Los estímulos biofísicos se han utilizado para estimular la dinámica celular y molecular en diferentes tejidos. Algunos estudios han evaluado el impacto de los campos eléctricos y magnéticos en diferentes tipos de células como condrocitos, osteoblastos y fibroblastos, implantes tisulares y andamios. Aunque se han desarrollado diferentes dispositivos estimulantes bajo las características específicas para estimular los tejidos biológicos, es necesario confirmar dispositivos eléctricos y magnéticos en los que la tensión y la frecuencia podrían variar para estimular una amplia gama de muestras biológicas.
La simulación computacional para verificar la distribución del campo eléctrico se realizó en COMSOL Multiphysics. Aquí, se utilizó una configuración axisimétrica para simular el sistema capacitivo que está compuesto por dos electrodos paralelos, el aire, nuestra placa de pozo de cultivo, los medios de cultivo y la muestra biológica, que en este caso, ha sido representada por un andamio. Las propiedades materiales de cada elemento eran la conductividad eléctrica y la permisividad relativa.
La tensión aplicada se fijó en 100 voltios, mientras que la frecuencia se estableció en 60 kilohercios sine Wien para. Una vez introducidos todos los parámetros, el modelo se calcula para observar la distribución del campo eléctrico en todas las superficies. Para observar de una manera más detallada la distribución del campo eléctrico, es posible tapar el campo eléctrico en el sistema completo, dentro del andamio, en los medios culturales, en el aire, y dentro de la placa del pozo cultural y fuera de los electrodos.
El circuito generará los campos eléctricos, se basa en el oscilador wien puente. Esta es una secuencia RCnonthian de chip facial que utiliza retroalimentación positiva y negativa. El oscilador wien puente está compuesto por una red de laboratorio iluminada que es una tensión reactiva dividida en la que la tensión de entrada se divide por la combinación entre R5 y C2 en serie y por la combinación entre R6 y C3 en paralelo.
Para calcular la frecuencia, utilizamos una ecuación de frecuencia resonante donde F Sub-Zero es la frecuencia R igual a R5 igual a R6 son las resistencias y C igual a C2 y C3 son los capacitores. Este circuito está diseñado para que el voltaje resistivo dividido aumente cuando la salida que aumenta en amplitud y el voltaje resistivo dividido disminuye cuando disminuye el voltaje de salida en amplitud. Por lo tanto, la ganancia de tensión del amplificador comienza automáticamente los cambios de amplitud de la señal de salida.
A continuación, se calculó una combinación de resistencias para generar los cuatro voltajes superiores. Finalmente, se implementó una etapa de rectificación de señal antes para amplificar la señal con el transformador. Una vez simulado el circuito, la placa de circuito pintada fue fabricada como resultado de la señal sinusoidal final generada por el oscilador es parcela.
Una vez simulado el circuito, el siguiente paso es construir el oscilador de puente wien en una placa de pan aquí, podemos probar los cuatro voltajes de salida y la frecuencia que está generando el circuito. Luego fabricamos en una placa de circuito impreso el oscilador que hicimos para el formato Reed Curtis y las resistencias que utilizamos para los voltajes que genera el oscilador. Y finalmente tenemos aquí el montaje final para los indicadores del circuito.
El primer paso para probar el dispositivo estimulador eléctrico es verificar la tensión de salida de la fuente de alimentación para ello, ajustamos la fuente de alimentación en paralelo y medimos la tensión de salida de 12 y 12 voltios entre el suelo y los terminales positivos y negativos. Una vez verificada la tensión de salida podemos proceder a conectar cada salida de la fuente de alimentación en la entrada actual del dispositivo estimulador eléctrico. El cable blanco es el suelo.
El cable negro es el voltaje negativo. Y el cable rojo es el voltaje positivo. Para probar la señal de salida que está generando el dispositivo estimulador eléctrico, localizamos una placa de pozo de cultivo en medio de los electrodos.
A partir de entonces, conectamos las tensiones de salida generadas por el dispositivo estimulador eléctrico a cada placa paralela. Dado que estamos trabajando en corriente alterna no hay un orden estricto de conexión de la tensión de salida del oscilador a los terminales de la placa paralela. Para verificar la señal de salida utilizamos un Osciloscopio, que está conectado directamente a cada electrodo.
Cuando el C nueve es capturado por el Osciloscopio modificamos la amplitud y el período de la señal para observar la onda por completo. En este paso, es posible verificar las cuatro tensiones generadas por el dispositivo estimulador eléctrico. 50 voltios, 100 voltios, 150 voltios y 200 voltios a 60 kilos de Hertz, foro sinusoidal de viento.
Al igual que los campos eléctricos, se implementó una simulación computacional para verificar la distribución del campo magnético. Se utilizó una configuración axisymmetric para simular la bobina compuesta por el cable de cooperación y el aire. Aquí, se consideraron diferentes propiedades materiales y la frecuencia aplicada se estableció en 60 Hertz.
Después de introducir todos los parámetros, el modelo se calculó para observar la distribución del campo magnético. Finalmente, se realizó un diagrama para observar cómo el campo magnético se distribuye homogéneamente en el centro de la bobina. La ecuación de campo solenoide, derivada de la Ley de Ampere se utilizó para calcular el campo magnético donde está la permeabilidad magnética del vacío N'is el número de giros del cable Cooper.
Yo soy la corriente y h'que se calificará en su diámetro, es la longitud de la bobina. Los valores de estos parámetros fueron elegidos para estimar un campo magnético de dos milímetros. El circuito para generar los campos magnéticos fue simulado computacionalmente.
Aquí, el transformador está conectado directamente a la toma de corriente. Se utilizó una resistencia variable para cuerpo la corriente y generar los campos magnéticos de 1 milímetro de largo. Se conectó un fusible para proteger el circuito.
Una vez realizados los cálculos, se construyó el soporte de metacrilato de polimetilo y la bobina Después de realizar la simulación fabricamos un dispositivo especial para garantizar que las placas Petri se van a ubicar en el medio del dispositivo de estimulación. Después de eso, fabricamos una moneda con 450 vueltas de cable cooper en un tubo de PVC que se va a ubicar en el medio de la cultura para asegurar un campo magnético homogéneo en el medio de la bobina. Después de eso, fabricamos un transformador con una salida de seis Voltios y un Ampere para energizar el circuito.
Para probar el dispositivo simulador magnético, medimos la corriente que la bobina está generando. Esta medida se realiza conectando el multímetro en serie con la bobina. Una vez que verificamos que la corriente es aproximadamente un Ampere el transformador está conectado a la bobina para cerrar el circuito.
A partir de entonces, el osciloscopio está conectado a las salidas de la bobina con el fin de verificar la señal sinusoidal a 60 Hertz que es generada por la estimulación magnética. Cuando los cultivos celulares se estimulan eléctricamente es relevante mantener las condiciones del esteril cuando se realizan cambios en los medios de cultivo en las muestras biológicas, por esta razón es necesario introducir a los electores en la cabina. Una vez que los medios de cultivo cambiaron la placa del pozo de cultivo se encuentra por encima del electrodo.
Para devolver los cultivos celulares a la incubadora, el electrodo inferior se encuentra sobre una superficie estable para colocar el electrodo superior en la parte superior del cultivo celular. A continuación, los cables de salida del dispositivo de simulador eléctrico están conectados a la terminal de cada electrodo. Finalmente, los electores están cuidadosamente ubicados en la incubadora para iniciar la estimulación eléctrica.
Condiciones estériles similares se consideran cuando los medios culturales se cambian a las muestras biológicas que están siendo estimuladas magnéticamente. Aquí, placas Petri de 35 milímetros se utilizan para cultivo de células, explantas o andamios. Una vez que se cambian los medios de cultivo, los cultivos celulares deben ubicarse en el soporte de polimetilmetrilato.
Aquí cada plato de Petri se encuentra uno encima del otro. A partir de entonces, la bobina se encuentra cuidadosamente sobre el soporte para cubrir los cultivos celulares. Finalmente, el dispositivo estimulador magnético se encuentra en la incubadora para iniciar la estimulación magnética.
Como se puede ver, el dispositivo estimulador eléctrico ha sido probado para estimular los condrocitos y osteoblastos. Aquí, hemos evaluado la proliferación y la síntesis molecular. El estimulador eléctrico también ha sido probado para estimular la condroepifisitis, explantas para evaluar los cambios morfológicos en la placa de crecimiento.
Además, cultivo, células STEM mesenquimales en ácido urónico e hidrogeles gelatinosos han sido estimulados eléctricamente para evaluar el potencial de diferenciación condrogénica. Por otro lado, su dispositivo estimulador magnético ha sido probado para estimular los condrocitos para evaluar tanto la proliferación como la síntesis molecular. Los dispositivos que desarrollamos, en este estudio evitan problemas de compatibilidad cuenta por los electrodos cuando están en contacto directo con el material biológico.
Además, este tipo de dispositivos representan una ventaja porque evitan los cambios en el pH y la reducción de los niveles de gel de cultivo molecular. El voltaje y las frecuencias son variables importantes a tener en cuenta en el momento de estimular los tejidos biológicos. Por un lado, ha sido evidencia de que la dinámica celular como la migración, proliferación, expresión génica entre otros, dependen de la aptitud de la tensión aplicada.
Por otro lado, se ha demostrado que las frecuencias bajas y altas tienen un efecto sobre las células especialmente en la apertura y cierre de los canales de membrana celular, que desencadenan diferentes vías de señal a niveles extra e intracelulares. En general, este dispositivo similar se puede extrapolar a entornos clínicos para mejorar las terapias regenerativas, como la implantación alternativa celular. Este tipo de tratamiento combina técnicas in vitro e in vivo para la regeneración de tejidos.
Aquí, los estimuladores eléctricos y magnéticos podrían desempeñar un papel clave en la estimulación de materiales biológicos mejorando las características celulares y moleculares de las células, tejidos y andamios antes de ser implantados en el paciente.
