本方案详细描述了构建用于刺激生物组织的电刺激器和磁刺激器的逐步过程。该方案包括电场和磁场的计算机模拟指南以及刺激装置的制造方法。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文内容
摘要
摘要
电场（EFs）和磁场（MFs）在组织工程中被广泛用于改善细胞的动态行为，例如增殖、迁移、分化、形态以及分子合成。然而，在对细胞、组织或支架进行刺激时，需要考虑此类刺激的强度和刺激时间等变量。由于电场和磁场会因细胞反应的不同而变化，目前尚不明确如何构建能够产生适当生物物理刺激以作用于生物样本的装置。事实上，当施加生物物理刺激时，关于其计算方法和分布情况的证据仍然缺乏。本实验方案专注于设计和制造用于产生电场和磁场的装置，并建立一种计算方法，以预测生物样本内外部生物物理刺激的分布情况。电场装置由两个平行的不锈钢电极组成，分别位于生物培养物的顶部和底部。电极连接至一个振荡器，以在60 kHz频率下产生电压（50、100、150和200 Vp-p）。磁场装置由一个线圈构成，通过变压器供电，在60 Hz频率下产生电流（1 A）和电压（6 V）。使用聚甲基丙烯酸甲酯支架将生物培养物置于线圈中央。计算模拟结果揭示了电场和磁场在生物组织内部及外部的均匀分布特性。该计算模型是一种具有前景的工具，可通过调整电压、频率、组织形态、培养板类型、电极和线圈尺寸等参数，来估算实现特定细胞反应所需的电场和磁场条件。
引言
已证明电场（EFs）和磁场（MFs）能够改变细胞动态，促进细胞增殖，并增加与组织细胞外基质相关的主要分子的合成1。这些生物物理刺激可通过特定设置和设备以不同方式施加。关于产生电场的设备，直接耦合刺激器使用与体外生物样本接触或直接植入动物及患者体内组织的电极2；然而，仍存在一些局限性和缺陷，包括电极接触导致的生物相容性不足、pH值以及分子氧水平的变化1。相反，间接耦合设备在两个电极之间产生电场，电极平行放置于生物样本两侧3，从而提供一种非侵入性替代技术来刺激生物样本，避免组织与电极的直接接触。此类设备可推广至未来的临床应用，以实现对患者创伤最小化的操作。关于产生磁场的设备，感应耦合刺激器产生随时间变化的电流，该电流流经环绕细胞培养物的线圈4,5。最后，还存在组合式设备，利用电场和静态磁场共同产生瞬态电磁场1。鉴于存在多种刺激生物样本的配置方式，在施加生物物理刺激时必须考虑电压和频率等变量。电压是一个重要变量，因其影响生物组织的行为；例如，已有研究表明细胞迁移、定向和基因表达依赖于所施加电压的幅值3,
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
方案
1. 电场和磁场的模拟
注意：电场和磁场的模拟在 COMSOL Multiphysics 中进行。
- 选择轴对称的二维构型来表示电场和磁场两个领域。
- 在物理场设置中，选择电流接口以计算平行电极间的电场，或选择磁场接口以计算线圈周围的磁场。
- 在研究设置中，选择频域以计算一个或多个频率下受简谐激励的线性或线性化模型的响应。
- 进入接口开始构建模型后，请根据所关注的模型类型执行以下步骤。
- 构建电场模型
- 创建几何结构。在模型构建器中选择几何。然后，找到单位部分并选择mm。在几何工具栏中选择矩形，并在矩形窗口设置中的尺寸和形状框内输入各组件的尺寸。该几何结构由空气、两个平行电极、培养板、培养基以及生物样本组成，其中生物样本在此以透明质酸-明胶水凝胶支架表示（各元件尺寸见表1）。所有几何结构创建完成后，点击构....
- 构建电场模型
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
计算模拟
电场（EFs）和磁场（MFs）的分布如图3所示。一方面，可以观察到电容系统中电场的均匀分布（图3A）。通过绘制电场分布图，可详细观察生物样本内部电场的强度（图3B）。该模拟有助于参数化电极尺寸并指导其制造，以避免边缘效应。另一方面，可以观察到由螺线管线圈产生的磁场的均匀分布（图3C）。通过绘制磁场分布图，可详细观察线圈内部磁场的强度（图3D）。该模拟对于测量磁场保持一致的距离并设计聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）支撑结构至关重要。该支撑结构不仅确保线圈中心处磁场的均匀分布，也确保待刺激生物样本中的磁场均匀性。
电刺激器和磁刺激器产生的信号
电刺激器产生的输出信号如
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
用于治疗影响人体组织不同病理状况的方法包括药物疗法32或外科手术干预33，旨在局部缓解疼痛或通过移植体或移植物替代受损组织。近年来，自体细胞治疗被提出作为一种治疗损伤组织的替代疗法，该方法从患者体内分离细胞，并通过体外技术进行扩增，随后将其植入损伤部位34。鉴于自体细胞治疗已被证明对组织修复具有直接促进作用，研究人员已开发出多种策略以提高该技术的有效性。例如，生物物理刺激已被用作一种非侵入性替代疗法，用于刺激多种生物样本，通过促进细胞增殖和分子合成来调节细胞功能35,36。在常用的生物物理刺激中，电刺激和磁疗已被广泛应用于刺激细胞、组织移植体及支架材料。已有证据表明，电刺激可减轻疼痛并加速多种组织的愈合过程37。关于磁疗，已有研究报道该刺激可改善植入物与宿主组织的整合、加快愈合过程、局部缓解疼痛并增强瘢痕强度
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
作者声明不存在利益冲突。
致谢
作者感谢"Fondo Nacional de Financiamiento para la Ciencia, la Tecnología, y la Innovación -Fondo Francisco José de Caldas- Minciencias"以及哥伦比亚国立大学通过项目编号80740-290-2020提供的资金支持，同时感谢Valteam Tech - Research and Innovation 在视频编辑过程中提供的设备和技术支持。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 电刺激器 | |||
| 运算放大器 | Motorola | LF-353N | ---- 数量：1 |
| 电阻器 | ---- | ---- | 22 kΩ 数量：1 |
| 电阻器 | ---- | ---- | 10 kΩ 数量：3 |
| 电阻器 | ---- | ---- | 2.6 kΩ 数量：2 |
| 电阻器 | ---- | ---- | 2.2 kΩ 数量：1 |
| 电阻器 | ---- | ---- | 1 kΩ 数量：1 |
| 电阻器 | ---- | ---- | 220 Ω 数量：2 |
| 电阻器 | ---- | ---- | 22 Ω 数量：5 |
| 电阻器 | ---- | ---- | 10 Ω 数量：1 |
| 电阻器 | ---- | ---- | 6.8 Ω 数量：1 |
| 电阻器 | ---- | ---- | 3.3 Ω 数量：2 |
| 聚酯电容器 | ---- | ---- | 1 nF 数量：2 |
| 聚酯电容器 | ---- | ---- | 100 nF 数量：1 |
| 甚高频波段放大器场效应晶体管（JFET） | Toshiba | 2SK161 | ---- 数量：1 |
| 功率双极结型晶体管（BJT）NPN | Mospec | TIP 31C | ---- 数量：1 |
| 齐纳二极管 | Microsemi | 1N4148 | ---- 数量：1 |
| 开关 | Toogle Switch | SPDT - T13 | ---- 数量：3 |
| 环形铁氧体磁芯 | Caracol | ---- | T*22*14*8 数量：1 |
| 铜线 | Greenshine | ---- | AWG – 24 数量：1 |
| 带母端外壳的Relimate接头 | ADAFRUIT | ---- | 8针连接器 数量：1 |
| 带母端外壳的Relimate接头 | ADAFRUIT | ---- | 2针连接器 数量：1 |
| 母插式端子连接器 | JIALUN | ---- | 4 mm灯笼插头（插头+插座）15 A 数量：1 |
| 铝制散热片 | AWIND | ---- | 适用于TIP 31C晶体管 数量：1 |
| 发光二极管（LED） | CHANZON | ---- | 5 mm红色 数量：1 |
| 集成电路插座连接器 | Te Electronics Co., Ltd. | ---- | 双排8针DIP 数量：1 |
| 3针连接器套装 | STAR | ---- | JST PH 2.0 数量：3 |
| 2针螺钉连接器 | STAR | ---- | 用于PCB 数量：1 |
| 3针螺钉连接器 | STAR | ---- | 用于PCB 数量：1 |
| 香蕉插孔测试导线 | JIALUN | ---- | P1041 - 4 mm - 15 A 数量：7 |
| 子弹式连接器转香蕉插头充电导线 | JIALUN | ---- | 4 mm公对公/母对母适配器 - 15 A 数量：1 |
| 外壳 | ---- | ---- | ABS 数量：1 |
| 电极 | ---- | ---- | 不锈钢–钢 数量：2 |
| 电极支架 | ---- | ---- | 聚四氟乙烯（Teflon） 数量：2 |
| 印刷电路板 | 数量：1 | ||
| 磁刺激器 | |||
| 铜线 | Greenshine | ---- | AWG – 18 数量：1 |
| 交流电源插头 | ---- | ---- | 120 V AC – 60 Hz 数量：1 |
| 香蕉母插孔测试导线 | JIALUN | ---- | 1套双注塑 - 4 mm – 15 A 数量：2 |
| 香蕉公插孔测试导线 | JIALUN | ---- | 1套双注塑 - 4 mm 15 A 数量：1 |
| 细胞培养板支架 | ---- | ---- | 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA） 数量：1 |
| 保险丝 | Bussmann | 2A | ---- 数量：1 |
| 变压器 | ---- | ---- | 1A – 6 V AC 数量：1 |
| 管子 | ---- | ---- | 聚氯乙烯（PVC） 数量：1 |
| 可变变阻器 | MCP | BXS150 | 10 Ω 数量：1 |
| 通用设备 | |||
| 数字双电源 | PeakTech | DG 1022Z | 2 x 0 - 30 V / 0 - 5 A 恒流 / 5 V / 3 A 固定 数量：1 |
| 数字示波器 | Rigol | DS1104Z Plus | 100 MHz带宽，4通道 数量：1 |
| 数字万用表 | Fluke | F179 | 直流/交流电压（1000 V），直流/交流电流（10 A），频率100 kHz– CA 10 A. 频率 100 kHz– CA 10 A. 频率 100 kHz 数量：1 |
参考文献
- 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....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
