Name: electric and magnetic field devices for stimulation of biological tissues
Uploaded: 2021-05-15T15:00:00
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Die Autoren danken der finanziellen Unterstützung durch "Fondo Nacional de Financiamiento para la Ciencia, la Tecnologa, y la Innovacién -Fondo Francisco José de Caldas- Minciencias" und universidad Nacional de Colombia durch das Stipendium Nr. 80740-290-2020 und die Unterstützung durch Valteam Tech - Forschung und Innovation für die Bereitstellung der Ausrüstung und technische Unterstützung in der Ausgabe des Videos.

1. Simulation von EFs und MFs
HINWEIS: Die Simulation von EFs und MFs wurde in COMSOL Multiphysics durchgeführt.
<ol><li>Wählen Sie eine achsensymmetrische 2D-Konfiguration aus, um beide Domänen elektrisch und magnetisch darzustellen.</li>
	<li>Wählen Sie in der Physikkonfiguration entweder die Schnittstelle elektrischer Strom aus, um EFs in parallelen Elektroden zu berechnen, oder die Magnetfeldschnittstelle, um MFs um Spulen zu berechnen.</li>
	<li>Wä...

Behandlungen zur Heilen verschiedener Pathologien, die menschliches Gewebe beeinflussen, sind pharmakologische Therapien32 oder chirurgische Eingriffe33, die versuchen, Schmerzen lokal zu lindern oder betroffene Gewebe durch Explanten oder Transplantationen zu ersetzen. Kürzlich wurde eine autologe Zelltherapie als alternative Therapie zur Behandlung von verletztem Gewebe vorgeschlagen, bei der Zellen vom Patienten isoliert und durch In-vitro-Techniken erweitert werden, um...

Es wurde gezeigt, dass EFs und MFs die Zelldynamik verändern, die Proliferation stimulieren und die Synthese der Hauptmoleküle erhöhen, die mit der extrazellulären Matrix von Geweben verbunden sind1. Diese biophysikalischen Reize können auf unterschiedliche Weise angewendet werden, indem bestimmte Einstellungen und Geräte verwendet werden. In Bezug auf die Vorrichtungen zur Erzeugung von EFs verwenden direkt gekoppelte Stimulatoren Elektroden, die in Kontakt mit biologischen Proben in vitro stehen oder direkt in Gewebe von Patienten und Tieren in vivo2implantiert werden; Es gibt jedoch immer noch Einschränkungen und Mängel, die eine unzureichende Biokompatibilität durch die kontaktgebundenen Elektroden, Veränderungen des pH-Wertes und des molekularen Sauerstoffgehalts1umfassen. Im Gegenteil, indirekte Kopplungsvorrichtungen erzeugen EFs zwischen zwei Elektroden, die parallel zu biologischen Proben3platziert werden, was eine nicht-invasive alternative Technik ermöglicht, um biologische Proben zu stimulieren und direkten Kontakt zwischen Geweben und Elektroden zu vermeiden. Diese Art von Gerät kann auf zukünftige klinische Anwendungen extrapoliert werden, um Verfahren mit minimaler Invasion für den Patienten durchzuführen. In Bezug auf Geräte, die MFs erzeugen, erzeugen induktive Koppelstimulatoren einen zeitverändernden elektrischen Strom, der durch eine Spule fließt, die sich um Zellkulturenbefindet 4,5. Schließlich gibt es kombinierte Geräte, die EFs und statische MFs verwenden, um transiente elektromagnetische Felder zu erzeugen1. Da es unterschiedliche Konfigurationen gibt, um biologische Proben zu stimulieren, ist es notwendig, Variablen wie Spannung und Häufigkeit zu berücksichtigen, wenn biophysikalische Reize angewendet werden. Spannung ist eine wichtige Variable, da sie das Verhalten biologischer Gewebe beeinflusst; zum Beispiel hat sich gezeigt, dass Zellmigration, Orientierung und Genexpression von der Amplitude der angelegten Spannung3,6,7,8,9,10abhängen. Frequenz spielt eine wichtige Rolle bei der biophysikalischen Stimulation, da nachgewiesen wurde, dass diese natürlich in vivo auftreten. Es wurde gezeigt, dass hohe und niedrige Frequenzen positive Auswirkungen auf Zellen haben; insbesondere in zellmembranspannungsverkabelten Calciumkanälen oder endoplasmatischem Retikulum, die unterschiedliche Signalwege auf intrazellululärer Ebene1,7,11auslösen.
Nach den oben genannten, eine Vorrichtung zur Erzeugung von EFs besteht aus einem Spannungsgenerator mit zwei parallelen Kondensatoren12verbunden. Dieses Gerät wurde von Armstrong et al. implementiert, um sowohl die proliferative Rate als auch die molekulare Synthese von Chondrozyten13zu stimulieren. Eine Anpassung dieses Geräts wurde von Brighton et al. durchgeführt, die die Zellkultur-Well-Platten modifizierten, indem sie ihre oberen und unteren Deckel bohrten. Die Löcher wurden mit Deckrutschen gefüllt, wo die bodenbeschaffenen Gläser zur Kultur biologischen Gewebes verwendet wurden. Elektroden wurden auf jedem Abdeckungsschlitten platziert, um EFs14zu erzeugen. Dieses Gerät wurde verwendet, um Chondrozyten, Osteoblasten und Knorpelexplante elektrisch zu stimulieren, was eine Zunahme der Zellproliferation14,15,16 und molekulare Synthese3,17zeigt. Das von Hartig et al. entwickelte Gerät bestand aus einem Wellengenerator und einem Spannungsverstärker, die mit parallelen Kondensatoren verbunden waren. Elektroden wurden aus hochwertigem Edelstahl in einem Isoliergehäuse hergestellt. Das Gerät wurde verwendet, um Osteoblasten zu stimulieren, zeigt eine signifikante Zunahme der Proliferation und Proteinsekretion18. Das von Kim et al. verwendete Gerät bestand aus einem biphasischen Stromstimulatorchip, der mit einem Herstellungsverfahren von komplementären Halbleitern von Hochspannungsmetalloxid hergestellt wurde. Eine Kultur-Well-Platte wurde entwickelt, um Zellen über eine leitfähige Oberfläche mit elektrischer Stimulation zu kultivieren. Elektroden wurden in Gold über Siliziumplatten19beschichtet. Dieses Gerät wurde verwendet, um Osteoblasten zu stimulieren, zeigt eine Zunahme der Proliferation und die Synthese des vaskulären endotheliale Wachstumsfaktor19, und stimulierung der Produktion von alkalischer Phosphatase-Aktivität, Kalziumablagerung und Knochen morphogene Proteine20. In ähnlicher Weise wurde dieses Gerät verwendet, um die proliferative Rate und Expression des vaskulären endotheliaalen Wachstumsfaktors der mesenchymalen Stammzellen des menschlichen Knochenmarks zu stimulieren21. Das von Nakasuji et al. entworfene Gerät bestand aus einem Spannungsgenerator, der mit Platinplatten verbunden war. Elektroden wurden gebaut, um das elektrische Potenzial an 24 verschiedenen Punkten zu messen. Dieses Gerät wurde verwendet, um Chondrozyten zu stimulieren, zeigt, dass EFs nicht verändern Zellmorphologie und erhöhte Proliferation und molekulare Synthese22. Das von Au et al. verwendete Gerät bestand aus einer Glaskammer, die mit zwei Kohlenstoffstäben ausgestattet war, die mit einem Herzstimulator mit Platindrähten verbunden waren. Dieser Stimulator wurde verwendet, um Kardiomyozyten und Fibroblasten zu stimulieren, Die Zelldehnung und Fibroblastenausrichtung zu verbessern23.
Verschiedene MF-Geräte wurden auf Basis von Helmholtz-Spulen hergestellt, um verschiedene Arten biologischer Proben zu stimulieren. Zum Beispiel, Helmholtz-Spulen wurden verwendet, um die Proliferation und molekulare Synthese von Chondrozyten24,25zu stimulieren, die proteoglykanische Synthese von Gelenkknorpelexplanten26zu verbessern, die Genupregulation im Zusammenhang mit der Knochenbildung von Osteoblasten-ähnlichen Zellen zu verbessern27, und die Proliferation und molekulare Expression von Endothelzellen zu erhöhen28. Helmholtz-Spulen erzeugen MFs in zwei Spulen, die sich eine vor der anderen befinden. Die Spulen müssen mit einem Abstand in Höhe des Radius der Spulen platziert werden, um ein homogenes MF zu gewährleisten. Der Nachteil der Verwendung von Helmholtz-Spulen liegt in den Spulenabmessungen, da sie groß genug sein müssen, um die erforderliche MF-Intensität zu erzeugen. Darüber hinaus muss der Abstand zwischen den Spulen ausreichend sein, um eine homogene Verteilung von MFs um biologische Gewebe zu gewährleisten. Um Probleme zu vermeiden, die durch Helmholtz-Spulen verursacht werden, wurden verschiedene Studien auf die Herstellung von Magnetspulen konzentriert. Magnetspulen basieren auf einem Rohr, das mit Kupferdraht gewickelt wird, um MFs zu erzeugen. Kupferdrahteingänge können direkt an den Ausgang oder ein Netzteil angeschlossen werden, um die Spule zu beleben und MFs in der Mitte des Magneten zu erzeugen. Je mehr Umdrehungen die Spule hat, desto größer ist die MF erzeugt. Die MF-Magnitude hängt auch von der Spannung und dem Strom ab, die angewendet werden, um die Spule29zu beleben. Magnetspulen wurden verwendet, um magnetisch verschiedene Arten von Zellen wie HeLa, HEK293 und MCF730 oder mesenchymale Stammzellen31zu stimulieren.
Geräte, die von verschiedenen Autoren verwendet werden, haben weder die angemessene Größe der Elektroden noch die richtige Länge der Spule berücksichtigt, um sowohl EFs als auch MFs homogen zu verteilen. Darüber hinaus erzeugen Geräte feste Spannungen und Frequenzen und begrenzen deren Verwendung, um bestimmte biologische Gewebe zu stimulieren. Aus diesem Grund wird in diesem Protokoll eine numerische Simulationsrichtlinie durchgeführt, um sowohl kapazitive Systeme als auch Spulen zu simulieren, um eine homogene Verteilung von EFs und MFs über biologische Proben zu gewährleisten und so den Kanteneffekt zu vermeiden. Darüber hinaus wird gezeigt, dass die Konstruktion von elektronischen Schaltungen Spannungen und Frequenz zwischen den Elektroden und der Spule erzeugt, wodurch EFs und MFs entstehen, die Einschränkungen überwinden, die durch impedanziert von Zellkultur-Wellplatten und Luft verursacht werden. Diese Modifikationen werden die Schaffung von nicht-invasiven und adaptiven Bioreaktoren ermöglichen, um jedes biologische Gewebe zu stimulieren.

<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 Felder (EFs) und Magnetfelder (MFs) wurden von der Gewebetechnik häufig verwendet, um die Zelldynamik wie Proliferation, Migration, Differenzierung, Morphologie und molekulare Synthese zu verbessern. Variablen wie Reizstärke und Stimulationszeiten müssen jedoch bei der Stimulierung von Zellen, Geweben oder Gerüsten berücksichtigt werden. Angesichts der Unterschiedlichen von EFs und MFs je nach zellulärer Reaktion bleibt unklar, wie Geräte gebaut werden können, die angemessene biophysikalische Reize erzeugen, um biologische Proben zu stimulieren. Tatsächlich fehlt es an Beweisen für die Berechnung und Verteilung, wenn biophysikalische Reize angewendet werden. Dieses Protokoll konzentriert sich auf die Entwicklung und Herstellung von Geräten zur Erzeugung von EFs und MFs und die Implementierung einer Berechnungsmethode zur Vorhersage der biophysikalischen Reizverteilung innerhalb und außerhalb biologischer Proben. Das EF-Gerät bestand aus zwei parallelen Edelstahlelektroden, die sich oben und unten in biologischen Kulturen befinden. Elektroden wurden an einen Oszillator angeschlossen, um Spannungen (50, 100, 150 und 200 Vp-p) bei 60 kHz zu erzeugen. Die MF-Vorrichtung bestand aus einer Spule, die mit einem Transformator energetisiert wurde, um einen Strom (1 A) und eine Spannung (6 V) bei 60 Hz zu erzeugen. Eine Polymethylmethacrylat-Unterstützung wurde gebaut, um die biologischen Kulturen in der Mitte der Spule zu lokalisieren. Die Rechensimulation erläuterte die homogene Verteilung von EFs und MFs innerhalb und außerhalb von biologischem Gewebe. Dieses Rechenmodell ist ein vielversprechendes Werkzeug, das Parameter wie Spannungen, Frequenzen, Gewebemorphologien, Wellplattentypen, Elektroden und Spulengröße ändern kann, um die EFs und MFs zu schätzen, um eine zelluläre Reaktion zu erreichen.

Computational Simulation Die Verteilungen von EFs und MFs sind in Abbildung 3dargestellt. Einerseits konnte die homogene Verteilung der EF im kapazitiven System beobachtet werden (Abbildung 3A). Der EF wurde dargestellt, um die Größe des Feldes innerhalb der biologischen Probe im Detail zu beobachten (Abbildung 3B). Diese Simulation war nützlich, um die Größe der Elektroden zu parametrisieren und herzustelle...

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Electric and Magnetic Field Devices for Stimulation of Biological Tissues

Dieses Protokoll beschreibt den schrittweisen Prozess zum Bau von elektrischen und magnetischen Stimulatoren, die zur Stimulierung biologischer Gewebe verwendet werden. Das Protokoll enthält eine Richtlinie zur Simulation von rechengestützten elektrischen und magnetischen Feldern und zur Herstellung von Stimulatoren.

Elektrische und magnetische Feldgeräte zur Stimulation biologischer Gewebe

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

Biophysikalische Reize wurden verwendet, um die Zell- und Molekulardynamik in verschiedenen Geweben zu stimulieren. In bestimmten Studien wurden die Auswirkungen von elektrischen und magnetischen Feldern in verschiedenen Arten von Zellen wie Chondrozyten, Osteoblasten und Fibroblasten, Gewebeimplantaten und Gerüsten untersucht. Obwohl verschiedene Stimulatoriumsgeräte unter den spezifischen Merkmalen zur Stimulierung biologischer Gewebe entwickelt wurden, ist es notwendig, elektrische und magnetische Geräte zu bestätigen, bei denen die Spannung und Frequenz variiert werden könnte, um eine breite Palette biologischer Proben zu stimulieren.Die Berechnungssimulation zur Überprüfung der elektrischen Feldverteilung wurde in COMSOL Multiphysics durchgeführt. Hier wurde eine achsenmetrische Konfiguration verwendet, um das kapazitive System zu simulieren, das aus zwei parallelen Elektroden besteht, der Luft, unserer Kulturbrunnenplatte, den Kulturmedien und der biologischen Probe, die in diesem Fall durch ein Gerüst dargestellt wurde. Die Materialeigenschaften jedes Elements waren die elektrische Leitfähigkeit und die relative Permittivität.Die angelegte Spannung wurde auf 100 Volt eingestellt, während die Frequenz auf 60 Kilohertz sine Wien eingestellt wurde. Nachdem alle Parameter eingeführt wurden, wird das Modell berechnet, um die elektrische Feldverteilung in allen Oberflächen zu beobachten. Um die elektrische Feldverteilung genauer zu beobachten, ist es möglich, das elektrische Feld im Gesamtsystem, innerhalb des Gerüstes, in den Kulturmedien, in der Luft und innerhalb der Kulturbrunnenplatte und außerhalb der Elektroden zu stopfen.Die Schaltung wird die elektrischen Felder erzeugen, basiert auf der Brücke wien Oszillator. Dies ist eine RCnonthian Sequenz von Gesichtschip, die sowohl positives als auch negatives Feedback verwendet. Der Brücken-Wien-Oszillator besteht aus einem beleuchteten Labornetz, das eine reaktive Spannung ist, die geteilt wird, in der die Eingangsspannung durch die Kombination von R5 und C2 in Reihe und durch die Kombination von R6 und C3 parallel geteilt wird.Um die Frequenz zu berechnen, verwenden wir eine Resonanzfrequenzgleichung, wobei F Sub-Zero die Frequenz R gleich R5 gleich R6 sind die Widerstände und C gleich C2 und C3 die Kondensatoren sind. Diese Schaltung ist so konzipiert, dass die geteilte Widerstandsspannung zunimmt, wenn der Ausgang, der die Amplitude erhöht und die Widerstandsspannung geteilt wird, abnimmt, wenn die Ausgangsspannung in der Amplitude abnimmt. So beginnt die Spannungsverstärkung des Verstärkers automatisch die Amplitudenänderungen des Ausgangssignals.Dann wurde eine Kombination von Widerständen berechnet, um die vier oberen Spannungen zu erzeugen. Schließlich wurde zuvor eine Signalkorrekturstufe implementiert, um das Signal mit dem Transformator zu verstärken. Sobald die Schaltung simuliert wurde, wurde die lackierte Leiterplatte als Ergebnis das endgültige sinusförmige Signal, das vom Oszillator erzeugt wird, Plot hergestellt.Sobald der Schaltkreis simuliert ist, ist der nächste Schritt, den wien Bridge Oszillator in einem Brotbrett hier zu bauen, können wir die vier Ausgangsspannungen und die Frequenz, die den Stromkreis erzeugt testen. Dann fertigen wir in einer Leiterplatte den Oszillator, den wir für das Reed Curtis-Format gemacht haben, und die Widerstände, die wir für die Spannungen verwenden, die der Oszillator erzeugt. Und schließlich haben wir hier die Endmontage für die Schaltungsanzeiger.Der erste Schritt, um die elektrische Stimulator-Einrichtung zu testen, ist die Ausgangsspannung der Stromversorgung zu überprüfen, um dies zu tun, stellen wir die Stromversorgung parallel und messen die Ausgangsspannung von 12 und 12 Volt zwischen dem Boden und den positiven und negativen Klemmen. Sobald die Ausgangsspannung überprüft ist, können wir fortfahren, jeden Ausgang des Netzteils im Stromeingang der elektrischen Stimulatorvorrichtung zu verbinden. Das weiße Kabel ist der Boden.Das schwarze Kabel ist die negative Spannung. Und rotes Kabel ist die positive Spannung. Um das Ausgangssignal zu testen, das die elektrische Stimulatorvorrichtung erzeugt, lokalisieren wir eine Kulturbrunnenplatte in der Mitte der Elektroden.Danach verbinden wir die von der elektrischen Stimulatorvorrichtung erzeugten Ausgangsspannungen an jede parallele Platte. Da wir im wechselalternativen Strom arbeiten, gibt es keine strenge Reihenfolge, die Ausgangsspannung des Oszillators an die Klemmen der Parallelplatte anzuschließen. Zur Überprüfung des Ausgangssignals verwenden wir ein Oszilloskop, das direkt mit jeder Elektrode verbunden ist.Wenn die C-Neun vom Oszilloskop erfasst wird, haben wir die Amplitude und periode des Signals modifiziert, um die Welle vollständig zu beobachten. In diesem Schritt ist es möglich, die vier Spannungen zu überprüfen, die von der elektrischen Stimulatorvorrichtung erzeugt werden. 50 Volt, 100 Volt, 150 Volt und 200 Volt bei 60 Kilo Hertz, SinuswindForum.Ähnlich wie bei den elektrischen Feldern wurde eine Rechensimulation implementiert, um die Magnetfeldverteilung zu überprüfen. Eine axisymmetrische Konfiguration wurde verwendet, um die Spule zu simulieren, die aus dem Cooper-Draht und der Luft besteht. Hier wurden unterschiedliche Materialeigenschaften berücksichtigt und die angewandte Frequenz auf 60 Hertz eingestellt.Nachdem alle Parameter eingeführt wurden, wurde das Modell berechnet, um die Magnetfeldverteilung zu beobachten. Schließlich wurde ein Diagramm durchgeführt, um zu beobachten, wie das Magnetfeld homogen in der Mitte der Spule verteilt ist. Die Magnetfeldgleichung, abgeleitet aus Amperes Gesetz, wurde verwendet, um das Magnetfeld zu berechnen, wobei die magnetische Durchlässigkeit des Vakuums N'die Anzahl der Umdrehungen des Cooper-Drahtes ist.Ich bin der Strom und h', der nach seinem Durchmesser abgestuft werden soll, ist die Länge der Spule. Die Werte dieser Parameter wurden gewählt, um ein Magnetfeld von zwei Millimetern zu schätzen. Der Schaltkreis zur Erzeugung der Magnetfelder wurde rechnerisch simuliert.Hierwird der Transformator direkt an den Auslass angeschlossen. Ein variabler Widerstand wurde verwendet, um den Strom zu körperierieren und die Magnetfelder von 1 Millimeter lang zu erzeugen. Zum Schutz der Schaltung wurde eine Sicherung angeschlossen.Nach der Berechnung wurden die Polymethylmethacrylat-Unterstützung und die Spule nach der Simulation gebaut, die wir eine spezielle Vorrichtung herstellten, um sicherzustellen, dass die Petrischalen in der Mitte der Stimulationsvorrichtung liegen. Danach fertigen wir eine Münze mit 450 Drehungen Draht-Cooper in einem PVC-Rohr, das in der Mitte der Kultur befindet, um ein homogenes Magnetfeld in der Mitte der Spule zu gewährleisten. Danach fertigen wir einen Transformator mit einer Leistung von sechs Volt und einem Ampere, um den Stromkreis zu beleben.Um das magnetische Simulatorgerät zu testen, haben wir den Strom gemessen, den die Spule erzeugt. Diese Maßnahme wird durch Den Anschluss des Multimeters in Reihe mit der Spule durchgeführt. Sobald wir überprüft haben, dass der Strom etwa ein Ampere ist, wird der Transformator mit der Spule verbunden, um den Strom zu schließen.Danach wird das Oszilloskop mit den Ausgängen der Spule verbunden, um das Sinussignal bei 60 Hertz zu überprüfen, das durch die magnetische Stimulation erzeugt wird. Wenn Zellkulturen elektrisch stimuliert werden, ist es wichtig, die sterilen Bedingungen zu halten, wenn Kulturmedienveränderungen an den biologischen Proben durchgeführt werden, aus diesem Grund ist es notwendig, die Wähler in die Kabine einzuführen. Sobald die Kulturmedien verändert haben, befindet sich die Kulturbrunnenplatte über der Elektrode.Um die Zellkulturen in den Inkubator zurückzuführen, befindet sich die untere Elektrode über einer stabilen Oberfläche, um die obere Elektrode auf der Oberseite der Zellkultur zu platzieren. Dann werden die Ausgangskabel des elektrischen Simulatorgeräts an die Endstation jeder Elektrode angeschlossen. Schließlich werden die Wähler sorgfältig in den Inkubator geortet, um die elektrische Stimulation zu starten.Ähnliche sterile Bedingungen werden berücksichtigt, wenn kulturelle Medien in die biologischen Proben geändert werden, die magnetisch stimuliert werden. Hier werden Petrischalen von 35 Millimetern verwendet, um entweder Zellen, Explanten oder Gerüste zu kultiieren. Sobald kulturmedien verändert sind, müssen Zellkulturen in der Polymethylmethacrylat-Unterstützung lokalisiert werden.Hier befindet sich jede Petrischale übereinander. Danach wird die Spule sorgfältig über der Stütze lokalisiert, um die Zellkulturen abzudecken. Schließlich befindet sich das magnetische Stimulator im Inkubator, um die magnetische Stimulation zu starten.Wie Sie sehen können, wurde das elektrische Stimulator-Gerät getestet, um Chondrozyten und Osteoblasten zu stimulieren. Hier haben wir die Proliferation und molekulare Synthese ausgewertet. Der elektrische Stimulator wurde auch getestet, um Chondroepiphysitis zu stimulieren, Explanten, um die morphologischen Veränderungen in der Wachstumsplatte zu bewerten.Zusätzlich wurden Kultur, mesenchymale STEM-Zellen in Uronsäure und Gelatinehydrogele elektrisch stimuliert, um das kondrogene Differenzierungspotenzial zu bewerten. Auf der anderen Seite wurde ihr magnetisches Stimulator-Gerät getestet, um Chondrozyten zu stimulieren, um sowohl die Proliferation als auch die molekulare Synthese zu bewerten. Die Geräte, die wir in dieser Studie entwickelt haben, um Kompatibilitätsprobleme zu vermeiden, zählen bei den Elektroden, wenn sie in direktem Kontakt mit dem biologischen Material stehen.Darüber hinaus stellen diese Geräte einen Vorteil dar, da sie Veränderungen des pH-Wertes und die Verringerung des Molekularkulturgelspiegels verhindern. Spannung und Frequenzen sind wichtige Variablen, die im Moment der Stimulierung biologischer Gewebe zu berücksichtigen sind. Einerseits ist es ein Beweis dafür, dass die Zelldynamik wie Migration, Proliferation, Genexpression unter anderem von der Eignung der angelegten Spannung abhängt.Andererseits ist nachgewiesen, dass niedrige und hohe Frequenzen einen Effekt über die Zellen haben, insbesondere beim Öffnen und Schließen der Zellmembrankanäle, die unterschiedliche Signalwege auf extra- und intrazellulärer Ebene auslösen. Insgesamt kann dieses ähnliche Gerät auf klinische Umgebungen extrapoliert werden, um regenerative Therapien wie die zelluläre alternative Implantation zu verbessern. Diese Art der Behandlung kombiniert In-vitro- und In-vivo-Techniken zur Geweberegeneration.Hier könnten die elektrischen und magnetischen Stimulatoren eine Schlüsselrolle bei der Stimulation biologischer Materialien spielen, indem sie die zellulären und molekularen Eigenschaften von Zellen, Geweben und Gerüsten verbessern, bevor sie in den Patienten implantiert werden.

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Physics

Bioengineering

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Current and Resistance

SCIENTISTS IN ACTION

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Biotechnik

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

Electro Studium der Lungenkrebszellen unter Verwendung eines Mehrkanal-Zwei elektrischen Feldes Mikrofluidik-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

Magnetisches Wechselfeld-Responsive Hybrid Gelatine Mikrogele der gezielten Medikamentenapplikation

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

Hochdurchsatz-Identifizierung von Bakterien abstoßenden Polymere für medizinische Geräte

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

Automatisierte Roboter Liquid Handling Versammlung Modular DNA-Geräte

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

Metabolische Unterstützung der herausgeschnitten, lebendes Gehirn Gewebe während der Magnet-Resonanz-Mikroskopie-Akquisition

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

Hochauflösende Musterung mit zwei Modi der Electrohydrodynamic Jet: Drop-on-Demand und Nahfeld-Elektrospinnen

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