DE102006015550B4 - Method and device for coupling an electric field into a physiological and electrically conductive medium - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Einkopplung eines elektrischen Feldes in ein physiologisches und elektrisch leitfähiges Medium, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste mit Wechselspannung (5) beaufschlagte Spule (4) aus einem elektrisch leitenden Material auf einem ferromagnetischen Trafokern (3) angeordnet ist und dass eine geschlossene Leiterschleife (2) aus einem elektrisch leitenden Material als zweite Spule durch den Trafokern (3) hindurchgehend zur transformatorähnlichen Einkopplung eines elektrischen Feldes in die Leiterschleife (2) vorgesehen ist, in welcher das physiologische Medium angeordnet ist.contraption for coupling an electric field into a physiological one and electrically conductive Medium, characterized in that a first with alternating voltage (5) acted upon coil (4) made of an electrically conductive material is arranged on a ferromagnetic transformer core (3) and that a closed conductor loop (2) made of an electrically conductive Material as a second coil through the transformer core (3) passing to transformer-like Coupling of an electric field in the conductor loop (2) is provided, in which arranged the physiological medium is.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einkopplung eines elektrischen Feldes in ein physiologisches und elektrisch leitfähiges Medium. Derartige Verfahren werden beispielsweise zur effizienten Erzeugung beziehungsweise zur gezielten Beeinflussung von Zellkulturen, Mikroorganismen, Hefen oder Pilzen eingesetzt.The The invention relates to a method for coupling an electrical Field in a physiological and electrically conductive medium. Such methods are used, for example, for efficient production or for targeted influencing of cell cultures, microorganisms, Yeasts or mushrooms used.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung, welche zur Einkopplung eines elektrischen Feldes in ein physiologisches und elektrisch leitfähiges Medium ausgebildet ist.The The invention further relates to a device which is for coupling of an electric field in a physiological and electrical conductive medium is trained.
Derartige Vorrichtungen werden neben der Erzeugung von elektrischen Feldern in ionisch leitfähigen Zellkulturmedien oder Mikroorganismensuspensionen auch für die Behandlung von Extremitäten oder sonstigen Körperteilen von Menschen oder Tieren genutzt.such Devices are in addition to the generation of electric fields in ionic conductive Cell culture media or microorganism suspensions also for the treatment of extremities or other parts of the body used by humans or animals.
Weiterhin spielen derartige Vorrichtungen eine Rolle im Rahmen des Tissue-Engineering. Die Methode des Tissue-Engineering beruht darauf, lebende Zellen eines Organismus außerhalb eines Körpers zu kultivieren, gegebenenfalls mit extrazellulären Komponenten biologischer oder synthetischer Art zu kombinieren, und die bioartifizellen Regenerate oder Konstrukte wieder in einen Organismus zu implantieren.Farther Such devices play a role in tissue engineering. The method Tissue engineering is based on living cells of an organism outside of a body to cultivate, optionally with extracellular biological components or synthetic species, and the bioartificial regenerates or to rebuild constructs into an organism.
Insgesamt finden derartige Vorrichtungen somit ihren Einsatz in der Bioverfahrenstechnik im weiteren Sinne sowie in der rekonstruktiven Chirurgie sowie der Orthopädie.All in all Such devices thus find their use in bioprocess engineering in a broader sense as well as in reconstructive surgery and the Orthopedics.
Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Einkopplung von elektromagnetischen Feldern in physiologische Medien bekannt.in the State of the art are various methods and devices for the coupling of electromagnetic fields into physiological Media known.
Unter physiologischen Medien sollen im weiteren Sinne Medien verstanden werden, die im Zusammenhang mit lebender Materie verwendet oder benutzt werden, wie zum Beispiel Nährmedien oder Kulturmedien. Weiterhin sollen als physiologische Medien auch Lebewesen beziehungsweise Teile davon betrachtet werden.Under physiological media should be understood in a broader sense media used or used in connection with living matter such as nutrient media or culture media. Furthermore, as physiological media as well Be considered living beings or parts thereof.
Im Stand der Wissenschaft ist bekannt, dass mechanisch induzierte elektrische Felder beispielsweise funktionelle Anforderungen an die Knochenstruktur vermitteln, was als Ausgangspunkt für die Forschung sowie für die Therapie durch elektromagnetische Felder anzusehen ist. Das Einkoppeln elektromagnetischer Felder zur Stimulation der Knochenheilung oder zur Behandlung von Pseudoarthrosen sind bekannte Anwendungen, und es existieren diverse Vorrichtungen zur Realisierung dieser Verfahren.in the State of the art is known to be mechanically induced electrical For example, fields functional requirements for the bone structure convey what is as a starting point for research as well as for therapy is to be considered by electromagnetic fields. The coupling of electromagnetic Fields for stimulating bone healing or for treatment of Pseudoarthroses are well-known applications, and there are several Devices for implementing these methods.
Auch ist bekannt, dass Felder generell einen Einfluss auf Stoffwechsel- und Transportvorgänge von Zellen haben und eine Stimulierung sowie Inhibierung dadurch möglich ist.Also it is known that fields generally have an influence on metabolic and transport operations of Have cells and a stimulation and inhibition is thereby possible.
Die Wechselwirkung von elektromagnetischen Feldern mit vitalen Systemen erfolgt nach dem Stand der Wissenschaft jedoch nur durch das elektrische Feld. Man kennt die induktive Einkopplung (IC), die kapazitive Einkopplung (CC) sowie die Methode des direkt eingeleiteten Stromes (DC) und unterscheidet die Vorrichtungen prinzipiell nach der Wirkungsweise der Einkopplung der Felder in Verbindung mit der Art des verwendeten Feldes selbst.The Interaction of electromagnetic fields with vital systems However, according to the state of science, this is done only by the electrical system Field. One knows the inductive coupling (IC), the capacitive coupling (CC) and the direct current (DC) and distinguishes the devices in principle according to the mode of action the coupling of the fields in connection with the type of used Field itself.
Die
am weitesten verbreitete Methode ist die induktive Einkopplung.
Nach der
Dieser Vorrichtung und dem damit verbundenen Verfahren haftet insbesondere der Nachteil an, dass ein inhomogenes Magnetfeld entsteht, wodurch sich die Eignung der Vorrichtung für reproduzierbare wissenschaftliche Untersuchungen stark reduziert.This Device and the associated method is particularly liable the disadvantage of creating an inhomogeneous magnetic field, resulting in the suitability of the device for reproducible scientific investigations greatly reduced.
Das zugrunde liegende Verfahren der Stimulation von Zellen wird auch als Verfahren der indirekten Einkopplung bezeichnet, da das gewünschte elektrische Feld durch ein sich zeitlich änderndes magnetisches Feld im Medium hervorgerufen wird.The underlying method of stimulation of cells will also referred to as indirect coupling method, since the desired electrical Field through a time varying magnetic Field in the medium is caused.
Nach
der
Überwiegend werden bei der induktiven Einkopplung so genannte Helmholzanordnungen von Spulen zum Einsatz gebracht.Mostly become in the inductive coupling so-called Helmholzanordnungen used by coils.
Diese bestehen aus zwei stromdurchflossenen Spulen mit paralleler konzentrischer Ausrichtung. Dabei wird entlang und in der Nähe der zentralen Achse der Spulen ein homogenes Magnetfeld erzeugt, das sich gut modellieren lässt. Die Wechselwirkung mit vitalen Systemen erfolgt jedoch indirekt durch das induzierte elektrische Feld, wie bereits ausgeführt wurde.These consist of two current-carrying coils with parallel concentric Orientation. It is along and near the central axis of the Coils generated a homogeneous magnetic field that model well leaves. However, interaction with vital systems occurs indirectly the induced electric field, as already stated.
Nach
der
Nachteilig beim Prinzip der induktiven Einkopplung ist die indirekte Art der Wechselwirkung, die letztlich zu einem kaum beschreibbaren System führt. Die eingekoppelten Energien sind kaum zu ermitteln, und daher ist die Dosierung im Einzelfall eine Ermessensfrage. Die benötigte Leistung zur Erzeugung eines Magnetfelds in einer Helmholzanordnung ist zudem sehr hoch. Bei gleichzeitig resultierenden kleinen effektiven elektrischen Feldstärken ist damit der Wirkungsgrad der Behandlung gering.adversely In the principle of inductive coupling is the indirect nature of Interaction, which ultimately leads to a hardly writable system. The Coupled energies are hard to determine and therefore the Dosage in an individual case a discretionary issue. The required power for generating a magnetic field in a Helmholzanordnung is also very high. At the same time resulting small effective electrical field strengths Thus, the efficiency of the treatment is low.
Weiterhin nachteilig ist die Größe beziehungsweise das Bauvolumen der erforderlichen Vorrichtungen.Farther disadvantageous is the size or the construction volume of the required devices.
Ebenso ist als nachteilig bei der Methode der induktiven Einkopplung anzusehen, dass die Felder sehr schlecht modellierbar sind, was insbesondere bei der Grundlagenforschung ein Nachteil von zentraler Bedeutung ist. Die Reproduzierbarkeit bei sonst vergleichbaren Bedingungen ist von der exakten Ausführung des Spulenaufbaus abhängig und somit kaum oder nur unter besonderen Bedingungen gegeben.As well is to be regarded as disadvantageous in the method of inductive coupling, that the fields are very difficult to model, which is especially true at basic research is a disadvantage of central importance. The reproducibility under otherwise comparable conditions is from the exact execution depending on the coil construction and thus hardly or only given under special conditions.
Die Einkopplung eines elektrischen Feldes erfolgt durch zeitlich veränderliche Magnetfelder. Im elektrisch leitfähigen Gewebe oder Nährmedium entstehen dabei auch Wirbelströme, die auf das Magnetfeld zurückwirken. Die Verteilung der elektrischen Felder ist somit von der Konstruktion und der Anordnung der Spulen sowie der Anatomie und der Leitfähigkeit des exponierten Gewebes abhängig und daher schwer zu verallgemeinern. Zur Abschätzung der induzierten elektrischen Feldstärken muss neben der magnetischen Flussdichte auch die zeitliche Änderung des Magnetfeldes bekannt sein. Allgemein gilt, dass je steiler die Flanken des Pulses sind, auch die induzierte Feldstärke umso höher ist. Weiterhin ist es schwierig, die tatsächliche elektrische Feldstärke in der Nähe der Zellen zu bestimmen und zu kontrollieren. Problematisch ist auch die Dauer der induzierten elektrischen Felder. Es existieren somit erhebliche Unterschiede in Form, Verteilung und Stärke der Felder, was letztlich beinhaltet, dass beispielsweise im medizintechnischen Anwendungsfall endogene elektrische Felder nur ungenügend durch gepulste Magnetfelder nachgebildet werden können.The Coupling of an electric field takes place through time-variable Magnetic fields. In electrically conductive tissue or nutrient medium thereby also generate eddy currents, which react on the magnetic field. The distribution of the electric fields is thus of the construction and the arrangement of coils as well as anatomy and conductivity dependent on the exposed tissue and therefore difficult to generalize. To estimate the induced electrical field strengths In addition to the magnetic flux density, the temporal change must also be considered be known of the magnetic field. Generally, the steeper the Flanks of the pulse are, even the induced field strength all the more is higher. Furthermore, it is difficult to determine the actual electric field strength in the Near the To determine and control cells. It is also problematic the duration of the induced electric fields. It exists thus significant differences in the shape, distribution and strength of the Fields, which ultimately includes, for example, in medical technology Use case endogenous electric fields only insufficiently Pulsed magnetic fields can be reproduced.
Eine weitere Methode besteht in der direkten Einkopplung des Stromes in das physiologische Medium.A Another method is the direct coupling of the current into the physiological medium.
Nach
der
Ganz allgemein gilt, dass elektrische Felder bei dieser Methode durch die direkte Applikation von Strömen über Elektroden katodisch mit einem Ansteigen sowie anodisch mit einem Absinken des lokalen pH-Wertes gekoppelt sind und zusätzlich Gradienten der Sauerstoffkonzentration aufgebaut werden. Eine Implantation von Elektroden in organisches Material birgt zudem ein zusätzliches Risiko von Infektionen neben den Nachteilen der elektrochemischen Zersetzung bzw. des elektrochemischen Abbaus von Komponenten des Zellkulturmediums oder der Zellkultur selbst.All Generally, electric fields in this method by the direct application of currents via electrodes cathodic with an increase and anodic with a decrease are coupled to the local pH and in addition gradients of oxygen concentration being constructed. An implantation of electrodes in organic Material also has an additional Risk of infection besides the disadvantages of electrochemical Decomposition or electrochemical degradation of components of the Cell culture medium or the cell culture itself.
Diese Effekte entstehen zum Teil dadurch, dass Elektroden die Ladungen im Medium in erster Linie durch Faradaysche Prozesse erzeugen müssen, da die für eine physiologische Reaktion erforderliche Ladung bei weitem diejenige überschreitet, die durch Laden und Entladen der Doppelschichtkapazität erreicht werden kann.These Effects arise in part from the fact that electrodes charge in the medium primarily by Faradaysche processes, since the for a charge required by a physiological response far exceeds that of achieved by loading and unloading the double-layer capacity can be.
Somit kommt die Stimulation durch direkte Einkopplung in den seltensten Fällen zur Anwendung. Zum einen ist die Wahrscheinlichkeit für eine direkte Schädigung durch Elektroporation groß und andererseits führt der direkte Kontakt der Elektroden zu Redoxprozessen in der physiologischen Umgebung, die als Beeinträchtigung zu betrachten sind.Consequently The stimulation comes through direct coupling in the rarest make for use. For one, the probability of a direct damage by electroporation big and on the other hand leads the direct contact of the electrodes to redox processes in the physiological Environment that as an impairment to be considered.
Weiterhin ist das für den Einsatz in biologischem Gewebe verwendete Elektrodenmaterial inert auszubilden, und es sollte zudem biokompatibel sein. Verwendet werden kann Platin und Iridium. Für die Herstellung von Bioelektroden wird daher sehr häufig Platin eingesetzt, da es sehr korrosionsbeständig ist und außerdem durch niedrige Schwellenpotenziale für die elektrische Stimulation gut einsetzbar ist. Eine zusätzliche Platinierung der Oberfläche, d. h. Auftragen einer rauen Edelmetallschicht, kann die Oberfläche mehr als 1.000fach vergrößern. Dadurch sinkt die Stromdichte und die elektrochemischen Prozesse verlaufen länger im reversiblen Bereich. Allerdings ist der Einsatz von Platin mit dem Nachteil verbunden, dass dieses Metall sehr teuer ist.Furthermore, the electrode material used for use in biological tissue must be made inert, and it should also be biocompatible. Can be used platinum and iridium. For the production of bioelectrodes platinum is therefore very often used, since it is very resistant to corrosion and is also well-suited due to low threshold potentials for electrical stimulation. An additional platinization of the surface, ie application of a rough noble metal layer, the Oberflä more than 1,000 times larger. As a result, the current density decreases and the electrochemical processes run longer in the reversible range. However, the use of platinum has the disadvantage that this metal is very expensive.
Bei der kapazitiven Kopplung über externe Kondensatorplatten wird das elektrische Feld von außen in ein zwischen den Kondensatorplatten liegendes System eingebracht. Somit werden bei der kapazitiven Kopplung die Felder durch Dielektrika, vielfach auch mehrere kombiniert, eingekoppelt, deren Suszeptibilität oft nicht bekannt ist. Damit ist eine Modellierung des Verfahrens und der Parameter schwierig.at the capacitive coupling over External capacitor plates, the electric field from the outside into a introduced between the capacitor plates lying system. Consequently In the case of capacitive coupling, the fields are covered by dielectrics, often combined several, coupled, their susceptibility often not is known. This is a modeling of the process and the Parameters difficult.
Die Verteilung der Stärke des elektrischen Feldes und das behandelbare Gewebe sind dabei stark von der Frequenz und den passiven elektrischen Eigenschaften des Gewebes abhängig.The Distribution of strength of the electric field and the treatable tissue are strong of the frequency and the passive electrical properties of the Tissue dependent.
Durch die kapazitiven Ladungsvorgänge werden im Unterschied zur direkten Einkopplung zwar keine chemischen Veränderungen im Medium verursacht, es können aber nur geringe Ladungsdichten erzeugt werden. Bei größeren Ladungsdichten kommt es zu dielektrischen durchbruchähnlichen Erscheinungen und zum Einsetzen Faradayscher Reaktionen. Die Kapazitäten der Kondensatorplatten sind im Allgemeinen sehr klein, so dass nur so hohe Frequenzen übertragen werden können, die oberhalb des physiologisch begründeten Frequenzbandes liegen.By the capacitive charge processes become in contrast to direct coupling, no chemical changes in the medium, it can but only low charge densities are generated. For larger charge densities it comes to dielectric breakdown-like phenomena and for inserting Faraday reactions. The capacities of Capacitor plates are generally very small, so only that way transmit high frequencies can be which are above the physiologically justified frequency band.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur möglichst verlustfreien Einkopplung eines – bevorzugt homogenen – elektrischen Feldes in physiologische Medien zur Verfügung zu stellen.The The object of the invention is a method and a device as possible lossless coupling of a - preferably homogeneous - electrical To provide field in physiological media.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung zur Einkopplung eines elektrischen Feldes in ein physiologisches und elektrisch leitfähiges Medium gelöst, welche insbesondere dadurch gekennzeichnet ist, dass eine erste mit Wechselspannung beaufschlagbare Spule auf einem „Trafokern", wie z. B. einem ferromagnetischen Toroid, angeordnet ist und dass eine geschlossene Leiterschleife als zweite Spule durch den Trafokern bzw. den Toroid hindurchgehend zur transformatorähnlichen Einkopplung eines elektrischen Feldes in die Leiterschleife vorgesehen ist, in welcher das physiologische Medium angeordnet ist. Toroid heißt dabei jeder Torus und im topologischen Sinne einem Torus homöomorphe Körper.The The object of the invention is achieved by a device for coupling of an electric field in a physiological and electrical conductive medium solved, which is characterized in particular by a first with AC voltage acted upon coil on a "transformer core", such as a ferromagnetic toroid, is arranged and that a closed Conductor loop as a second coil through the transformer core and the toroid going through to transformer-like Coupling of an electric field provided in the conductor loop is, in which the physiological medium is arranged. toroid is called each torus and in the topological sense a torus homeomorphs Body.
Die Konzeption der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein elektrisches Feld durch eine transformatorähnliche Einkopplung im physiologischen Medium bereitgestellt bzw. erzeugt wird. Das erzeugte elektrische Feld ist bei einer bevorzugten Gestaltung der vom Medium gebildeten Leiterschleife homogener Natur und ist zur positiven oder negativen Wechselwirkung mit den vitalen Komponenten einsetzbar.The Concept of the present invention is that an electrical Field through a transformer-like Provided or generated in the physiological medium coupling becomes. The generated electric field is in a preferred design the conductor loop formed by the medium of homogeneous nature and is used for positive or negative interaction with the vital components.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Leiterschleife als elektrisch nicht leitender Schlauch mit einem elektrisch leitfähigen Medium ausgebildet. Das transformatorähnliche Prinzip beinhaltet, dass die Leiterschleife mindestens einmal und in Abhängigkeit des Übersetzungsverhältnisses auch mehrfach den Toroid durchdringt, um das elektrische Feld in das Medium der Leiterschleife nach dem transformatorischen Prinzip einzubringen.To A preferred embodiment of the invention is the conductor loop designed as an electrically non-conductive hose with an electrically conductive medium. The transformer-like Principle implies that the conductor loop at least once and dependent on the translation ratio too repeatedly penetrates the toroid to the electric field in the Medium of the conductor loop according to the transformer principle to bring.
Weiterhin ist es vorteilhaft, einen Teil der Leiterschleife als Bioreaktor auszubilden. Auch ist es vorteilhaft, die Leiterschleife in Länge und Querschnitt so auszuführen, dass sie hochohmig ist, mit einem elektrischen Widerstand von größer als 1 kΩ. Im Bioreaktor sind Komponenten zur Temperierung des Mediums als auch Möglichkeiten zur Überwachung und Steuerung der relevanten Parameter des physiologischen Systems vorgesehen. Dabei lässt sich die elektrische Stimulation vorteilhaft mit anderen stimulierenden Komponenten, wie einer Regelung des hydrostatischen Druckes oder einer Vorrichtung zur Deformation der Zellen mit dem Zweck der mechanischen Stimulierung kombinieren. So kann insbesondere in Aufbauten des Tissue-Engineering eine optimierte Einflussnahme auf die Erzeugung der Konstrukte erzielt werden.Farther it is advantageous to use part of the conductor loop as bioreactor train. Also, it is advantageous to have the conductor loop in length and Cross-section to perform so that it is high impedance, with an electrical resistance greater than 1 kΩ. in the Bioreactors are components for tempering the medium as well options for monitoring and control of the relevant parameters of the physiological system intended. It is possible the electrical stimulation beneficial with other stimulating Components, such as a control of hydrostatic pressure or a device for deforming the cells with the purpose of mechanical Combine stimulation. Thus, especially in structures of the Tissue engineering one optimized influence on the generation of the constructs achieved become.
Die räumliche Trennbarkeit von Stimulationsquelle und Kulturraum wird vorteilhaft dazu genutzt, die Einkopplung des elektrischen Feldes in einem Aufbau zu realisieren, der es gestattet, die vitale Komponente gleichzeitig mit der Stimulation mikroskopisch zu beobachten (in situ Mikroskopie).The spatial Separability of stimulation source and culture space will be beneficial used to the coupling of the electric field in a structure to realize that allows the vital component at the same time microscopy with stimulation (in situ microscopy).
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung hat die Leiterschleife eine Länge von 90 Zentimeter und wird in dem Bereich der Durchdringung des Toroiden als Silikonschlauch mit einer Länge von 40 Zentimetern und mit einem Durchmesser von 10 Millimetern sowie einem Modellwiderstand RM von 4,95 kΩ ausgebildet.According to one embodiment of the invention, the conductor loop has a length of 90 centimeters and is formed in the region of penetration of the toroid as a silicone tube with a length of 40 centimeters and a diameter of 10 millimeters and a model resistance R M of 4.95 kΩ.
Nach einer alternativen Ausgestaltung der Vorrichtung ist der Toroid derart ausgebildet, dass Gliedmaßen bzw. Extremitäten oder Körperteile von Menschen oder Tieren zur Bildung einer Leiterschleife durch den Toroid hindurchführbar sind. Mit dieser Ausbildung des Toroids sind beispielsweise orthopädische Behandlungen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich.To an alternative embodiment of the device is the toroid designed such that limbs or extremities or Body Parts of humans or animals to form a conductor loop through the toroid can be passed are. With this training of the toroid are, for example, orthopedic treatments with the device according to the invention possible.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren zur Behandlung eines elektrisch leitfähigen Zellkulturmediums mit einer Vorrichtung gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Zellen oder Zellverbände in ein elektrisch leitfähiges Zellkulturmedium eingebracht werden und dass das Zellkulturmedium in der Leiterschleife positioniert und mit einem elektrischen Feld E von 0,5 V/m bei einer Generatorfrequenz f von 75 Hz beaufschlagt wird.The object of the invention is further by a method for the treatment of an electric conductive cell culture medium dissolved with a device, which is characterized in that the cells or cell assemblies are introduced into an electrically conductive cell culture medium and that the cell culture medium positioned in the conductor loop and with an electric field E of 0.5 V / m at a generator frequency f of 75 Hz is applied.
In alternativen Ausgestaltungen dieses Verfahrens zur Behandlung elektrisch leitfähiger Zellkulturmedien mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein elektrisches Feld von entsprechend höherer oder geringerer Stärke als 0,5 V/m erzeugt, und die Generatorfrequenz wird höher oder niedriger als 75 Hz in Abhängigkeit vom Zelltyp gewählt. Die Optima für Feldstärke E und Frequenz f sind entsprechend den Besonderheiten der jeweiligen physiologischen Systeme bzw. Zelltypen oder Mikroorganismenarten zu bestimmen.In alternative embodiments of this method for treatment electrically conductive Cell culture media with a device according to the invention becomes an electrical Field of corresponding higher or higher lesser strength generated as 0.5 V / m, and the generator frequency is higher or lower than 75 Hz depending chosen by cell type. The Optima for field strength E and frequency f are according to the specifics of each physiological systems or cell types or microorganism species determine.
In weiteren Ausgestaltungen kann der Generator, der die Wechselspannung erzeugt, die an die erste Spule auf dem Toroid angelegt wird, einen aus mehreren Frequenzen überlagerten Signalverlauf erzeugen, der zu zeitlich ungleichmäßigen Feldstärken im Medium führt.In Further embodiments, the generator, the AC voltage generated, which is applied to the first coil on the toroid, one superimposed from several frequencies Generate waveform that leads to temporally uneven field strengths in the Medium leads.
Nach einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung werden als Zellen Saos-2 ATCC Nummer HTB-85 Zellen auf Glasplättchen mit ca. 12 mm Durchmesser eingesetzt. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden als Zellen Mikroorganismen eingesetzt. Als Zellkulturmedium für die Zellen oder Zellverbände wird beispielsweise McCoy's 5a Medium eingesetzt.To an exemplary embodiment of the invention are called cells Saos-2 ATCC number HTB-85 Cells on glass slides used with approx. 12 mm diameter. After a further advantageous Embodiment of the method are used as cells microorganisms. As a cell culture medium for the cells or cell aggregates becomes McCoy's, for example 5a medium used.
Im Tissue-Engineering ist eine beispielhafte Ausgestaltung so geartet, dass sie gestattet, spezifische Zellträger (scaffolds), die (bio)chemisch funktionalisiert sein können und mit multipotenten Progenitorzellen eines zu ersetzenden Gewebes besiedelt sind, gezielt zu beeinflussen. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird zum Zwecke der Ausbildung eines Tissue-Engineering-Konstruktes zur Therapie von Knochendefekten ein poröser Träger aus einem bioresorbierbaren Kunststoff, wie z. B. einem Gestick aus Polyhydroxybuttersäure (PHB) oder Polymilchsäure kombiniert mit Komponenten der extrazellulären Matrix, wie Kollagen Typ I oder Chondroitinsulfat (CS). Nach der Besiedlung mit autologen mesenchymalen Vorläuferzellen aus Knochenmark und/oder Fettgewebe erfolgt die Kultur in perfundierten Bioreaktoren. Im Kulturmedium, z. B. Dulbecc's modified Eagle Medium (DMEM) mit autologem Serum wird ein elektrisches Feld gemäß dem erfindungswesentlichen Prinzip der transformatorähnlichen Einkopplung erzeugt, das die Differenzierung zu osteoblastären Zellen begünstigt.in the Tissue engineering is an exemplary embodiment of this kind that allows specific cell carriers (scaffolds) that are (bio) chemical can be functionalized and with multipotent progenitor cells of a tissue to be replaced are colonized to influence purposefully. After an embodiment The invention is used for the purpose of forming a tissue engineering construct for the therapy of Bone defects a porous one carrier from a bioresorbable plastic, such. B. a knit polyhydroxybutyric (PHB) or polylactic acid combined with components of the extracellular matrix, such as collagen type I or chondroitin sulfate (CS). After colonization with autologous mesenchymal precursor cells from bone marrow and / or fatty tissue, the culture is perfused Bioreactors. In the culture medium, for. Dulbecc's modified Eagle Medium (DMEM) with autologous Serum becomes an electric field according to the invention essential Principle of transformer-like Incoupling produces that differentiation into osteoblastic cells favors.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist insbesondere gegenüber den im Stand der Technik überwiegend eingesetzten Helmholzspulen und einer Einkopplung nach dem induktiven Kopplungsprinzip folgende Vorteile auf:
- • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist einfacher im Aufbau und benötigt weniger Platz und Bauvolumen.
- • Die Einkopplung des elektrischen Feldes kann räumlich getrennt von anderen apparativen Komponenten oder dem Bioreaktor erfolgen.
- • Weiterhin besteht kein unmittelbarer Zusammenhang zwischen der Größe des zur Einkopplung genutzten Transformators und dem Volumen, in dem das homogene elektrische Feld vorliegt.
- • Von Vorteil ist ebenso, dass ein höherer Wirkungsgrad und damit eine geringere erforderliche Primärleistung für die Erzeugung des elektrischen Feldes anwendbar ist. Von besonderem Interesse ist dabei, dass durch die geringere Verlustleistung – im Vergleich zu Helmholzspulen – für Vorrichtungen nach dem erfindungsgemäßen Prinzip keine Wasserkühlung der Anordnung notwendig ist, da sich das physiologische Medium während der Behandlung mit dem elektrischen Feld nicht zu stark aufheizt.
- The device according to the invention is simpler in construction and requires less space and volume.
- • The coupling of the electric field can be spatially separated from other apparatus components or the bioreactor.
- • Furthermore, there is no direct correlation between the size of the transformer used for coupling and the volume in which the homogeneous electric field is present.
- • Another advantage is that a higher efficiency and thus a lower required primary power for the generation of the electric field is applicable. Of particular interest is that due to the lower power loss - compared to Helmholtz coils - for devices according to the principle of the invention no water cooling of the arrangement is necessary because the physiological medium does not heat up too much during treatment with the electric field.
Weitere Vorteile gegenüber bekannten Verfahren bestehen darin, dass im Vergleich zu den Verfahren nach dem direkten Kopplungsprinzip keine schädigenden Elektroden erforderlich sind und damit auch die negativen Effekte des Auftretens elektrochemischer Reaktionen und Reaktionsprodukte ausgeschlossen sind. Weiterhin sind im Vergleich zur kapazitiven Kopplung keine empfindlichen dielektrisch beschichteten Elektroden im Medium erforderlich. Außerdem ist die Übertragung eines weiten Frequenzbandes, insbesondere von tiefen, physiologisch relevanten Frequenzen im Vergleich zur Methode der kapazitiven Kopplung, möglich.Further Advantages over known methods are that in comparison to the methods No damaging electrodes required according to the direct coupling principle are and thus also the negative effects of the occurrence of electrochemical Reactions and reaction products are excluded. Farther are no sensitive dielectrically coated in comparison to the capacitive coupling Electrodes required in the medium. Besides, the transmission is a wide frequency band, especially of deep, physiological relevant frequencies compared to the capacitive coupling method, possible.
Die elektrische Feldstärke nach dem erfindungsgemäßen Prinzip ist in einem weiten Bereich einstellbar, und es sind im Besonderen auch hohe Feldstärken im Vergleich zu den Methoden der kapazitiven Kopplung und der induktiven Kopplung realisierbar.The electric field strength according to the principle of the invention is adjustable in a wide range, and it is in particular also high field strengths compared to the methods of capacitive coupling and inductive Coupling feasible.
Letztlich führt die konsequente Anwendung der transformatorähnlichen Kopplung zu einem sehr viel schwächeren Magnetfeld als Begleiterscheinung. Es entsteht nur das den induzierten Strom umgebende Magnetfeld, und es entsteht kein Magnetfeld im Nährmedium, aus dem ein elektrisches Feld induziert wird. Es treten nur sehr schwache Wirbelströme auf, und es erfolgt somit nur eine geringe Erwärmung im Bereich des magnetischen Feldes.Ultimately leads the consistent application of the transformer-like coupling to a much weaker Magnetic field as a side effect. It only creates the induced Current surrounding magnetic field, and there is no magnetic field in the nutrient medium, from which an electric field is induced. It only happens very much weak eddy currents on, and thus there is only a slight warming in the magnetic field Field.
Von weiterem Vorteil ist, dass das elektrische Feld im Vergleich zur induktiven Kopplung einfach berechenbar ist, was gerade im Hinblick auf die Planung von Versuchen oder auch der therapeutischen Behandlung von Wichtigkeit ist.Another advantage is that the electric Compared to inductive coupling, the field is easily calculable, which is important in terms of planning of trials or therapeutic treatment.
Das elektrische Feld ist über große räumliche Bereiche homogen, was als ganz besonderer Vorteil herauszustreichen ist.The electric field is over size spatial Areas homogeneous, which is a very special advantage is.
Methodisch liegt der entscheidende Vorteil darin, dass eine weitestgehend reine Stimulation durch ein elektrisches Feld im Unterschied zumeist mit magnetischen Feldern verbundenen alternativen Wirkprinzipien möglich ist.methodical The decisive advantage is that a largely pure Stimulation by an electric field, unlike mostly magnetic fields associated alternative principles of action is possible.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtungskonzeption besteht darin, dass das Prinzip für geschlossene Systeme einsetzbar ist, da die Leiterschleife selbst geschlossen ist und somit das Erfordernis der mikrobiologischen Sterilität bei Anwendungen in der Bioverfahrenstechnik oder der Medizin auf einfache Weise realisierbar wird.One Another advantage of the inventive device design is that the principle can be used for closed systems is because the conductor loop itself is closed and thus the requirement the microbiological sterility in applications in bioprocess engineering or medicine easy way becomes feasible.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:Further Details, features and advantages of the invention will become apparent the following description of embodiments with reference on the associated Drawings. Show it:
In
Apparativer
Kern der Vorrichtung ist der Toroid
Die
Spule
Weitere
Ausgestaltungen bestehen darin, dass die Spule
Fließt ein Wechselstrom
Der
Bioreaktor
Die
Deckplatte ist aus einem lichtdurchlässigen Material gearbeitet,
wodurch die Beobachtung der Prozesse in dem Bioreaktor
Der
Bioreaktor
Weiterhin
sind zur Sicherstellung der Homogenität des physiologischen Mediums
und zur Stimulierung der im Bioreaktor
Die
Kanalverbreiterungen
Die
Bioreaktoren gemäß
- 11
- Bioreaktorbioreactor
- 22
- Leiterschleifeconductor loop
- 33
- Trafokern, Torus, ToroidTransformer core, Torus, Toroid
- 44
- SpuleKitchen sink
- 55
- WechselspannungssignalAC signal
- 66
- mäanderförmiger Kanalmeandering channel
- 77
- Anschlussstutzenspigot
- 88th
- Kanalverbreiterungenchannel extensions
- 99
- ZellkulturträgerCell culture carriers
- 1010
- Vertiefungen im Boden der Bioreaktorplattewells in the bottom of the bioreactor plate
- 1111
- Grundplattebaseplate
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