用于刺激生物组织的电动和磁场设备

Summary

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。

Abstract

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。

Introduction

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。

Protocol

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

Representative Results

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…

Discussion

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?…

Materials

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