用于刺激生物组织的电动和磁场设备

摘要

该协议描述了逐步构建用于刺激生物组织的电刺激器和磁刺激器的过程。该协议包括模拟计算电场和磁场以及制造刺激器设备的准则。

摘要

电场（EF）和磁场（MFs）已被组织工程广泛应用于改善细胞动力学，如增殖、迁移、分化、形态和分子合成。然而，在刺激细胞、组织或脚手架时，需要考虑这种刺激强度和刺激时间的变量。鉴于EFs和MF因细胞反应而异，尚不清楚如何制造产生足够生物物理刺激以刺激生物样本的设备。事实上，在应用生物物理刺激时，缺乏关于计算和分布的证据。该协议侧重于设计和制造产生EF和MF的设备，并实施计算方法，以预测生物样本内外的生物物理刺激分布。EF 装置由位于生物文化顶部和底部的两个平行不锈钢电极组成。电极连接到振荡器，在 60 kHz 下产生电压（50、100、150 和 200 Vp-p）。MF 设备由线圈组成，该线圈用变压器通电，在 60 Hz 时产生电流 （1 A） 和电压 （6 V）。建造了聚甲基甲基酸酯支撑，以定位线圈中间的生物培养物。计算模拟阐明了生物组织内外EF和MF的均匀分布。此计算模型是一个很有前途的工具，可以修改参数，如电压、频率、组织形态、井板类型、电极和线圈大小，以估计 EF 和 MFs 以实现蜂窝响应。

引言

EF和MF已被证明可以改变细胞动力学，刺激增殖和增加与组织¹细胞外基质相关的主要分子的合成。这些生物物理刺激可以通过使用特定的设置和设备以不同的方式应用。关于产生EFs的装置，直接耦合刺激器使用电极，这些电极与体外生物样本接触，或直接植入体内患者和动物的^组织中：然而，仍然存在一些局限性和缺陷，包括接触中的电极生物相容性不足、pH和分子氧水平^{的变化1。}相反，间接耦合装置在两个电极之间产生EF，它们与生物样品³平行放置，从而允许非侵入性替代技术刺激生物样品，避免组织和电极之间的直接接触。这种类型的设备可以推断到未来的临床应用，以执行程序，以最小的入侵病人。与生成 MF 的设备相关，感应耦合刺激器会产生时间变化的电流，电流流经位于细胞培养^{物 4、5}周围的线圈。最后，还有组合设备，它们使用EF和静态MF生成瞬态电磁场^1。鉴于刺激生物样本的配置不同，有必要考虑应用生物物理刺激时的张力和频率等变量。电压是一个重要的变量，因为它影响生物组织的行为：例如，已经表明，细胞迁移，方向和基因表达取决于施加电压^{3，6，7，8，9，10}....

研究方案

1. 模拟 PF 和 MF

注：在COMSOL多物理中对EF和MF进行了模拟。

1. 选择轴对称的 2D 配置以表示电域和磁性两个域。
2. 在物理配置中，选择 电流 接口以平行电极计算 PF，或选择 磁场 接口来计算线圈周围的 PF。
3. 在研究配置中，选择 频率域 来计算一个或几个频率受到谐波激发的线性或线性模型的反应。
4. 一旦进入界面开始构建模型，请根据兴趣模型遵循后续步骤。
   1. 为 EFs 构建模型
      1. 创建几何形状。在模型构建器中，选择几何形状。然后，找到单位部分，并选择毫米。在几何工具栏上，选择矩形，并在矩形窗口设置的大小和形状框中键入每个组件的尺寸。几何学由空气、两个平行电极、培养井板、培养介质和生物样本组成，在这种情况下，由透明质酸-明胶水凝胶的脚手架表示（见表1中每个元素的尺寸）。构建所有几何形状后，单击"构建所有对象

结果

计算模拟
3 图中显示了 EF 和 MF 的分布。一方面，可以观察电容系统（图3A）中EF的均匀分布。绘制了EF图，以详细观察生物样本（图3B）内场的大小。这种模拟有助于对电极的大小进行参数化，并制造它们以避免边缘效应。另一方面，可以观察电磁线圈（图3C）产生的MF的均匀分布。MF 被绘制为.......

讨论

用于治疗影响人体组织的不同病理的治疗方法是药理疗法³²或手术干预^33，寻求减轻局部疼痛或用外植或移植取代受影响的组织。最近，自体细胞疗法被提议作为治疗受伤组织的替代疗法，其中细胞从患者身上分离出来，并通过体外技术扩大，植入损伤³⁴的部位。鉴于自体细胞疗法已证明对组织恢复有直接影响，已开发出不同的策略，以提高该?.......

材料

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