Name: electric and magnetic field devices for stimulation of biological tissues
Uploaded: 2021-05-15T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Electric and Magnetic Field Devices for Stimulation of Biological Tissues at JoVE.com

De auteurs danken de financiële steun van "Fondo Nacional de Financiamiento para la Ciencia, la Tecnología, y la Innovación -Fondo Francisco José de Caldas- Minciencias" en Universidad Nacional de Colombia via de subsidie nr. 80740-290-2020 en de steun die Valteam Tech - Research and Innovation ontvangt voor het leveren van de apparatuur en technische ondersteuning in de editie van de video.

1. Simulatie van EFs en MFs
OPMERKING: Simulatie van EFs en MFs werd uitgevoerd in COMSOL Multiphysics.
<ol><li>Selecteer een asymmetrische 2D-configuratie om beide domeinen elektrisch en magnetisch weer te geven.</li>
	<li>Selecteer in de fysicaconfiguratie de interface Electric Current om EFs in parallelle elektroden te berekenen of de Magnetic Field-interface om MFs rond spoelen te berekenen.</li>
	<li>Selecteer in de studieconfiguratie Frequentie...

Behandelingen die worden gebruikt om verschillende pathologieën te genezen die menselijke weefsels aantasten, zijn farmacologische therapieën32 of chirurgische ingrepen33, die proberen pijn lokaal te verlichten of aangetaste weefsels te vervangen door explants of transplantaties. Onlangs is autologe celtherapie voorgesteld als een alternatieve therapie voor de behandeling van gewonde weefsels, waarbij cellen worden geïsoleerd van de patiënt en worden uitgebreid, door mi...

Het is aangetoond dat BF's en MF's de celdynamiek wijzigen, de proliferatie stimuleren en de synthese van de belangrijkste moleculen die geassocieerd zijn met de extracellulaire matrix van weefselsverhogen 1. Deze biofysische stimuli kunnen op verschillende manieren worden toegepast met behulp van specifieke instellingen en apparaten. Wat de voorzieningen voor het genereren van EFs betreft, gebruiken directe koppelingsstimulatoren elektroden die in vitro in contact komen met biologische monsters of rechtstreeks in weefsels van patiënten en dieren in vivo2worden geïmplanteerd ; er zijn echter nog steeds beperkingen en tekortkomingen die onvoldoende biocompatibiliteit omvatten door de elektroden in contact, veranderingen in de pH en moleculaire zuurstofniveaus1. Integendeel, indirecte koppelinrichtingen genereren EFs tussen twee elektroden, die parallel aan biologische monsters worden geplaatst3, waardoor een niet-invasieve alternatieve techniek biologische monsters kan stimuleren en direct contact tussen weefsels en elektroden kan worden vermeden. Dit type apparaat kan worden geëxtrapoleerd naar toekomstige klinische toepassingen om procedures uit te voeren met minimale invasie naar de patiënt. Met betrekking tot apparaten die MF's genereren, creëren inductieve koppelingsstimulatoren een tijdsverlengende elektrische stroom, die door een spoel stroomt die zich rond celculturen4,5bevindt . Ten slotte zijn er gecombineerde apparaten, die EFs en statische MF's gebruiken om tijdelijke elektromagnetische velden te genereren1. Gezien het feit dat er verschillende configuraties zijn om biologische monsters te stimuleren, is het noodzakelijk om variabelen zoals spanning en frequentie te overwegen wanneer biofysische stimuli worden toegepast. Spanning is een belangrijke variabele, omdat het het gedrag van biologische weefsels beïnvloedt; zo is bijvoorbeeld aangetoond dat celmigratie, oriëntatie en genexpressie afhankelijk zijn van de amplitude van toegepaste spanning3,6,7,8,9,10. Frequentie speelt een belangrijke rol bij biofysische stimulatie, omdat is aangetoond dat deze van nature in vivo voorkomen. Het is aangetoond dat hoge en lage frequenties gunstige effecten hebben op cellen; vooral in celmembraan spanning-gated calcium kanalen of endoplasmatisch reticulum, die verschillende signalering-paden activeren op intracellulair niveau1,7,11.
Volgens het bovenstaande bestaat een apparaat voor het genereren van EFs uit een spanningsgenerator die is aangesloten op twee parallelle condensatoren12. Dit apparaat werd geïmplementeerd door Armstrong et al. om zowel de proliferatieve snelheid als de moleculaire synthese van chondrocyten13te stimuleren. Een aanpassing van dit apparaat werd uitgevoerd door Brighton et al. die de putplaten van de celcultuur wijzigden door hun boven- en onderdeksels te boren. Gaten werden opgevuld door afdekglaasjes, waar de onderste glazen werden gebruikt om biologische weefsels te gekweekt. Op elke afdekschuif werden elektroden geplaatst om BF's te genereren14. Dit apparaat werd gebruikt om chondrocyten, osteoblasten en kraakbeen explants elektrisch te stimuleren, wat een toename van celproliferatie14,15, 16 en moleculairesynthese 3,17laat zien. Het door Hartig et al. ontworpen apparaat bestond uit een golfgenerator en een spanningsversterker, die waren aangesloten op parallelle condensatoren. Elektroden werden gemaakt van hoogwaardig roestvrij staal in een isolerende behuizing. Het apparaat werd gebruikt om osteoblasten te stimuleren, wat een significante toename van proliferatie en eiwitafscheidingaantoont 18. Het apparaat dat kim et al. gebruikten, bestond uit een bifasische stroomstimulatorchip, die werd gebouwd met behulp van een productieproces van complementaire halfgeleiders van hoogspanningsmetaaloxide. Een kweekputplaat is ontworpen om cellen te kweeken over een geleidend oppervlak met elektrische stimulatie. De elektroden werden bedekt in goud over siliciumplaten19. Dit apparaat werd gebruikt om osteoblasten te stimuleren, wat een toename van de proliferatie en de synthese van de vasculaire endotheelgroeifactor19laat zien en de productie van alkalische fosfataseactiviteit, calciumafzetting en botmorfogene eiwitten stimuleert20. Evenzo werd dit apparaat gebruikt om de proliferatieve snelheid en expressie van vasculaire endotheelgroeifactor van menselijke beenmerg mesenchymale stamcellen te stimuleren21. Het door Nakasuji et al. ontworpen apparaat bestond uit een spanningsgenerator die was aangesloten op platinaplaten. Elektroden werden gebouwd om het elektrische potentieel op 24 verschillende punten te meten. Dit apparaat werd gebruikt om chondrocyten te stimuleren, waaruit bleek dat EFs de celmorfologie niet veranderde en de proliferatie en moleculaire synthese verhoogde22. Het apparaat dat Au et al. gebruikte bestond uit een glazen kamer uitgerust met twee koolstofstaven verbonden met een hartstimulator met platinadraden. Deze stimulator werd gebruikt om cardiomyocyten en fibroblasten te stimuleren, waardoor de celverlenging en fibroblastuitlijningwerden verbeterd 23.
Verschillende MF-apparaten zijn vervaardigd op basis van Helmholtz-spoelen om verschillende soorten biologische monsters te stimuleren. Helmholtz-spoelen zijn bijvoorbeeld gebruikt om proliferatie en moleculaire synthese van chondrocyten24,25te stimuleren, proteoglycaanse synthese van articulaire kraakbeen explants26te verbeteren, genopregulatie met betrekking tot botvorming van osteoblastachtige cellen27te verbeteren en proliferatie en moleculaire expressie van endotheelcellen te verhogen28. Helmholtz-spoelen genereren MFs in twee spoelen die zich voor elkaar bevinden. De spoelen moeten worden geplaatst met een afstand gelijk aan de straal van de spoelen om een homogene MF te garanderen. Het nadeel van het gebruik van Helmholtz-spoelen ligt in de spoelafmetingen, omdat ze groot genoeg moeten zijn om de vereiste MF-intensiteit te genereren. Bovendien moet de afstand tussen spoelen voldoende zijn om een homogene verdeling van MF's rond biologische weefsels te waarborgen. Om problemen veroorzaakt door Helmholtz-spoelen te voorkomen, zijn verschillende studies gericht op de productie van magneetspoelen. Solenoïde spoelen zijn gebaseerd op een buis, die is gewikkeld met koperdraad om MFs te genereren. Koperdraadingangen kunnen rechtstreeks op het stopcontact of een voeding worden aangesloten om de spoel van stroom te voorzien en MFs in het midden van de solenoïde te maken. Hoe meer bochten de spoel heeft, hoe groter de gegenereerde MF. De MF-magnitude is ook afhankelijk van de spanning en stroom die wordt toegepast om de spoel29te activeren. Solenoïde spoelen zijn gebruikt om magnetisch verschillende soorten cellen zoals HeLa, HEK293 en MCF730 of mesenchymale stamcellen31te stimuleren.
Apparaten die door verschillende auteurs worden gebruikt, hebben noch de voldoende grootte van de elektroden, noch de juiste lengte van de spoel in aanmerking genomen om zowel EF's als MF's homogeen te verdelen. Bovendien genereren apparaten vaste spanningen en frequenties, waardoor het gebruik ervan wordt beperkt om specifieke biologische weefsels te stimuleren. Om deze reden wordt in dit protocol een computationele simulatierichtlijn uitgevoerd om zowel capacitieve systemen als spoelen te simuleren om een homogene verdeling van EFs en MFs over biologische monsters te garanderen, waardoor het randeffect wordt vermeden. Bovendien wordt aangetoond dat het ontwerp van elektronische circuits spanningen en frequentie tussen de elektroden en de spoel genereert, waardoor EFs en MFs ontstaan die beperkingen zullen overwinnen die worden veroorzaakt door impedantie van celkweekputplaten en lucht. Deze modificaties zullen de creatie van niet-invasieve en adaptieve bioreactoren mogelijk maken om elk biologisch weefsel te stimuleren.

<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

Elektrische velden (EFs) en magnetische velden (MFs) zijn veel gebruikt door weefseltechnologie om celdynamiek zoals proliferatie, migratie, differentiatie, morfologie en moleculaire synthese te verbeteren. Variabelen zoals prikkelsterkte en stimulatietijden moeten echter worden overwogen bij het stimuleren van cellen, weefsels of steigers. Gezien het feit dat EFs en MFs variëren afhankelijk van de cellulaire respons, blijft het onduidelijk hoe apparaten moeten worden gebouwd die voldoende biofysische stimuli genereren om biologische monsters te stimuleren. In feite is er een gebrek aan bewijs met betrekking tot de berekening en distributie wanneer biofysische stimuli worden toegepast. Dit protocol is gericht op het ontwerpen en produceren van apparaten voor het genereren van BF's en MFs en de implementatie van een computationele methodologie om de distributie van biofysische stimuli binnen en buiten biologische monsters te voorspellen. Het EF-apparaat bestond uit twee parallelle roestvrijstalen elektroden aan de boven- en onderkant van biologische culturen. Elektroden werden aangesloten op een oscillator om spanningen (50, 100, 150 en 200 Vp-p) te genereren bij 60 kHz. Het MF-apparaat bestond uit een spoel, die werd gevoed met een transformator om een stroom (1 A) en spanning (6 V) bij 60 Hz te genereren. Een polymethylmethacrylaatsteun werd gebouwd om de biologische culturen in het midden van de spoel te lokaliseren. De computationele simulatie verduidelijkte de homogene verdeling van BF's en MF's binnen en buiten biologische weefsels. Dit computationele model is een veelbelovend hulpmiddel dat parameters zoals spanningen, frequenties, weefselmorfologieën, putplaattypen, elektroden en spoelgrootte kan wijzigen om de EFs en MFs te schatten om een cellulaire respons te bereiken.

Computationele simulatie De verdelingen van EFs en MF 's zijn weergegeven in figuur 3. Enerzijds was het mogelijk de homogene verdeling van EFs in het capacitieve systeem waar te nemen (figuur 3A). De EF werd uitgezet om de grootte van het veld in het biologische monster in detail te observeren (figuur 3B). Deze simulatie was nuttig om de grootte van de elektroden te parametriseren en te vervaardigen om het rande...

Watch this Scientific Journal Video about Electric and Magnetic Field Devices for Stimulation of Biological Tissues at JoVE.com

Electric and Magnetic Field Devices for Stimulation of Biological Tissues

Dit protocol beschrijft het stapsgewijze proces om zowel elektrische als magnetische stimulatoren te bouwen die worden gebruikt om biologische weefsels te stimuleren. Het protocol bevat een richtlijn voor het simuleren van computerkracht en magnetische velden en de vervaardiging van stimulatorapparaten.

Elektrische en magnetische veldapparaten voor stimulatie van biologische weefsels

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

Biofysische stimulus is gebruikt om de cel- en moleculaire dynamiek in verschillende weefsels te stimuleren. Bepaalde studies hebben de impact van elektrische en magnetische velden in verschillende soorten cellen geëvalueerd, zoals chondrocyten, osteoblasten en fibroblasten, weefselimplantaten en steigers. Hoewel verschillende stimulerende apparaten zijn ontwikkeld onder de specifieke kenmerken om biologische weefsels te stimuleren, is het noodzakelijk om elektrische en magnetische apparaten te bevestigen waarin de spanning en frequentie kunnen worden gevarieerd om een breed scala aan biologische monsters te stimuleren.De computationele simulatie om de verdeling van het elektrische veld te verifiëren werd uitgevoerd in COMSOL Multiphysics. Hier werd een asymetrische configuratie gebruikt om het capacitieve systeem te simuleren dat bestaat uit twee parallelle elektroden, de lucht, onze kweekputplaat, de kweekmedia en het biologische monster, dat in dit geval is vertegenwoordigd door een steiger. De materiaaleigenschappen van elk element waren de elektrische geleidbaarheid en de relatieve permittiviteit.De toegepaste spanning werd ingesteld op 100 volt, terwijl de frequentie werd ingesteld op 60 kilohertz sinus Wien voor. Nadat alle parameters zijn geïntroduceerd, wordt het model berekend om de elektrische veldverdeling op alle oppervlakken te observeren. Om de elektrische veldverdeling op een meer gedetailleerde manier te observeren, is het mogelijk om het elektrische veld aan te sluiten in het volledige systeem, binnen de steiger, in de cultuurmedia, in de lucht en binnen de culturele putplaat en buiten de elektroden.Het circuit zal de elektrische velden genereren, is gebaseerd op de brug wien oscillator. Dit is een RCnonthian opeenvolging van gezichtschip die zowel positieve als negatieve feedback gebruikt. De bridge wien oscillator is samengesteld door een verlicht labnetwerk dat een reactieve spanning is verdeeld waarin de ingangsspanning wordt gedeeld door de combinatie tussen R5 en C2 in serie en door de combinatie tussen R6 en C3 parallel.Om de frequentie te berekenen, gebruiken we een resonantiefrequentievergelijking waarbij F Sub-Zero de frequentie R gelijk aan R5 gelijk aan R6 is de weerstanden en C gelijk aan C2 en C3 de condensatoren. Dit circuit is zo ontworpen dat de verdeelde weerstandsspanning toeneemt wanneer de output die in amplitude toeneemt en de verdeelde weerstandsspanning afneemt wanneer de uitgangsspanning in amplitude afneemt. Zo begint de spanningstoename van de versterker automatisch met de amplitudeveranderingen van het uitgangssignaal.Vervolgens werd een combinatie van weerstanden berekend om de vier bovenspanningen te genereren. Ten slotte werd eerder een signaalrectificatiefase geïmplementeerd om het signaal met de transformator te versterken. Zodra het circuit werd gesimuleerd, werd de geschilderde printplaat vervaardigd als gevolg hiervan is het uiteindelijke sinusvormige signaal gegenereerd door de oscillator plot.Zodra het circuit is gesimuleerd, is de volgende stap om de wien bridge oscillator hier in een breadboard te bouwen, we kunnen de vier uitgangsspanningen en de frequentie die het circuit genereert testen. Vervolgens produceren we in een printplaat de oscillator die we deden voor Reed Curtis formaat en de weerstanden die we gebruiken voor de spanningen die de oscillator genereert. En tot slot hebben we hier de eindassemblage voor de circuitindicatoren.De eerste stap om het elektrische stimulatorapparaat te testen is om de uitgangsspanning van de voeding te verifiëren om dit te doen, we passen de voeding parallel aan en meten de uitgangsspanning van 12 en 12 volt tussen de grond en de positieve en negatieve terminals. Zodra de uitgangsspanning is geverifieerd, kunnen we doorgaan met het aansluiten van elke uitgang van de voeding in de stroomtoevoer van het elektrische stimulatorapparaat. De witte kabel is de grond.De zwarte kabel is de negatieve spanning. En rode kabel is de positieve spanning. Om het uitgangssignaal te testen dat het elektrische stimulatorapparaat genereert, lokaliseren we een kweekputplaat in het midden van de elektroden.Daarna sluiten we de uitgangsspanningen gegenereerd door het elektrische stimulatorapparaat aan op elke parallelle plaat. Gezien het feit dat we in afwisselende stroom werken, is er geen strikte volgorde om de uitgangsspanning van de oscillator aan te sluiten op de klemmen van de parallelle plaat. Om het uitgangssignaal te verifiëren gebruiken we een Oscilloscoop, die direct op elke elektrode is aangesloten.Wanneer de C negen wordt gevangen door de Oscilloscoop hebben we de amplitude en periode van het signaal aangepast om de golf volledig te observeren. In deze stap is het mogelijk om de vier spanningen te controleren die door het elektrische stimulatorapparaat worden gegenereerd. 50 volt, 100 volt, 150 volt en 200 volt bij 60 kilo Hertz, sinus windforum.Net als bij de elektrische velden werd een rekensimulatie geïmplementeerd om de verdeling van het magnetisch veld te verifiëren. Een asymmetrische configuratie werd gebruikt om de spoel te simuleren die bestaat uit de cooperdraad en lucht. Hier werden verschillende materiaaleigenschappen overwogen en werd de toegepaste frequentie ingesteld op 60 Hertz.Nadat alle parameters waren geïntroduceerd, werd het model berekend om de magnetische veldverdeling te observeren. Ten slotte werd een diagram uitgevoerd om te observeren hoe het magnetisch veld homogeen wordt verdeeld in het midden van de spoel. De solenoïde veldvergelijking, afgeleid van de wet van Ampère, werd gebruikt om het magnetisch veld te berekenen waar de magnetische permeabiliteit van het vacuüm N'is het aantal omwentelingen van de Cooper-draad.I'is de stroom en h'die wordt gesorteerd op zijn diameter, is de lengte van de spoel. De waarden van deze parameters werden gekozen om een magnetisch veld van twee millimeter te schatten. Het circuit om de magnetische velden te genereren werd rekenkundig gesimuleerd.Hier wordt de transformator rechtstreeks op het stopcontact aangesloten. Een variabele weerstand werd gebruikt om de stroom te body body en genereren van de magnetische velden van 1 millimeter lang. Er werd een zekering aangesloten om het circuit te beschermen.Zodra berekeningen werden uitgevoerd, werden de polymethylmethacrylaatondersteuning en de spoel gebouwd Nadat de simulatie was uitgevoerd, hebben we een speciaal apparaat vervaardigd om ervoor te zorgen dat de Petri-schotels zich in het midden van het stimulatieapparaat bevinden. Daarna produceren we een muntstuk met 450 beurten draad cooper in een PVC-buis die zich in het midden van de cultuur zal bevinden om een homogeen magnetisch veld in het midden van de spoel te garanderen. Daarna produceren we een transformator met een vermogen van zes Volt en één Ampère om het circuit van stroom te voorzien.Om het magnetische simulatorapparaat te testen, hebben we de stroom gemeten die de spoel genereert. Deze maat wordt uitgevoerd door de multimeter in serie met de spoel te verbinden. Zodra we hebben geverifieerd dat de stroom ongeveer één Ampère is, is de transformator verbonden met de spoel om het circuit te sluiten.Daarna wordt de oscilloscoop aangesloten op de uitgangen van de spoel om het sinussignaal op 60 Hertz te verifiëren dat wordt gegenereerd door de magnetische stimulatie. Wanneer celculturen elektrisch worden gestimuleerd, is het relevant om de steril-omstandigheden te behouden wanneer cultuurmediaveranderingen worden uitgevoerd in de biologische monsters, om deze reden is het noodzakelijk om de kiezers in de cabine te introduceren. Zodra de cultuurmedia veranderden bevindt de cultuurputplaat zich boven de elektrode.Om de celculturen terug te brengen in de incubator bevindt de onderste elektrode zich over een stabiel oppervlak om de bovenste elektrode op de bovenkant van de celkweek te plaatsen. Vervolgens worden de uitgangskabels van het elektrische simulatorapparaat aangesloten op het eindpunt van elke elektrode. Ten slotte worden de kiezers zorgvuldig in de incubator geplaatst om de elektrische stimulatie te starten.Vergelijkbare steriele omstandigheden worden overwogen wanneer culturele media worden veranderd in de biologische monsters die magnetisch worden gestimuleerd. Hier worden Petrischalen van 35 millimeter gebruikt om cellen, explants of steigers te gekweekt. Zodra cultuurmedia zijn veranderd, moeten celculturen zich in de ondersteuning voor polymethylmethacrylaat bevinden.Hier bevindt elke Petrischaal zich boven elkaar. Daarna wordt de spoel zorgvuldig over de steun geplaatst om de celculturen te bedekken. Ten slotte bevindt het magnetische stimulatorapparaat zich in de incubator om de magnetische stimulatie te starten.Zoals u kunt zien, is het elektrische stimulatorapparaat getest om chondrocyten en osteoblasten te stimuleren. Hier hebben we de proliferatie en moleculaire synthese geëvalueerd. De elektrische stimulator is ook getest om chondroepiphysitis te stimuleren, explants om de morfologische veranderingen in de groeiplaat te beoordelen.Bovendien zijn cultuur, mesenchymale STAMCELLEN in uronzuur en gelatinehydrogels elektrisch gestimuleerd om het condrogene differentiatiepotentieel te evalueren. Aan de andere kant is hun magnetische stimulatorapparaat getest om chondrocyten te stimuleren om zowel proliferatie als moleculaire synthese te evalueren. De apparaten die we hebben ontwikkeld, vermijden in deze studie compatibiliteitsproblemen die door de elektroden worden genoten wanneer ze in direct contact staan met het biologische materiaal.Bovendien vertegenwoordigen dit soort apparaten een voordeel omdat ze de veranderingen in de pH en de verlaging van de moleculaire cultuurgelniveaus voorkomen. Spanning en frequenties zijn belangrijke variabelen om te overwegen op het moment van het stimuleren van biologische weefsels. Aan de ene kant is het bewijs dat de celdynamiek zoals migratie, proliferatie, genexpressie onder andere, afhankelijk is van de aanleg van de toegepaste spanning.Aan de andere kant is bewezen dat lage en hoge frequenties een effect hebben op de cellen, vooral bij het openen en sluiten van de celmembraankanalen, die verschillende signaalbanen op extra en intracellulaire niveaus activeren. Over het algemeen kan dit vergelijkbare apparaat worden geëxtrapoleerd naar klinische omgevingen om regeneratieve therapieën zoals de cellulaire alternatieve implantatie te verbeteren. Dit type behandeling combineert in vitro en in vivo technieken voor weefselregeneratie.Hier kunnen de elektrische en magnetische stimulatoren een sleutelrol spelen bij de stimulatie van biologische materialen door de cellulaire en moleculaire kenmerken van cellen, weefsels en steigers te verbeteren voordat ze bij de patiënt worden geïmplanteerd.

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Physics

Bioengineering

Unit 1

Current and Resistance

SCIENTISTS IN ACTION

Electric Field-controlled Directed Migration of Neural Progenitor Cells in 2D and 3D Environments

Electric Field-gecontroleerde Directed migratie van neurale stamcellen in 2D-en 3D-omgevingen

Endogenous electric fields (EFs) occur naturally in vivo and play a critical role during tissue/organ development and regeneration, including that of the ...

Simple Microfluidic Devices for in vivo Imaging of C. elegans, Drosophila and Zebrafish

Simple Microfluidic Devices for in vivo Imaging of C. elegans, Drosophila and Zebrafish

Eenvoudige Microfluïdische Inrichtingen voor<em&gt; In vivo</em&gt; Beeldvorming van<em&gt; C. elegans</em&gt;,<em&gt; Drosophila</em&gt; En zebravis

Micro fabricated fluidic devices provide an accessible micro-environment for in vivo studies on small organisms. Simple fabrication processes are ...

Imaging of Biological Tissues by Desorption Electrospray Ionization Mass Spectrometry

Beeldvorming van biologische weefsels door desorptie electrospray ionisatie massaspectrometrie

Mass spectrometry imaging (MSI) provides untargeted molecular information with the highest specificity and spatial resolution for investigating biological ...

Detection of Exosomal Biomarker by Electric Field-induced Release and Measurement (EFIRM)

Detection of Exosomal Biomarker by Electric Field-induced Release and Measurement EFIRM

Detectie van exosomaal Biomarker door Electric Field-geïnduceerde Release and Measurement (Efirm)

Exosomes are microvesicular structures that play a mediating role in intercellular communication. It is of interest to study the internal cargo of ...

Electrotaxis Studies of Lung Cancer Cells using a Multichannel Dual-electric-field Microfluidic Chip

Electrotaxis Studies van longkanker-cellen met behulp van een Multichannel Dual-elektrisch veld Microfluïdische Chip

The behavior of directional cell migration under a direct current electric-field (dcEF) is referred to as electrotaxis. The significant role of ...

Alternating Magnetic Field-Responsive Hybrid Gelatin Microgels for Controlled Drug Release

Wisselend magneetveld-Responsive Hybrid Gelatine Microgels voor Controlled Drug release

Magnetically-responsive nano/micro-engineered biomaterials that enable a tightly controlled, on-demand drug delivery have been developed as new types of ...

High-throughput Identification of Bacteria Repellent Polymers for Medical Devices

High-throughput Identificatie van bacteriën Repellent Polymers for Medical Devices

Medical devices are often associated with hospital-acquired infections, which place enormous strain on patients and the healthcare system as well as ...

Automated Robotic Liquid Handling Assembly of Modular DNA Devices

Geautomatiseerde robot Liquid Handling samenstel van modulaire DNA voorzieningen

Recent advances in modular DNA assembly techniques have enabled synthetic biologists to test significantly more of the available &#34;design space&#34; ...

Metabolic Support of Excised, Living Brain Tissues During Magnetic Resonance Microscopy Acquisition

Metabole steun van weggesneden, levende hersenen weefsels tijdens magnetische resonantie microscopie overname

This protocol describes the procedures necessary to support normal metabolic functions of acute brain slice preparations during the collection of magnetic ...

High-resolution Patterning Using Two Modes of Electrohydrodynamic Jet: Drop on Demand and Near-field Electrospinning

Hoge resolutie elementen met behulp van twee modi van Electrohydrodynamic Jet: Drop on Demand en in de buurt van-veld Electrospinning

Electrohydrodynamic (EHD) jet printing has drawn attention in various fields because it can be used as a high-resolution and low-cost direct patterning ...