Name: electric and magnetic field devices for stimulation of biological tissues
Uploaded: 2021-05-15T15:00:00
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作者感谢"国家金融基金会"提供的财政支持， 通过第80740-290-2020号赠款和 Valteam技术-研究与创新 为提供视频版设备和技术支持而获得的支持。

1. 模拟 PF 和 MF
注：在COMSOL多物理中对EF和MF进行了模拟。
<ol><li>选择轴对称的 2D 配置以表示电域和磁性两个域。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>一旦进入界面开...

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?...

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的振幅。频率在生物物理刺激中起着重要作用，因为已经证明这些频率在体内自然发生。结果表明，高频率和低频对细胞有有益作用：特别是在细胞膜电压门钙通道或内质视网膜中，在细胞内1级、7级、11级触发不同的信号通路。
根据上述情况，用于生成 EF 的设备由连接到两个并行电容器12的电压发生器组成。该装置由阿姆斯特朗等人实施，以刺激13号软骨细胞的增殖率和分子合成。布赖顿等人对该设备进行了改造，他们通过钻取顶部和底部盖子来修改细胞培养井板。孔由盖片填充，底部玻璃用于培养生物组织。每个盖片上都放置电极以生成14EFs 。该装置用于电刺激软骨细胞、骨细胞和软骨系外植，显示细胞增殖增加14、15、16和分子合成3、17。Hartig等人设计的设备由波浪发生器和电压放大器组成，与并行电容器相连。电极由位于绝缘箱中的优质不锈钢制成。该装置用于刺激骨细胞，显示增殖和蛋白质分泌显著增加18。Kim等人使用的设备由双相电流刺激器芯片组成，该芯片采用高压金属氧化物互补半导体的制造工艺制造。培养井板被设计成在导电表面用电刺激培养细胞。电极被涂在镀金硅板19。该装置用于刺激骨细胞，显示血管内皮生长因子19的增殖和合成增加，刺激碱性磷酸活性、钙沉积和骨致癌蛋白20的产生。同样，该装置用于刺激人体骨髓骨髓中微血干细胞21的血管内皮生长因子的增殖率和表达。中尾等人设计的装置由连接到铂板的电压发生器组成。电极的建造是为了测量24个不同点的电能。该装置用于刺激软体细胞，表明EF没有改变细胞形态和增加增殖和分子合成22。Au等人使用的设备包括一个玻璃室，内有两根碳棒，与装有铂金线的心脏刺激器相连。这种刺激器用于刺激心肌细胞和成纤维细胞，改善细胞拉长和成纤维细胞对齐23。
基于赫尔姆霍尔茨线圈制造了不同的MF设备，以刺激几种类型的生物样本。例如，Helmholtz线圈已用于刺激软骨细胞24、25的增殖和分子合成，增强关节软骨去除植物26的蛋白体合成，改善与骨细胞形成相关的基因调节27，增加内皮细胞28的增殖和分子表达。赫尔姆霍尔茨线圈在位于另一个线圈前面的两个线圈中生成 MFs。线圈必须放置在等于线圈半径的距离内，以确保同质 MF。使用赫尔姆霍尔茨线圈的缺点在于线圈尺寸，因为它们需要足够大才能产生所需的 MF 强度。此外，线圈之间的距离必须足够，以确保MF在生物组织周围的均匀分布。为了避免赫尔姆霍尔茨线圈引起的问题，不同的研究一直集中在电磁阀线圈制造上。电磁线圈基于一根管子，该管用铜线缠绕以生成 MFs。铜线输入可以直接连接到插座或电源，为线圈通电，并在电磁阀中心创建 MFs。线圈的转弯越多，产生的 MF 就越大。MF 级级还取决于施加的电压和电流来为线圈29通电。电磁线圈已被用来刺激磁性不同类型的细胞，如赫拉，HEK293和MCF730或中微细胞干细胞31。
不同作者使用的设备没有考虑电极的足够大小或线圈的正确长度，以均匀地分布EF和MF。此外，设备产生固定电压和频率，限制其用于刺激特定的生物组织。因此，在此协议中执行计算模拟指南，以模拟电容系统和线圈，以确保 EF 和 MF 在生物样本上的均匀分布，从而避免边缘效应。此外，还表明电子电路的设计在电极和线圈之间产生电压和频率，从而产生EF和MF，从而克服电池培养井板和空气阻塞造成的局限性。这些修改将允许创建非侵入性和自适应性生物反应器来刺激任何生物组织。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Electrical stimulator</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Operational amplifier</td>
			<td>Motorola</td>
			<td>LF-353N</td>
			<td>---- 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Resistors</td>
			<td>----</td>
			<td>----</td>
			<td>22 k&#937; 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Resistors</td>
			<td>----</td>
			<td>----</td>
			<td>10 k&#937; 
			Quantity: 3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Resistors</td>
			<td>----</td>
			<td>----</td>
			<td>2.6 k&#937; 
			Quantity: 2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Resistors</td>
			<td>----</td>
			<td>----</td>
			<td>2.2 k&#937; 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Resistors</td>
			<td>----</td>
			<td>----</td>
			<td>1 k&#937; 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Resistors</td>
			<td>----</td>
			<td>----</td>
			<td>220 &#937; 
			Quantity: 2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Resistors</td>
			<td>----</td>
			<td>----</td>
			<td>22 &#937; 
			Quantity: 5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Resistors</td>
			<td>----</td>
			<td>----</td>
			<td>10 &#937; 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Resistors</td>
			<td>----</td>
			<td>----</td>
			<td>6.8 &#937; 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Resistors</td>
			<td>----</td>
			<td>----</td>
			<td>3.3 &#937; 
			Quantity: 2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polyester capacitors</td>
			<td>----</td>
			<td>----</td>
			<td>1 nF 
			Quantity: 2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polyester capacitors</td>
			<td>----</td>
			<td>----</td>
			<td>100 nF 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VHF Band Amplifier Transistor JFET</td>
			<td>Toshiba</td>
			<td>2SK161</td>
			<td>---- 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Power transistor BJT NPN</td>
			<td>Mospec</td>
			<td>TIP 31C</td>
			<td>---- 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Zener diode</td>
			<td>Microsemi</td>
			<td>1N4148</td>
			<td>---- 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Switch</td>
			<td>Toogle Switch</td>
			<td>SPDT - T13</td>
			<td>---- 
			Quantity: 3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Toroidal ferrite core</td>
			<td>Caracol</td>
			<td>----</td>
			<td>T*22*14*8 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cooper wire</td>
			<td>Greenshine</td>
			<td>----</td>
			<td>AWG &#8211; 24 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Relimate header with female housing</td>
			<td>ADAFRUIT</td>
			<td>----</td>
			<td>8 pin connectors 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Relimate header with female housing</td>
			<td>ADAFRUIT</td>
			<td>----</td>
			<td>2 pin connectors 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Female plug terminal connector</td>
			<td>JIALUN</td>
			<td>----</td>
			<td>4mm Lantern Plugs (Plug + Socket) 15 A 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aluminum Heat Sink</td>
			<td>AWIND</td>
			<td>----</td>
			<td>For TIP 31C transistor 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Led</td>
			<td>CHANZON</td>
			<td>----</td>
			<td>5 mm red 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Integrated circuit socket connector</td>
			<td>Te Electronics Co., Ltd.</td>
			<td>----</td>
			<td>Double row 8-pin DIP 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3 pin connectors set</td>
			<td>STAR</td>
			<td>----</td>
			<td>JST PH 2.0 
			Quantity: 3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2 pin screw connectors</td>
			<td>STAR</td>
			<td>----</td>
			<td>For PCB 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3 pin screw connectors</td>
			<td>STAR</td>
			<td>----</td>
			<td>For PCB 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Banana connector test lead</td>
			<td>JIALUN</td>
			<td>----</td>
			<td>P1041 - 4 mm - 15 A 
			Quantity: 7</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bullet connectors to banana plug charge lead</td>
			<td>JIALUN</td>
			<td>----</td>
			<td>4 mm male-male/female-female adapters - 15 A 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Case</td>
			<td>----</td>
			<td>----</td>
			<td>ABS 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electrodes</td>
			<td>----</td>
			<td>----</td>
			<td>Stainless &#8211; steel 
			Quantity: 2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electrode support</td>
			<td>----</td>
			<td>----</td>
			<td>Teflon 
			Quantity: 2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Printed circuit board</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnetic stimulator</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cooper wire</td>
			<td>Greenshine</td>
			<td>----</td>
			<td>AWG &#8211; 18 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AC power plugs</td>
			<td>----</td>
			<td>----</td>
			<td>120 V AC &#8211; 60 Hz 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Banana female connector test lead</td>
			<td>JIALUN</td>
			<td>----</td>
			<td>1Set Dual Injection - 4 mm &#8211; 15 A 
			Quantity: 2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Banana male connector test lead</td>
			<td>JIALUN</td>
			<td>----</td>
			<td>1Set Dual Injection - 4 mm 15 A 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cell culture well plate support</td>
			<td>----</td>
			<td>----</td>
			<td>PMMA 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fuse</td>
			<td>Bussmann</td>
			<td>2A</td>
			<td>---- 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Transformer</td>
			<td>----</td>
			<td>----</td>
			<td>1A &#8211; 6 V AC 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tube</td>
			<td>----</td>
			<td>----</td>
			<td>PVC 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Variable rheostat</td>
			<td>MCP</td>
			<td>BXS150</td>
			<td>10 &#937; 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>General equipment</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digital dual source&#160;</td>
			<td>PeakTech</td>
			<td>DG 1022Z</td>
			<td>2 x 0 - 30 V / 0 - 5 A CC / 5 V / 3 A fijo 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digital Oscilloscope</td>
			<td>Rigol</td>
			<td>DS1104Z Plus</td>
			<td>100 MHz, bandwidth, 4 channels 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digital multimeter</td>
			<td>Fluke</td>
			<td>F179</td>
			<td>Voltage CC &#8211; CA (1000 V). Current CC &#8211; CA 10 A. Frequency 100 kHz 
			Quantity: 1</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

electric and magnetic field devices for stimulation of biological tissues

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。

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...

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Electric and Magnetic Field Devices for Stimulation of Biological Tissues

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。

用于刺激生物组织的电动和磁场设备

Electric fields (EFs) and magnetic fields (MFs) have been widely used by tissue engineering to improve cell dynamics such as proliferation, migration, ...

生物物理刺激已经被用来刺激不同组织的细胞和分子动力学。某些研究评估了电场和磁场对不同类型细胞的影响，如软骨细胞、骨细胞和成纤维细胞、组织植入物和脚手架。虽然在刺激生物组织的具体特征下开发了不同的刺激装置，但有必要确认电和磁性装置，其中电压和频率可以变化，以刺激广泛的生物样本。在COMSOL多物理中进行了验证电场分布的计算模拟。在这里，使用轴测配置来模拟电容系统，该电容系统由两个平行电极组成，即空气、我们的培养井板、培养介质和生物样本，在这种情况下，这些电容系统由脚手架表示。每个元素的材料特性是导电性和相对许可性。施加的电压设置为 100 伏特，而频率设置为 60 千赫正弦 Wien。引入所有参数后，计算模型以观察所有表面的电场分布。为了更详细地观察电场分布，可以将电场插入整个系统、脚手架内、文化介质、空气中、文化井板内和电极外。电路将产生电场，是基于桥温振荡器。这是一个 RCnonthian 面部芯片序列，它同时使用正反馈和负反馈。桥温振荡器由一个点燃的实验室网络组成，该网络是一个反应电压，其中输入电压由R5和C2系列组合以及R6和C3并行组合进行划分。为了计算频率，我们使用共振频率方程，其中 F 子零是等于 R5 的频率 R 等于 R6 的电阻器，C 等于 C2 和 C3 的频率 R 是电容器。该电路的设计使电阻电压分割增加时，增加的振幅输出和电阻电压分裂减少时，他们输出电压降低的振幅。因此，放大器的电压增益自动启动输出信号的振幅变化。然后计算出电阻器的组合产生四个上电压。最后，在使用变压器放大信号之前，已实施信号整改阶段。一旦电路被模拟，彩绘电路板被制造出来，因此振荡器产生的最终鼻窦信号是绘图。一旦电路被模拟，下一步是在这里的面包板上建造温桥振荡器，我们可以测试四个输出电压和产生电路的频率。然后，我们在印刷电路板中制造振荡器，我们为里德·柯蒂斯格式和电阻器，我们使用的电压振荡器产生。最后，我们在这里为电路指标准备了最终的装配。测试电气刺激装置的第一步是验证电源的输出电压，我们并行调节电源，测量地面与正负终端之间 12 和 12 伏特的输出电压。一旦输出电压得到验证，我们就可以着手连接电刺激器设备当前输入的电源的每个输出。白色电缆是地面。黑色电缆为负电压。红色电缆是正电压。为了测试产生电刺激装置的输出信号，我们在电极中间定位了一个培养井板。此后，我们将电气刺激器设备产生的输出电压连接到每个平行板。鉴于我们是在交替电流中工作，因此没有将振荡器的输出电压连接到平行板终端的严格顺序。为了验证输出信号，我们使用直接连接到每个电极的示波器。当 C 九被示波器捕获时，我们修改了信号的振幅和周期，以完全观察波。在此步骤中，可以验证电动刺激器设备产生的四个电压。50伏特，100伏特，150伏特和200伏特在60公斤赫兹，辛恩风论坛。与电场类似，还进行了计算模拟，以验证磁场分布。轴对称配置用于模拟由粘合线和空气组成的线圈。在这里，考虑了不同的材料属性，应用频率设置为 60 赫兹。引入所有参数后，计算模型以观察磁场分布。最后，执行了一张图表来观察磁场是如何在线圈中心均匀分布的。从安培定律中提取的电磁场方程用于计算磁场，其中真空 N 的磁渗透性是库珀导线的转弯次数。我是电流和 h '， 应按其直径分级， 是线圈的长度。选择这些参数的值来估计两毫米的磁场。生成磁场的电路进行了计算模拟。在这里，变压器直接连接到插座。使用可变电阻器对电流进行测定，并产生1毫米长的磁场。连接了保险丝以保护电路。进行计算后，多甲基甲基丙烯酸酯支撑和线圈建成 模拟完成后，我们制造了一种特殊的装置，以确保培养皿位于刺激装置的中间。之后，我们用PVC管制造出一枚450转导管的硬币，该管将位于文化中间，以确保线圈中间的同质磁场。之后，我们制造了一个输出为六伏特和一个安培的变压器，为电路通电。为了测试磁性模拟器设备，我们测量了线圈产生的电流。此测量通过将多米系列与线圈连接来执行。一旦我们验证电流约为一个安培变压器连接到线圈以关闭电路。此后，示波器连接到线圈的输出，以验证磁刺激产生的 60 赫兹正弦信号。当细胞培养物受到电刺激时，当培养介质对生物样本进行改变时，保持不育条件是相关的，因此有必要将选民引入机舱。一旦文化媒体改变文化井板位于电极上方。为了将细胞培养物返回孵化器，下电极位于一个稳定的表面上，将上电极放置在细胞培养物的顶部。然后，电气模拟器设备的输出电缆连接到每个电极的终点站。最后，选民被小心地安置在孵化器中，开始电刺激。当文化介质被更改为磁刺激的生物样本时，会考虑类似的无菌条件。在这里，35毫米的培养皿用于培养细胞、系外植物或脚手架。一旦文化介质发生变化，细胞培养需要定位到聚甲基甲基酸酯支持中。在这里，每个培养皿都位于另一个菜的上方。此后，线圈被小心地定位在支撑上，以覆盖细胞培养物。最后，磁刺激装置位于孵化器中，开始磁刺激。正如你所看到的，电动刺激器设备已经测试，以刺激软骨细胞和骨细胞。在这里，我们评估了增殖和分子合成。电动刺激器也已被测试，以刺激软骨炎，去菌体，以评估生长板的形态变化。此外，培养，进入尿酸和明胶水凝胶的中度干细胞已被电刺激，以评估致畸分化潜力。另一方面，他们的磁刺激器装置已被测试，以刺激软骨细胞，以评估增殖和分子合成。在这项研究中，我们开发的设备避免了电极与生物材料直接接触时的兼容性问题。此外，这类设备代表一个优势，因为它们防止了pH的变化和分子培养凝胶水平的降低。电压和频率是刺激生物组织时需要考虑的重要变量。一方面，有证据表明细胞动力学，如迁移、增殖、基因表达等，取决于施加电压的能力。另一方面，已经证明低频和高频率对细胞有影响，特别是在细胞膜通道的打开和关闭中，这些通道在额外的细胞内和细胞内触发不同的信号通路。总的来说，这种类似的设备可以推断到临床环境，以改善再生疗法，如细胞替代植入。这种类型的治疗结合体外和体内技术组织再生。在这里，电刺激器和磁性刺激器可以通过改善细胞、组织和脚手架的细胞和分子特性，在刺激生物材料方面发挥关键作用，然后再植入患者体内。

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