ardından, Yüzey Ayarları penceresinde İfade bölümünü bulun; burada, yeni bir pencere açmak ve seçim listesinden takip yolunu bulmak için artı (+) sembolünü tıklatın (Model - Bileşen 1 - Elektrik Akımları - Elektrik). Burada ec.normE - EF Norm'u seçin. Son olarak, sonuçları çizmek için Yüzey Ayarları penceresindeki Grafik'e tıklayın.
- MF'ler için model oluşturma
- Geometriler oluşturun. Model Oluşturucusu'nda Geometri 'yiseçin; ardından, Birimler bölümünü bulun ve mm'yi seçin. Geometri Araç Çubuğu'nda Dikdörtgen'i seçin ve Dikdörtgen Pencere Ayarları'nın Boyut ve Şekil kutusuna her bileşenin boyutlarını yazın. Geometri hava ve işbirliği ile oluşur (Tablo 1'dekiher elemanın boyutlarına bakın). Tüm geometriler oluşturulup oluşturulup tüm nesneleri oluştur 'atıklayın.
- Malzeme ekleyin. Malzeme Ekle penceresini açmak için Giriş Araç Çubuğu'nda Malzeme Ekle'yi tıklatın. Hava ve bakır arayın ve bunları Model Oluşturucu penceresine ekleyin. Bakır için dielektrik özellikler Tablo 2'dedir.
- Sınırlar oluşturun. Model Oluşturucu penceresinde Manyetikler Alanı'nı tıklatın. Burada, Manyetik Alanlar Ayarları penceresinde Denklem listesini bulun ve Denklem Formu listesinden Sıklık Etki Alanı denklemini seçin. Sıklık listesinde Çözücüden 'iseçin. Ardından, Model Oluşturucu penceresindeki Manyetik Alan listesinde Ampere Yasası'nı bulun. Sıcaklıkta293.15[K] tipinde , Giriş Modeli listesinden Mutlak Basınç'ta 1[atm]. Ardından, Ampere'nin Hukuk Ayarları penceresindeki Malzeme türü listesinden Katı'yı seçin. Elektrik iletkenliği, Göreli izinlilik ve Bağıl Geçirgenlik'in listedeki From malzemesine karşılık geldiğine emin olun.
- Model Oluşturucu penceresindeki Manyetik Alan listesinde Eksenel Simetri'yi bulun. Eksenel simetri çizgisinin hem Sınır Seçimi listesinde hem de Grafik penceresinde vurgulandığından emin olun. Ardından, Model Oluşturucu penceresindeki Manyetik Alan listesinde Manyetik İzolasyon'un yerini bulun. Geometrideki sınırların hem Sınır Seçimi listesinde hem de Grafik penceresinde vurgulandığından emin olun.
- Model Oluşturucu penceresinde manyetik alan listesinde İlk Değerleri bulun. Daha önce oluşturulmuş geometrileri seçin ve bunları İlk Değerler Ayarları penceresinden Etki Alanı Seçimi'ne ekleyin.
- Bobin özelliklerini tanıtın. Model Oluşturucu penceresinde manyetik alan listesinde Birden Çok Bobin bulun. Burada, bobini temsil eden geometriyi seçer ve bunları Birden Çok Bobin Ayarı penceresinden Etki Alanı Seçimi'ne ekler.
- Çoklu Bobin Ayarı penceresinde Birden Çok Bobin listesini bulun; burada, Bobin ekscitasyon listesini bulun ve Geçerli'yi seçin; daha sonra, Bobin geçerli listesine 1[A], dönüş sayısına 450 ve Bobin iletkenliğine 6e7[S/m] yazın.
- Bobin tel kesit alanını bulun ve listeden Kuzey Amerika kablo çapını (Kahverengi ve Keskin) seçin ve AWG seçeneğine 18 yazın. Göreli izin ve Göreli Geçirgenliğin listedeki From malzemesine karşılık geldiğine emin olun.
- Ağ oluşturun. Kafes Ayarı penceresinde, Sıra Türü listesinden Fizik Tarafından Denetlenen Kafes'i seçin. Daha sonra, Kafes Ayarı penceresinde Öğe Boyutu Parametrelerini bulun ve Son derece iyi'yi seçin. Son olarak, kafeslenecek tüm etki alanlarını seçin ve Kafes Ayarı penceresinde Tümlerini Oluştur'u tıklatın.
- Çalışma oluşturun. Model Oluşturucu penceresinde Çalışma 1'i tıklatın. Ardından, Çalışma Ayarları penceresinde Çalışma Ayarları bölümünü bulun ve Varsayılan çizimler oluştur onay kutusunu temizleyin. Model Oluşturucu penceresindeKi Study 1 düğümünü genişletin ve Adım 2: Sıklık Etki Alanı'nı tıklatın. Son olarak, Sıklık Etki Alanı Ayarları penceresinde Çalışma Ayarları bölümünü bulun ve Frekanslar metin alanına 60 Hz yazın.
- Çalışmayı hesapla. Çalışma araç çubuğunda Varsayılan Çözücüyü Göster'i tıklatın. Ardından, Model Oluşturucu penceresindeki Study 1 Çözücü Yapılandırmaları düğümünü genişletin. Model Oluşturucu penceresinde Çözüm 1 (sol1) düğümünü genişletin; ardından, Sabit Çözücü Ayarları penceresinde Sabit Çözücü 1'i tıklatın ve Genel bölümünü bulun ve Göreli tolerans metin alanına 1e-6 yazın. Son olarak, Çalışma Araç Çubuğu'nda İşlem 'i tıklatın.
- Sonuçları çizin. Giriş araç çubuğunda Sonuçlar bölümünü seçin ve 2D Çizim Grubuekleyin. Ardından, Model Oluşturucu penceresinde 2B Çizim Grubu 1'i sağ tıklatın ve Yüzey'i seçin. Ardından, Yüzey Ayarları penceresinde Veri bölümünü bulun ve Öncü'nün öğesini seçin.
- Yüzey Ayarları penceresinde İfade bölümünü bulun. Burada, yeni bir pencere açmak ve seçim listesinden takip yolunu bulmak için artı (+) sembolünü tıklatın (Model - Bileşen 1 - Manyetik Alan - Manyetik). Burada, mf.normB - Manyetik akı yoğunluğu Norm'u seçin. Son olarak, sonuçları çizmek için Yüzey Ayarları penceresindeki Grafik'e tıklayın.
- EF'ler için model oluşturma
2. Elektriksel ve manyetik stimülasyon cihazlarının tasarımı ve imalatı
- Elektrikli uyarıcı cihaz
NOT: Wien Köprüsü Osilatörü ve iki paralel paslanmaz çelik elektrot temel alan bir devre ile oluşur. Devre, pozitif ve olumsuz geri bildirim kullanan faz kaymasının bir RC osilatördür. Wien Köprüsü Osilatörü, giriş voltajını köprünün iki kolunun kombinasyonuyla bölen bir kurşun gecikme ağı tarafından oluşur: bir direnç R5 kondansatörle C2 seri olarak ve bir direnç R6 kondansatörle C3 paralel olarak (Şekil 1A). Bu bileşenler osilatörün frekansını modüle eder. Elektrikli uyarıcı cihazı oluşturmak için sonraki adımları izleyin:- Rezonans frekans denklemini (1) kullanarak frekansı hesaplayın.
Burada R = R5 = R6 dirençler ve C = C2 = C3 kapasitörlerdir. Hem R hem de C köprünün iki koluna yerleştirilir (Şekil 1A). 60 kHz frekans elde etmek için R5 = R 6 = 2,6 kΩ ve C 2 = C3 = 1 nF kullanın. Farklı bir frekans gerekiyorsa dirençler ve kapasitörler hesaplanabilir. - Devreyi, amplifikatörün voltaj kazancı, çıkış sinyalinin genlik değişikliklerini otomatik olarak telafi edebilecek şekilde tasarlayın. Şekil 1A'da devrenin şemasını gözlemlemek mümkündür, Malzeme Tablosu bölümünde ise devreyi oluşturmak için elektronik bileşenler listelenmiştir.
- Dört çıkış gerilimi oluşturmak için dirençlerin kombinasyonunu hesaplayın. Şekil 1A'dagösterildiği gibi, 50 Vp-p voltaj oluşturmak için R11, R12, R 13 ve R 14 dirençlerinin (154 Ω eşdeğer direnç) bir kombinasyonunu kullanın; 100Vp-p voltaj elde etmek için seri olarak R17 , R18 ve R 19 dirençleri (47,3 Ω eşdeğer direnç); 150 Vp-p voltaj oluşturmak için seri olarak R9 ve R10 dirençleri (25,3 Ω eşdeğer direnç); ve 200 Vp-p voltaj elde etmek için R 15 ve R 16 dirençlerinin (16,8 Ω eşdeğer direnç) bir kombinasyonu.
- Sinyal amplifikasyon aşaması uygulamak için bir transistör (TIP 31C) ve bir ferrit çekirdek transformatörü kullanın. Bir toroidal ferrit çekirdeği, bir AWG 24 bakır telin sargısı için kullanıldı ve bir ilişkiyi 1:200 tamamladı. Sinyali düzeltmek için transformatörden önce paralel olarak 100 nF'lik iki kapasitör (C4 ve C5) kullanın (Şekil 1A).
- PcB'i üçüncü taraf bir PCB üretim hizmeti kullanarak hazırlayın. Devrenin şematik diyagramı Şekil 1 'de verilmiştir. Tüm bileşenleri antistatik cımbızla PCB'ye yerleştirin. Tüm bileşenleri lehimlamak için kalay lehim ve lehimleme demiri kullanın.
- Devreyi korumak için giriş konektörlü plastik bir kasa üretin. Devreye enerji vermek için üç giriş konektörü uygulayın (12 V, -12 V ve zemin). Elektrotları bağlamak için iki giriş konektörü kullanın. Dört çıkış voltajı elde etmek için direnç kombinasyonunu değiştirmek için üç anahtar ekleyin. Elektronik devreyi plastik kasaya monte etmek (Şekil 1B).
- Her kenara iki paralel paslanmaz çelik elektrot (200 x 400 x 2 mm) ve lehim giriş konektörü üretin. Elektrotlar, inkübatörün metal yüzeyiyle herhangi bir teması ortadan kaldırmak için Teflon veya akrilik destekler üzerinde bulunur (Şekil 1C).
- Elektrotları sterilize etmek için 30 dakika boyunca 394,15 K'de (121 °C) bir otoklav kullanın ve inkübatörle temas eden telleri sterilize etmek için gece ultraviyole kullanın.
- Elektriksel uyarım cihazını test edin. Zemin ile pozitif ve negatif terminaller arasında +12 V ve -12 V çıkış voltajı oluşturmak için güç kaynağını seri olarak ayarlayın. Güç kaynağının çıkış voltajını bir multimetre ile doğrulayın. Güç kaynağının her çıkışını elektrik stimülatörlerinin (+12 V, -12 V ve zemin) doğru girişine bağlayın. Her elektrodu elektrik stimülatörünün doğru giriş konektörüne bağlayın. AC akımı üzerinde çalıştığımız için polarite önemli değildir. Elektrotların arasına bir kültür iyi plakası yerleştirin ve çıkış sinyalini bir osiloskopla doğrulayın. Dört çıkış voltajı (50, 100, 150 ve 200 Vp-p) oluşturmak için elektrik stimülatörlerinin anahtarlarını ayarlayın.
- Güvenlik önerileri. Elektrotları inkübatörden aktarırken veya çıkarırken herhangi bir sorunu önlemek için kabloların karışmadığından emin olun. Elektrotları inkübatörden çıkarmadan önce kabloları osilatörden çıkarın. Elektrotları asla akrilik veya Teflon destekleri olmadan yerleştirmeyin.
- Rezonans frekans denklemini (1) kullanarak frekansı hesaplayın.
- Manyetik uyarıcı cihaz
- Bir solenoid bobinin içindeki MF'yi tanımlayan denklemi (2) kullanarak bobinin içindeki homojen bir MF'yi garanti etmek için dönüş sayısını tahmin edin.
burada μ 0 vakumun manyetik geçirgenliğidir (4π×10-7), N bakır telin dönüş sayısıdır, ben akımdır ve çapındakinden daha büyük olması gereken h, solenoid bobinin uzunluğudur. - 250 mm uzunluk (h), 1 A akımı ve Bint = 2mTseçerek dönüş sayısını belirleyin.
- Bobini üret. 450 dönüşü tamamlayan bir AWG 18 bakır teli sarmak için 250 mm uzunluğunda ve 84 mm çapında bir polivinil klorür (PVC) tüpü inşa edin (Şekil 2A). Boyutlar, inkübatör içindeki kullanılabilir alana göre seçildi.
- Bir hücre kültürü kuyu plakası desteği üretin. 35 mm'lik kuyu plakalarının her zaman MF'lerin homojen olduğu bobinin ortasında bulunmasını sağlamak için bir polimetil methakrilit (PMMA) desteği oluşturun (Şekil 2A).
- Devrenin akımını artırmak için bir transformatör üretin. Maksimum 2 mT MF'ye ulaşmak için 1 A - 6 V AC çıkışlı bir transformatör oluşturun. Transformatörnün giriş gerilimi 60 Hz'de 110 V AC idi. Bu parametreler, Bir Güney Amerika çıkışının çıkış gerilimine ve frekansa karşılık gelir.
- Devreyi bağlayın. Transformatör doğrudan prize bağlanır. Akımı değiştirmek ve MF'leri 1 ila 2 mT arasında oluşturmak için değişken bir direnç (reostat) kullanın. Devreyi korumak için bir sigorta bağlayın (Şekil 2B).
- İnkübatörle temas eden telleri sterilize etmek için gece boyunca ultraviyole kullanın. Bobini şeffaf streç filmle sarın ve bobini sterilize etmek için etanol kullanın.
- MF cihazını test edin. Bobinin içindeki MF büyüklüğünü ölçmek için bir teslametre kullanın. Teslametre probu bobinin merkezinde yer aldı ve MF'lerin ve akımların aynı anda ölçülebilmesini sağladı.
- MF büyüklüğünü değiştir. Devrenin direncini değiştirmek için bir reastat kullanın (Şekil 2B). 1 mT'lik MF'ler oluşturmak için 0,7 Ω direnç değeri kullanıldı.
- Güvenlik önerileri. Solenoidin inkübatörden aktarılması veya çıkarılmasında herhangi bir sorun yaşanmaması için kabloların birbirine dolanmamasına dikkat edin. Solenoidi inkübatörden çıkarmadan önce kabloları transformatörden çıkarın. PMMA desteği olmadan solenoidi asla yerleştirmeyin. İnkübatörden aktarırken veya çıkarırken hem PMMA desteğini tabandan hem de solenoidden sıkıca kavrayın.
- Bir solenoid bobinin içindeki MF'yi tanımlayan denklemi (2) kullanarak bobinin içindeki homojen bir MF'yi garanti etmek için dönüş sayısını tahmin edin.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Hesaplamalı simülasyon
EF ve MF dağıtımları Şekil 3'tegösterilmiştir. Bir yandan, EF'lerin kapasitif sistemde homojen dağılımını gözlemlemek mümkündü (Şekil 3A). EF, biyolojik numunenin içindeki alanın büyüklüğünü ayrıntılı olarak gözlemlemek için çizilmiştir (Şekil 3B). Bu simülasyon, elektrotların boyutunu parametrize etmek ve kenar etkisini önlemek için üretmek için yararlıydı. Öte yandan, solenoid bobin tarafından oluşturulan MF'lerin homojen dağılımını gözlemlemek mümkündü (Şekil 3C). MF, bobinin içindeki alanın büyüklüğünü ayrıntılı olarak gözlemlemek için çizilmiştir (Şekil 3D). Bu simülasyon, MF'nin aynı olduğu mesafeyi ölçmek ve PMMA desteğini oluşturmak için önemliydi. Bu destek, MF'nin sadece bobinin merkezinde değil, aynı zamanda uyarılacak biyolojik örneklerde de homojen bir dağılımını sağlar.
Elektriksel ve manyetik uyarıcılar tarafından üretilen sinyaller
Elektrik stimülatörü tarafından üretilen çıkış sinyalleri Şekil 4'te gösterilmiştir. Osiloskop tarafından yakalanan sinyallerin doğrudan elektrotlarda alındığını vurgulamak önemlidir, çünkü ölçüm doğrudan çıkış kablolarına alınıp alınmaz, gerilimler daha yüksek olacaktır (Şekil 4A). Bu gerilim varyasyonu elektrotların kapasitansı ile verilir. Çıkış gerilimi 60 kHz'de ± 5V aralığında salınır; örneğin, çıkış sinyalleri sırasıyla 50, 100, 150 ve 200 Vp-p için54,9Vp-p (Şekil 4B), 113 Vp-p ( Şekil 4C ), 153 Vp-p ( Şekil 4D ) ve 204 Vp-p (Şekil 4E) şeklindeydi.
Manyetik uyarıcı tarafından oluşturulan çıkış sinyali Şekil 5'te gösterilmiştir. Osiloskop tarafından yakalanan sinyal doğrudan bobinin çıkış kablolarında alınmıştır (Şekil 5A). Çıkış gerilimi 60 Hz'de ± 15V p-p aralığındasalınır (Şekil 5B).
Şekil 1. Elektriksel uyarım cihazı. A) 60 kHz sinüs dalga formunda 50, 100, 150 ve 200 Vp-p gerilim üreten devre. B) Kasa içinde baskılı devre kartı. C) İnkübatör içindeki elektrotlar. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2. Manyetik stimülasyon cihazı. A)Manyetik stimülatör cihazının şematik gösterimi ve PMMA desteği. B)MF'leri oluşturmak için devre. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3. EF'lerin ve MF'lerin hesaplamalı simülasyonunu. A) EF'lerin kapasitif sistem içinde ve dışında dağılımı. B) EF'lerin hidrojel içindeki dağılımı, ilgi alanı kırmızı bir ayrıntı ile belirtilir. C) MF'lerin bobinin içinde ve dışında dağılımı. D) MF'lerin bobinin merkezinde dağılımı, ilgi alanı kırmızı bir ayrıntı ile belirtilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4. Elektrik stimülatörü tarafından üretilen sinüzoidal sinyal. A) Elektrik stimülatörü tarafından oluşturulan sinyal doğrulaması. B) 50 Vp-p. C'de Sinyal) 100 Vp-p. D'de Sinyal) 150 Vp-p. E'de Sinyal) 200 Vp-p'de Sinyal. Tüm ölçümler 60 kHz'de ± 5V aralığında salınır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5. Manyetik uyarıcı tarafından üretilen sinüzoidal sinyal. A) Manyetik uyarıcı tarafından oluşturulan sinyal doğrulaması. B) 60 Hz'de 15 Vp-p'de sinyal.
| sistem | Bileşen | Genişlik (mm) | Yükseklik (mm) |
| Elektrik sistemi | hava | 100 | 100 |
| Elektrot -lar | 50 | 5 | |
| İyi tabak | 7 | 20 | |
| Hidrojölesi | 3.5 | 3.5 | |
| Kültür medyası | 6 | 8 | |
| Manyetik sistem | hava | 500 | 600 |
| bobin | 2 | 250 |
Tablo 1. Elektrik ve manyetik sistemleri oluşturan geometrilerin boyutu.
| sistem | Bileşen | Göreli İzin (ε) | İletkenlik (σ) |
| Elektrik sistemi | hava | 1 | 0 |
| Elektrot -lar | 1 | 1.73913 [MS/m] | |
| İyi tabak | 3.5 | 6.2E-9 [S/m] | |
| Hidrojölesi | 8.03E3 | 7.10E-2 [S/m] | |
| Kültür medyası | 2.67E4 | 7.20E-2 [S/m] | |
| Manyetik sistem | bobin | 1 | 5.998E7[S/m] |
Tablo 2. Elektrik ve manyetik sistemleri oluşturan elemanların dielektrik özellikleri.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
İnsan dokularını etkileyen farklı patolojileri iyileştirmek için kullanılan tedaviler farmakolojik tedaviler32 veya cerrahi müdahaleler 33 Ağrıyı lokal olarak hafifletmeye veya etkilenen dokuları eksplant veya nakillerle değiştirmeye çalışan33. Son zamanlarda, otolog hücre tedavisi, hücrelerin hastadan izole edildiği ve in vitro tekniklerle genişletildiği yaralı dokuların tedavi edilmesi için alternatif bir tedavi olarak önerilmiştir34. Otolog hücre tedavisinin doku iyileşmesi üzerinde doğrudan etkisi olduğunu gösterdiği göz önüne alındığında, bu tekniğin etkinliğini artırmak için farklı stratejiler geliştirilmiştir. Örneğin, biyofiziksel uyaranlar, hücre çoğalmasını ve moleküler sentezi geliştirerek hücre işlevselliğini modüle ederek çeşitli biyolojik örnekleri uyarmak için invaziv olmayan bir alternatif tedavi olarak kullanılmıştır35,36. En çok kullanılan biyofiziksel uyaranlar arasında, elektrostimülasyon ve manyetoterapi hücreleri, doku eksplantlarını ve iskeleleri uyarmak için yaygın olarak uygulanmıştır. Elektrostimülasyonun ağrıyı azalttığı ve birkaç dokunun iyileşme süreçlerini artırdığı kanıtlanmıştır37. Manyetoterapi ile ilgili olarak, bu uyaranın implantların konak dokularla entegrasyonunu iyileştirdiği, iyileşme süreçlerini hızlandırdığı, ağrıyı lokal olarak hafiflettiği ve skar gücünü artırdığı açıklanmıştır8,38.
Yukarıda belirtilenler göz önüne alındığında, doku mühendisliğinde yaralı dokuları iyileştirmek için alternatif bir terapötik teknik olarak in vitro düzeyde biyomalzemeler, hücre kültürü ve EF'ler ve MF'ler gibi dış biyofiziksel uyaranların kombinasyonu8,39. Bununla birlikte, ister sağlıklı ister travmatik patolojilerden etkilenerek farklı dokuları uyarmaya yardımcı olan bir biyoreaktör bulmak zordur. Bu kapsamda mevcut protokol ile hem elektriksel hem de manyetik uyarıcıların geliştirilmesi amaçlandı. Şu anda, EF'leri uygulamak için iki olası şema vardır. İlk yöntem, hücre geçişini ve oryantasyonunu değerlendirmek için kullanılan doğrudan kavrama sistemleri aracılığıyla EF'ler üretmekten oluşur40,41,42. Bununla birlikte, hücre kültürü ortamının temas halinde elektrotlar tarafından biyouyumsuzluğunda değişiklikler, pH ve moleküler oksijen seviyelerinde olası değişiklikler gibi sınırlamalar vardır1. Ayrıca, doğrudan bağlantılı stimülasyon yüksek frekanslı sinyalleri güçlendiremez. Çıkış zamana göre değişme eğilimindedir ve besleme voltajı değişiklikleri oluşturur. Çok az sıcaklık stabilitesine sahiptir, bu nedenle çalışma noktaları değişir ve düşük frekanslarda kondansatör arızalanır ve açık devre görevi görür43. Bu sınırlamalar göz önüne alınarak, harici paralel elektrotların kullanıldığı ikinci yöntem uygulandı. Bu dolaylı kavrama sistemi yöntemi hücre çoğalması ve moleküler sentez3, 7 ,17,22,44,45'te bir artış olduğunu kanıtlamıştır; ancak, farklı yazarlar tarafından geliştirilen cihazlar, homojen EF'leri dağıtmak için elektrotların boyutunu dikkate almamaktadır. Örneğin, cihazlar belirli hücreleri ve dokuları uyarmada kullanımlarını sınırlayan sabit voltajlar ve frekanslar oluşturur. Buna göre, bu çalışmada elektrotların büyüklüğü, EF'lerin biyolojik dokular üzerinde homojen bir dağılımını sağlamak için modellenmiştir. Buna ek olarak, bir devre elektrotlar arasında bir frekans ve yüksek voltaj oluşturmak için tasarlanmıştır, hücre kültürü kuyu plakaları ve havanın empedansının neden olduğu sınırlamaların üstesinden gelen farklı EF'ler yaratmıştır.
Solenoid bobinler, inkübatör içindeki biyolojik örnekleri uyarmak için kullanılabilecek çok yönlü cihazlardır ve atmosferik koşulların biyolojik örneklerin fizyolojik özelliklerini etkilemeden sabit kalmasını sağlar. Bu avantaj, solenoid bobinlerin Helmholtz bobinlerinden daha uygun alternatifler olduğunu ortaya çıkarır, çünkü bunların boyutu daha büyük olması gerekir, inkübatörlerin içindeki stimülasyonu önler46. İnkübatör dışındaki biyolojik örneklerin uyarılması, hücre kültürü kontaminasyonu, hücre stresi, kültür medyasının pH değişiklikleri gibi çeşitli sorunlara yol açabilir. Çeşitli hücre tiplerini ve dokularını uyarmak için farklı uyarıcı cihazların geliştirildiği göz önüne alındığında24,25,26,27, MF yoğunluklarının çok çeşitli biyolojik örnekleri uyarmak için değiştirilebilir cihazlar oluşturmakla ilgilidir29,30. Buna göre, bu protokolde manyetik stimülatör, dirençlerini ve akımlarını, MF'lerin üretimiyle doğrudan ilişkili parametreleri değiştirerek solenoidden akan akımı değiştirebilen bir rezota bağlanır. Manyetik cihazlar oluşturma anında göz önünde bulundurulacak bir diğer önemli özellik de MF'lerin dağılımıdır. Burada, solenoid bobinin içindeki MF dağılımını simüle etmek için bir hesaplama simülasyonu kullanıldı. Bu simülasyon, bakır telin dönüş sayısını ve bobinin ortasında homojen MF'ler üretmek için bobinin uzunluğunu hesaplamaya izin sağladı. Hesaplama simülasyon, uyarılacak biyolojik numunelerin sayısını hesaplamak için yararlı bir araçtır ve tüm örneklerin aynı alan gücünü almasını sağlar47.
Bu protokolde geliştirilen biyofiziksel uyarıcıların bazı sınırlamaları vardır. İlk olarak, elektrik stimülatörü için tasarlanan elektronik devre, belirli bir frekansta dört çıkış voltajı üretir. Devre elektrotlar arasında yüksek voltaj üretme sınırlamasını aşsa da1, değişken voltajlar ve frekanslar üretmek için geliştirilebilir. Devre, denklemi kullanarak dirençleri veya kapasitörleri hesaplamak için farklı frekanslar oluşturmak için değiştirilebilir (1); ancak, direnç değerini manuel olarak değiştirmek için değişken dirençler kullanmak mümkündür. Benzer şekilde, çıkış voltajını değiştirmek için devrenin amplifikasyon aşamasında değişken bir direnç kullanılabilir. İkincisi, elektrik stimülatörlerinin elektronik devresi sinüzoidal sinyaller üretir. Kare, üçgen, yamuk ve rampa gibi farklı türde sinyaller oluşturmak yararlı olacaktır, çünkü bu tür sinyaller çok çeşitli hücreleri ve biyolojik örnekleri uyarmak için kullanılabilir48,49. Farklı tipte sinyaller üretmek için, operasyonel amplifikatör, düşük genlik ile yüksek stabilite ve doğrulukta yüksek kaliteli dalga formları üretebilen monolitik bir fonksiyon jeneratörü ile değiştirilebilir ve amplifikasyon aşaması ters çevrilmeyen bir operasyonel amplifikatör veya NPN transistörlü bir aşama ile değiştirilebilir. Üçüncüsü, manyetik stimülatör küçük MF büyüklükleri üretse de, bu yoğunlukların biyolojik numunelerin dinamikleri üzerinde doğrudan etkisi olduğu kanıtlanmıştır24,28,30,38; bununla birlikte, manyetik cihaz, çok çeşitli biyolojik dokuları uyarmak için değişken MF'ler ve frekanslar üretecek şekilde geliştirilebilir29.
Genel olarak, bu protokol biyolojik dokuların biyofiziksel uyarılması üzerinde çalışan bilim topluluğuna teknolojik bir katkı sağlayan yararlı bir araçtır. Bu cihazlar, araştırmacıların sağlıklı biyolojik dokuların veya belirli bir patoloji tarafından değiştirilenlerin işlevini uyarmak için EF'leri ve MF'leri kullanmalarına izin verecektir. Daha sonraki in vivo çalışmalarda, elektrot büyüklüğü, bobinin dönüş sayısı, uyaran mukavemeti ve stimülasyon süreleri gibi farklı parametreler ve değişkenler domuz, buzağı, kobay veya tavşan gibi hayvanlarda hem EF'leri hem de MF'leri homojen bir şekilde dağıtmak için belirlenecektir. Ek olarak, bu protokolde tasarlanan biyoreaktörler, otolog hücre implantasyonu gibi rejeneratif teknikleri geliştirmek için klinik ayarlara tahmin edilebilir. Burada biyoreaktörler, hastaya implante edilmeden önce hücrelerin, dokuların ve iskelelerin hücresel ve moleküler özelliklerini iyileştirmek için in vitro düzeyde biyolojik örnekleri uyararak önemli bir rol oynayabilirler.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar çıkar çatışması olmadığını beyan ederler.
Acknowledgments
Yazarlar tarafından sağlanan mali desteğe teşekkür eder "Fondo Nacional de Financiamiento para la Ciencia, la Tecnología, y la Innovación -Fondo Francisco José de Caldas- Minciencias" ve Universidad Nacional de Colombia 80740-290-2020 sayılı hibe ve valteam Tech - Research and Innovation tarafından videonun baskısında ekipman ve teknik destek sağlamak için alınan destek aracılığıyla.
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 |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Escobar, J. F., et al. In Vitro Evaluation of the Effect of Stimulation with Magnetic Fields on Chondrocytes. Bioelectromagnetics. 41 (1), 41-51 (2019).
- 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).
- 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).
- Xia, Y., et al. Magnetic field and nano-scaffolds with stem cells to enhance bone regeneration. Biomaterials. 183, 151-170 (2018).
- 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).
- Miyakoshi, J. Effects of static magnetic fields at the cellular level. Progress in Biophysics and Molecular Biology. 87, 213-223 (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Vanessa, N., et al. In vitro exposure of human chondrocytes to pulsed electromagnetic fields. European Journal of Histochemistry. 51 (3), 203-211 (2007).
- Pezzetti, F., et al. Effects of pulsed electromagnetic fields on human chondrocytes: An in vitro study. Calcified Tissue International. 65 (5), 396-401 (1999).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Enoch, S., Grey, J. E., Harding, K. G. ABC of wound healing. Non-surgical and drug treatments. BMJ. 332 (7546), 900-903 (2006).
- Bhosale, A. M., Richardson, J. B. Articular cartilage: Structure, injuries and review of management. British Medical Bulletin. 87 (1), 77-95 (2008).
- 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).
- Massari, L., et al. Biophysical stimulation of bone and cartilage: state of the art and future perspectives. International Orthopaedics. 43 (3), 539-551 (2019).
- 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).
- Hunckler, J., de Mel, A. A current affair: electrotherapy in wound healing. Journal of Multidisciplinary Healthcare. 10, 179-194 (2017).
- 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).
- 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).
- Chao, P. H., et al. Chondrocyte translocation response to direct current electric fields. Journal of Biomechanical Engineering. 122 (3), 261-267 (2000).
- 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).
- 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).
- Singh, B., Dixit, A. Multistage amplifier and tuned amplifier. Analog Electronics. , Laxmi publications (P) LTD. Boston, MA. 87-131 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- Glinka, M., et al. Test chambers for cell culture in static magnetic field. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 331, 208-215 (2013).
- 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).
- 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).
