نمذجة العناصر المحدودة لبيئة كهربائية خلوية
Summary
تعرض هذه الورقة استراتيجية لبناء نماذج عناصر محدودة من المواد موصل ليفية تتعرض لحقل كهربائي (EF). يمكن استخدام النماذج لتقدير المدخلات الكهربائية التي تتلقاها الخلايا المصنفة في مثل هذه المواد وتقييم تأثير تغيير خصائص المواد المكونة للسقالة أو هيكلها أو اتجاهها.
Abstract
تظهر الدراسات السريرية التحفيز الكهربائي (ES) ليكون العلاج المحتمل للشفاء وتجديد الأنسجة المختلفة. فهم آليات استجابة الخلايا عند التعرض للمجالات الكهربائية وبالتالي يمكن أن توجه الأمثل للتطبيقات السريرية. وتهدف التجارب المختبرية إلى المساعدة في الكشف عن تلك التجارب، مما يوفر ميزة نطاقات أوسع للمدخلات والمخرجات يمكن تقييمها أخلاقيا وفعالا. ومع ذلك ، من الصعب إعادة إنتاج التقدم في التجارب المختبرية مباشرة في البيئات السريرية. ويرجع ذلك أساسا إلى أن أجهزة ES المستخدمة في المختبر تختلف اختلافا كبيرا عن تلك المناسبة لاستخدام المريض، والمسار من الأقطاب الكهربائية إلى الخلايا المستهدفة مختلف. وبالتالي فإن ترجمة النتائج في المختبر إلى إجراءات في الجسم الحي ليست مباشرة. ونؤكد أن بنية البيئة الخلوية الدقيقة وخصائصها الفيزيائية تلعب دورا حاسما في ظروف الاختبار التجريبي الفعلي، ونقترح أن تدابير توزيع الشحنة يمكن استخدامها لسد الفجوة بين المختبر وفي الجسم الحي. وبالنظر إلى ذلك، فإننا نظهر كيف يمكن استخدام نمذجة العناصر المحدودة في السيليكو (FEM) لوصف البيئة الدقيقة الخلوية والتغيرات الناتجة عن التعرض للمجال الكهربائي (EF). نسلط الضوء على كيفية أزواج EF مع هيكل هندسي لتحديد توزيع الشحنة. ثم نعرض تأثير المدخلات المعتمدة على الوقت على حركة الشحن. وأخيرا، فإننا نثبت أهمية منهجيتنا الجديدة في نموذج السيليكو باستخدام دراستي حالة: (1) في السقالات الليفية المختبرية بولي (3،4-إيثيلين ديوكسيثيوفين) بولي (الستيرينسولفونات) (PEDOT-PSS) و (2) في الكولاجين الحي في مصفوفة خارج الخلية (ECM).
Introduction
ES هو استخدام EFs بهدف السيطرة على الخلايا والأنسجة البيولوجية. وتستند آليته على التحفيز المادي الذي يتم نقلها إلى الخلية عندما تتعرض الجزيئات الحيوية داخلها والمحيطة بها لتدرج الجهد المتولد خارجيا. وتشارك الجسيمات المشحونة في حركة منظمة يحكمها قانون كولومب، مما يولد قوى سحب على الجسيمات غير المشحونة. يؤدي تدفق السوائل الناتج وتوزيع الشحنة إلى تغيير أنشطة الخلايا ووظائفها مثل التصاق والانكماش والهجرة والتوجه والتمايز والانتشار1 حيث تحاول الخلية التكيف مع التغير في ظروف البيئة الدقيقة.
وبما أن الصناديق الكهربائية يمكن التحكم فيها، وغير الغازية، وغير الدوائية، وتبين أن لها تأثير فعال على سلوك الخلايا الأساسية، ES هو أداة قيمة لهندسة الأنسجة والطب التجديدي. وقد تم استخدامه بنجاح لتوجيهالعصبية 2, الهيكل العظمي3, عضلة القلب4, العظام5 والجلد6 التنمية. وعلاوة على ذلك، كما أنه يعزز iontophoresis7،ويستخدم كعلاج بديل أو مكمل لتلك الدوائية التقليدية. لا تزال تناقش كفاءتها في إدارة الألم كما ينتظر التجارب السريرية ذات جودة أعلى8,9,10. ومع ذلك، لم يتم الإبلاغ عن أي آثار سلبية ولها القدرة على تحسين رفاهية المريض11،12،13،14،15.
في حين أن التجارب السريرية فقط يمكن أن تعطي حكما نهائيا لفعالية الإجراء ، فإن هناك حاجة إلى نماذج في المختبر وفي silico لإثراء تصميم علاج ES الذي يمكن التنبؤ به لأنها توفر سيطرة أقوى على مجموعة أوسع من الحالات التجريبية. الاستخدامات السريرية التحقيق من ES هي تجديد العظام16,17, الانتعاش من العضلات denervated18,19, تجديد أكسنال بعد الجراحة20,21, تخفيف الألم22, التئام الجروح23,24,25 وإيونتوبهوريتي تسليم المخدرات26. من أجل إدخال أجهزة ES على نطاق واسع على جميع التطبيقات المستهدفة المحتملة ، لم تثبت التجارب السريرية بعد أدلة أقوى على العلاج الفعال. حتى في المجالات التي تشير فيها الدراسات الحيوانية والبشرية الحية باستمرار إلى نتائج إيجابية ، فإن العدد الكبير من الطرق المبلغ عنها إلى جانب القليل جدا من التوجيه حول كيفية الاختيار بينها وارتفاع سعر الاستحواذ يردع الأطباء عن الاستثمار في أجهزة ES27. للتغلب على ذلك، لم يعد من الممكن التعامل مع النسيج المستهدف كصندوق أسود (الحد الأقصى للتجارب في الجسم الحي) ولكن يجب أن ينظر إليه على أنه تآزر معقد بين أنظمة فرعية متعددة(الشكل 1).
وقد أجريت تجارب ES متعددة في المختبر على مر السنين28،29،30،31،32،33،34. معظم هذه تميز فقط ES من خلال انخفاض الجهد بين الأقطاب الكهربائية مقسومة على المسافة بينهما – تقريب تقريبي لحجم المجال الكهربائي. ومع ذلك ، فإن المجال الكهربائي نفسه يؤثر فقط على الجسيمات المشحونة ، وليس الخلايا مباشرة. أيضا، عندما يتم تداخل مواد متعددة بين الجهاز والخلايا، قد لا تعقد تقريب الخام.
ويتطلب التوصيف الأفضل لإشارة الإدخال رؤية واضحة حول كيفية نقل التحفيز إلى الخلية. الطرق الرئيسية لتقديم ES هي اقتران مباشر وسعوي وحثي35،36. تختلف الأجهزة لكل طريقة مع نوع القطب الكهربائي (قضيب أو مستو أو لف) ووضع نسبة إلى النسيج المستهدف (في اتصال أو معزولة)35. الأجهزة المستخدمة في الجسم الحي لعلاجات أطول تحتاج إلى أن تكون قابلة للارتداء، وبالتالي فإن الأقطاب الكهربائية ومعظم الأحيان يتم زرع مصدر الطاقة أو تعلق على الجلد كما ضمادات الجرح أو بقع كهربائية. يؤدي تدرج الجهد المتولد إلى إزاحة الجسيمات المشحونة في منطقة المعالجة.
كما أنه يؤثر على تدفق الجسيمات المشحونة الناتجة في محيط الخلايا، هيكل سقالة ذات أهمية قصوى في تصميم بروتوكولات ES. تنشأ تكوينات نقل الشحن المختلفة إذا كانت مادة المنصة أو تقنية التركيب أو الهيكل أو التوجه بالنسبة لتغيير تدرج الجهد. في الجسم الحي، يتأثر توافر وحركة الجسيمات المشحونة ليس فقط بالخلايا ولكن أيضا بشبكة الكولاجين والسوائل الخلالية التي تتألف منها ECM الداعمة. وتستخدم السقالات هندسيا على نحو متزايد لتحسين إعادة البيئة الدقيقة الخلية الطبيعية في المختبر1،35. في الوقت نفسه ، فإن ECM هو سقالة طبيعية معقدة.
وتستند السقالات الاصطناعية على المعادن، وإجراء البوليمرات والكربون، وهندستها مع التركيز على تحقيق التوازن بين التوافق البيولوجي مع الأداء الكهروكيميائية والاستقرار على المدى الطويل36. نوع واحد سقالة تنوعا هو حصيرة ليفية electrospun التي توفر تضاريس نانوية يمكن التحكم فيها. ويمكن هندسة هذا لتشبه ECM، وبالتالي تقديم الإشارات الميكانيكية المماثلة التي تساعد على تجديد مجموعة واسعة من الأنسجة37. للتأثير بشكل كبير على ES ، يجب أن تكون الحصير موصلة إلى حد ما. ومع ذلك، البوليمرات الموصلة من الصعب electrospin والمزج مع الناقلات العازلة يحد من الموصلية من الألياف الناتجة38. حل واحد هو بوليمر مونومر موصل على سطح الألياف العازلة، مما أدى إلى قوة ميكانيكية جيدة والخصائص الكهربائية للمنتجالنهائي 38. مثال على ذلك هو طلاء ألياف كهربائية حريرية مع PEDOT-PSS39شبه موصل. مزيج من الإشارات الميكانيكية والكهرومغناطيسية يسرع بشكل كبير نمو النيوريت40،41،42. Neurites اتبع السقالات محاذاة الألياف، وإطالة أكثر بعد التعرض لEEF موازية للألياف من العمودي واحد43. وبالمثل ، فإن محاذاة السقالات الليفية إلى EF تعزز أيضا نضوج الميوجيني33.
ويتكون أساسا ECM من البروتينات الليفية تشكيل44، من تلك نوع الكولاجين الأول كونه المكون الرئيسي في جميع الأنسجة الحيوانية وبصرف النظر عن الغضروف (غنية في نوع الكولاجين الثاني)44. Tropocollagen (TC) ، تشكيل ثلاثية من خيوط البوليبتيد ، هو عزر الهيكلية من الفيبريلات الكولاجين45. انتقال المجهر الإلكتروني وصور المجهر القوة الذرية من الفيبريلات الكولاجين تظهر نمط مد الدوري النطاقات46 وأوضح من قبل هودج وبيتروسكا نموذج47 كما صفائف العادية من الثغرات TC ويتداخل45. وتتكون الأوتار من مصفوفة الرجفان الكولاجيني المنحازة محمية من قبل مصفوفة بروتيوغليكان غير الكولاجينية عالية الهيدرفيلية48،49. Decorin هو بروتيوغليكان صغير غني بالليوزين (SLRP) قادر على ربط مناطق الفجوة من الفيبريلات الكولاجين والتواصل مع SLRPs الأخرى من خلال سلاسل جانبية جليكوسامينوغليكان (GAG)49. الدراسات التي أجريت على الأوتار تبين أن خصائصها الكهربائية تتغير بشكل كبير عندما رطب50،51، آلية نقل تهمة تغيير من البروتونية إلى الأيونية كما يزيد مستوى الترطيب51. وهذا يشير إلى أن التوصيل الكهربائي على طول نوع الكولاجين I fibril يمكن تمكينه من خلال معطف مياه Decorin ، مع مناطق الفجوة والتداخل التي لها الموصلات الكهربائية المختلفة والثوابت العازلة.
كما الترفيه متطابقة من ECM بواسطة السقالات الاصطناعية غير محتمل، والمعرفة المنتجة التآزر بين في الجسم الحي وفي المختبر تمكين من نتائج قابلة للترجمة ويبدو أن في طريق مسدود. في النمذجة سيليكو ليس فقط إعادة تمكين الترجمة بين البلدين، ولكن أيضا يضيف فوائد هامة في توصيف العمليات غير معروف المشاركة في ES. مقارنة الملاحظات في الجسم الحي مع المختبر يمكن أن تجلب معلومات عن قوة الاقتران بين النسيج المستهدف وبقية الكائن الحي ولكن لا يكشف حدود المعرفة الحالية. يمكن كشف المجهول من خلال ملاحظة الفرق بين ما يتوقع أن يحدث بناء على المعرفة الحالية وما يحدث. في تجارب silico على أساس النمذجة الرياضية تسمح بتقسيم العملية إلى معالجات فرعية معروفة وغير معروفة. وبهذه الطريقة، تظهر الظواهر التي لم يتم احتسابها في النموذج عندما تقارن تنبؤات السيليكو بالتجارب في المختبر وفي الجسم الحي.
إن تشكيل واختبار الفرضيات المتعلقة بالآلية (الآليات) الأساسية لكيفية تأثر الخلايا والأنسجة بالحقول الكهربائية يعوقه العدد الكبير من المعلمات52 التي تحتاج إلى اختبار منفصل. لتحديد الظروف التجريبية التمثيلية، يجب تقسيم عملية ES في العمليات الفرعية(الشكل 1)ويجب تحديد إشارات الإدخال المهيمنة التي تؤثر على سلوك الخلية. نماذج تمثل الآثار المادية الأساسية للES على الخلايا تصف المجال الذي أزواج EF مع الخلية – أن من الجسيمات المشحونة53. سلوك الجسيمات الخارجية للخلية يعتمد على البيئة الدقيقة ويمكن التحقيق بشكل منفصل عن الخلية. إشارة الإدخال المهيمنة للخلية هي المجموعة الفرعية من مخرجات جهاز ES التي تسبب أكبر درجة من التباين في استجابة الخلية. أصغر مجموعة فرعية من المعلمات التجريبية الكاملة التي يمكن أن تولد اختلافات في جميع إشارات إدخال الخلية المهيمنة يمكن استخدامها لتقليل البعد الفضائي المعلمة وعدد حالات الاختبار.
يجب أن يكون إدخال النموذج المستهدف ES البيولوجي مجموعة فرعية من إشارات الإخراج التي ينتجها جهاز ES المفيدة في وصف الآثار الفيزيائية ل ES على الخلايا. مفاعل حيوي بسيط مع اقتران مباشر له نفس بنية الخلايا الكهروكيميائية المنحلة بالكهرباء. وتبين نماذج من تلك النماذج التوزيع الأولي (المحاسبة لمقاومة الحلول)، أو الثانوي (الذي يفسر أيضا ردود الفعل الفارادية) أو الثالثي (الذي يفسر أيضا انتشار الأيونات) لتوزيع الكثافة الحالية. وبما أن التعقيد يترجم إلى تكلفة حسابية، فإن أبسط نموذج هو الأنسب لاستكشافات الفضاء المعلمة. وتركز عمليات محاكاة المركبات الليفية التي تحفزها خصائص المواد54 على خصائص المواد السائبة نتيجة للهندسة الدقيقة المعقدة، وبالتالي لا يمكن وصف الآثار المحلية للتعرض ل EF. الموجودة في نماذج السيليكو، بدافع من ES، والتركيز على العينة البيولوجية، وخلية واحدة مغمورة في وسط متجانس55،56،57،أو الأنسجة المعقدة مع الفضاء خارج الخلية متجانسة58. الشحن والكثافة الحالية(الشكل 2)يمكن أن تكون بمثابة إشارات واجهة بين نماذج الجهاز ES والعينة البيولوجية، أو بين مكونات مختلفة من الجهاز ES. يستخدم البروتوكول المقترح القائم على FEM المعادلات الموضحة في الشكل 2 وتم استخدامه لدراسة كيفية استخدام المعلمات المعتمدة على السقالات لتعديل هاتين الإشرتين ، بغض النظر عن EF الناتجة عن إعداد اقتران مباشر. تؤكد النتائج أنه من الضروري حساب الخصائص الكهربائية للسقالة أو ECM عند التحقيق في كيفية تأثير ES على الخلايا المستهدفة.
Protocol
Representative Results
Discussion
ويقترح البروتوكول المقترح حلا موحدا للنمذجة للسقالات الطبيعية والاصطناعية ويسلط الضوء على الحاجة إلى النظر في البنية النانوية للسقالات الليفية عند فحص آثار EF على الخلايا المصنفة على هذه المواد. على الرغم من أن تقريب خشن لكثافة EF (الفرق المحتمل للقطب الكهربائي مقسوما على المسافة بين الأقطاب الكهربائية) سيقودنا إلى توقع قوة حقل 100 mV /mm ، فإن المحاكاة تتوقع نقاط قوة حقل ثابتة أعلى بنسبة تصل إلى 30٪ في مناطق مختلفة من الحصيرة(الشكل 5). وينبغي أن تكون هذه النتيجة ذات أهمية في تصميم تجربة ES وتفسير البيانات، حيث يمكن أن يكون سبب موت الخلية هو وجود صناديق استثمار إلكترونية قوية للغاية. ومن شأن الكشف عن البيئة الكهربائية الدقيقة أن يمكن من وجود ارتباط مباشر بين ES والتنمية الخلوية. في حين أن العديد من الدراسات تقدم تحليلا مفصلا مورفولوجيا من السقالات المستخدمة33،43،59، فإنها لا تحقق في التفاعل بين الهيكل والخصائص الكهربائية للمواد وEF. ويمكن لهذا البروتوكول تمكين هذا الرابط، حيث يمكن تعديل معلمات مثل نصف قطر الألياف وسماكة طبقة الطلاء والمسافة بين الألياف والخصائص الكهربائية للمواد المكونة وفقا لكل تجربة عن طريق تغيير التعريفات العالمية في الخطوتين 1.2 و 1.3. ومن ثم، يمكن إجراء الشحنة ثلاثية الأبعاد المخصصة التي تم حلها مكانيا والتنبؤات الحالية بالكثافة لكل من أنظمة ES الثابتة والديناميكية.
يمكن استهداف تحسين تصميم السقالات من خلال نماذج RNC و RNCd مع استكشافات نطاق المعلمة الواسعة ، وتوسيع نطاق المورفولوجيا المقترحة أو أجزاء منها. بدلا من ذلك، يمكن التحقيق في تكوينات سقالة أخرى مع البروتوكول المقترح عن طريق تغيير أنواع الصفيف من خطي إلى ثلاثي الأبعاد في القسم 1.6.5 وتكييف هندسة السقالات في القسم 1.6.2. ومع ذلك ، لا يمكن أن يتم التحسين سقالة دون هدف. في حين لأغراض هندسة الأنسجة التركيز الرئيسي هو مصير الخلية، صورة أوضح على ما هي المحفزات المحددات الرئيسية أمر ضروري إذا كان من المرغوب السيطرة موثوق بها. الشحنة والكثافة الحالية هي واصفات جيدة من البيئات الدقيقة الكهربائية الخلوية لأنها تظهر التفاعل بين EF والخصائص الكهربائية للمواد المكونة المختلفة للسقالات المعقدة مثل ECM. يوضح البروتوكول كيفية حساب التنبؤات لتلك المقاييس نظرا لهندسة سقالة nanofibrous ويسلط الضوء على أهمية زاوية محاذاة الألياف مع EF. ويمكن بعد ذلك ربط التنبؤات بالشحن والكثافة الحالية بالتنمية الخلوية، وبالتالي يمكن بعد ذلك تحسين نظم السقالات وES لمهام محددة.
ومن المثير للاهتمام، أظهرت دراسة أن التعرض EF ولدت الإجهاد الميكانيكي أكثر من الضعف في القوة في الأفلام المركبة مع ألياف النانو عمودي على EF الخارجية مقارنة مع الأفلام مع محاذاة موازية60. الإجهاد الميكانيكي المبلغ عنه يمكن أن يكون نتيجة لقوات كولومب تعمل بين الألياف المشحونة، التي تنبأت بها المحاكاة نموذج الخام (RC، RNC، RNCD)(الشكل 6). وفي حين أن عمليات المحاكاة هذه يمكن أن تكون مفيدة في التحقيق في هذه الفرضية، لا بد من الإشارة إلى أن النتائج التجريبية المبلغ عنها تم الحصول عليها في نظام اقتران بالسعات، والمحاكاة تقدم اقترانا مباشرا.
ومن العوامل التي تحد من الاستخدامات المحتملة للبروتوكول في المستقبل لتقدير إشارة إدخال خلوية عدم اليقين بشأن المعلمة. المعلمات الهندسية غير مؤكدة هي سمك طبقة الطلاء والمسافة بين النوى الألياف. يمكن استنتاج الأول من خلال العثور على القيمة التي تؤدي إلى مقاومة السائبة التي يمكن التحقق من صحتها تجريبيا. ويمكن استخراج الثانية من المواد عالية الدقة بمسح. وتتأثر أيضا البارامترات التي تصف الخصائص الفيزيائية للمواد بعدم اليقين. ومع ذلك ، فإن الموصلية الكهربائية والثابت العازل للمواد المجسدة تختلف أكثر بكثير من دقة القياس التجريبية(الجدول 2). ولذلك، سيتم الإبقاء على الآثار المبلغ عنها على الرغم من أخطاء القياس المعتدلة.
وتبين النتائج كيف أن التعقيد غير الكافي للنموذج قد يخفي المعلومات ذات الصلة. من المهم الاعتراف بأن البروتوكول يحاكي نسخة مبسطة من الظاهرة الفيزيائية التي تحدث لأنه لا يأخذ في الاعتبار الطبيعة المختلفة للمواد المشاركة في العملية – الموصلات (الأقطاب الكهربائية) وأشباه الموصلات (الطلاء) وكهرباء (نواة الألياف) والكهارلي (المادة المحيطة) – التي هي قادرة على التأثير على نقل الشحنة. ويمكن تفسير هذه المسألة في التوسعات النموذجية المستقبلية بإضافة تأخيرات نقل الطاقة في الواجهات (أي ردود الفعل الفارادية) وتأخيرات النقل الأيونية داخل المنحل بالكهرباء. ومع ذلك، ينبغي أن تسترشد إضافة التعقيد بالتحقق التجريبي، حيث أن النموذج البسيط الذي يعيد إنتاج معظم ما يلاحظ هو أكثر فائدة من النموذج الدقيق بشكل ملحوظ الذي يضيف المزيد من المعلومات ولكنه حساس للغاية للعديد من المعايير التأسيسية.
كما الهدف النهائي من هندسة الأنسجة هو خلق المفاعلات الحيوية التي تحاكي ليس فقط واحد أو اثنين من جوانب في بيئات الجسم الحي، ولكن تكرار والسيطرة على جميع الإشارات التنموية الخلوية61،الكهرومغناطيسية والميكانكية في نماذج سيليكو، فضلا عن نماذج لنقل الحرارة بين مكونات المفاعل الحيوي سوف تحتاج إلى الجمع. في مرحلة النمذجة اللاحقة ، يمكن أيضا إضافة ظواهر اقتران بين تلك التفاعلات مثل التدفئة ohmic ، وتدفق السوائل المنحلة بالكهرباء ، وتشوهات السقالة المورفولوجية استجابة للتحفيز الكهربائي60 وطاقة بيزو62. ومع ذلك، يجب دمج النماذج فقط بعد التحقق من صحة كل منها تجريبيا. وبهذه الطريقة، يمكننا الحصول على فهم أفضل لتأثير كل مكون في البيئة الدقيقة الخلوية، وكيف يمكن تحسين المحفزات.
إذا تم التحقق من صحة النموذج المقترح تجريبيا ، فيمكن دمجه مع نماذج من الخلايا البيولوجية – الشكل 1. يمكن أن تؤثر أنماط كثافة الشحنة والتحوير بشكل غير متماثل على نشاط مضخات أيون محددة ، وتأثير التعلق بألياف البروتينات التي تقود التصاق الغشاء63 وبالتالي توجيه الهجرة وأنماط الانتشار والمورفوجين64. واستكشاف تلك الفرضيات هو الطريق إلى الأمام في فهم الآليات التي تقوم عليها استجابات الأنسجة والخلايا ل ES.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من قبل برنامج ويلكوم ترست للدكتوراه لمدة 4 سنوات في البيولوجيا الكمية والفيزيائية الحيوية
Materials
| Comsol multiphysics 5.2 AC/DC module | COMSOL | – | FEM modelling software |
References
- Zhao, S., Mehta, A. S., Zhao, M. Biomedical applications of electrical stimulation. Cellular and Molecular Life Sciences. 77 (14), 2681-2699 (2020).
- Gordon, T. Electrical Stimulation to Enhance Axon Regeneration After Peripheral Nerve Injuries in Animal Models and Humans. Neurotherapeutics. 13 (2), 295-310 (2016).
- Pedrotty, D. M., et al. Engineering skeletal myoblasts: Roles of three-dimensional culture and electrical stimulation. American Journal of Physiology – Heart and Circulatory Physiology. 288, 1620-1626 (2005).
- Stoppel, W. L., Kaplan, D. L., Black, L. D. Electrical and mechanical stimulation of cardiac cells and tissue constructs. Advanced Drug Delivery Reviews. 96, 135-155 (2016).
- Leppik, L., et al. Combining electrical stimulation and tissue engineering to treat large bone defects in a rat model. Scientific Reports. 8 (1), (2018).
- Du, S., et al. Bioinspired hybrid patches with self-adhesive hydrogel and piezoelectric nanogenerator for promoting skin wound healing. Nano Research. 13 (9), 2525-2533 (2020).
- Gratieri, T., Santer, V., Kalia, Y. N. Basic principles and current status of transcorneal and transscleral iontophoresis. Expert Opinion on Drug Delivery. 14 (9), 1091-1102 (2017).
- Kroeling, P., Gross, A., et al. Electrotherapy for neck pain. Cochrane Database of Systematic Reviews. 2013 (8), (2013).
- Hurlow, A., et al. Transcutaneous electric nerve stimulation (TENS) for cancer pain in adults. Cochrane Database of Systematic Reviews. 2012 (3), (2012).
- Claydon, L. S., Chesterton, L. S., Barlas, P., Sim, J. Dose-specific effects of transcutaneous electrical nerve stimulation (TENS) on experimental pain: A systematic review. Clinical Journal of Pain. 27 (7), 635-647 (2011).
- Sbruzzi, G., Silveira, S. A., Silva, D. V., Coronel, C. C., Plentz, R. D. M. Estimulação elétrica nervosa transcutânea no pós-operatório de cirurgia torácica: Revisão sistemática e metanálise de estudos randomizados. Brazilian Journal of Cardiovascular Surgery. 27 (1), 75-87 (2012).
- Jin, D. M., Xu, Y., Geng, D. F., Yan, T. b. Effect of transcutaneous electrical nerve stimulation on symptomatic diabetic peripheral neuropathy: A meta-analysis of randomized controlled trials. Diabetes Research and Clinical Practice. 89 (1), 10-15 (2010).
- Bjordal, J. M., et al. Short-term efficacy of physical interventions in osteoarthritic knee pain. A systematic review and meta-analysis of randomised placebo-controlled trials. BMC Musculoskeletal Disorders. 8 (1), 51 (2007).
- Johnson, M., Martinson, M. Efficacy of electrical nerve stimulation for chronic musculoskeletal pain: A meta-analysis of randomized controlled trials. Pain. 130 (1-2), 157-165 (2007).
- Johnson, M. I. Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation (TENS). eLS. , 1-13 (2012).
- Griffin, M., Bayat, A. Electrical stimulation in bone healing: critical analysis by evaluating levels of evidence. Eplasty. 11, (2011).
- Mollon, B., Da Silva, V., Busse, J. W., Einhorn, T. A., Bhandari, M. Electrical stimulation for long-bone fracture-healing: A meta-analysis of randomized controlled trials. Journal of Bone and Joint Surgery – Series A. 90 (11), 2322-2330 (2008).
- Eberstein, A., Eberstein, S. Electrical stimulation of denervated muscle: Is it worthwhile. Medicine and Science in Sports and Exercise. 28 (12), 1463-1469 (1996).
- Mödlin, M., et al. Electrical stimulation of denervated muscles: First results of a clinical study. Artificial Organs. 29 (3), 203-206 (2005).
- Gordon, T., Amirjani, N., Edwards, D. C., Chan, K. M. Brief post-surgical electrical stimulation accelerates axon regeneration and muscle reinnervation without affecting the functional measures in carpal tunnel syndrome patients. Experimental Neurology. 223 (1), 192-202 (2010).
- Chan, K. M., Curran, M. W. T., Gordon, T. The use of brief post-surgical low frequency electrical stimulation to enhance nerve regeneration in clinical practice. Journal of Physiology. 594 (13), 3553-3559 (2016).
- Vance, C. G. T., Dailey, D. L., Rakel, B. A., Sluka, K. A. Using TENS for pain control: the state of the evidence. Pain management. 4 (3), 197-209 (2014).
- Peters, E. J., Lavery, L. A., Armstrong, D. G., Fleischli, J. G. Electric stimulation as an adjunct to heal diabetic foot ulcers: A randomized clinical trial. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 82 (6), 721-725 (2001).
- Lundeberg, T. C. M., Eriksson, S. V., Malm, M. Electrical nerve stimulation improves healing of diabetic ulcers. Annals of Plastic Surgery. 29 (4), 328-331 (1992).
- Houghton, P. E., et al. Electrical Stimulation Therapy Increases Rate of Healing of Pressure Ulcers in Community-Dwelling People With Spinal Cord Injury. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 91 (5), 669-678 (2010).
- Bikbova, G., Bikbov, M. Standard corneal collagen crosslinking versus transepithelial iontophoresis-assisted corneal crosslinking, 24 months follow-up: randomized control trial. Acta Ophthalmologica. 94 (7), 600-606 (2016).
- Bhavsar, M. B., et al. Electrical stimulation-based bone fracture treatment, if it works so well why do not more surgeons use it. European Journal of Trauma and Emergency Surgery. 46 (2), 245-264 (2020).
- Erickson, C. A., Nuccitelli, R. Embryonic fibroblast motility and orientation can be influenced by physiological electric fields. Journal of Cell Biology. 98 (1), (1984).
- Hammerick, K. E., Longaker, M. T., Prinz, F. B. In vitro effects of direct current electric fields on adipose-derived stromal cells. Biochemical and Biophysical Research Communications. 397 (1), 12-17 (2010).
- Shao, S., et al. Osteoblast function on electrically conductive electrospun PLA/MWCNTs nanofibers. Biomaterials. 32 (11), 2821-2833 (2011).
- Forciniti, L., Ybarra Iii, J., Zaman, M. H., Schmidt, C. E. Schwann cell response on polypyrrole substrates upon electrical stimulation. Acta Biomaterialia. , (2014).
- Kumar, A., Nune, K. C., Misra, R. D. K. Electric field-mediated growth of osteoblasts-the significant impact of dynamic flow of medium. Biomaterials Science. 4 (1), 136-144 (2016).
- Hyun Ko, U., et al. Promotion of Myogenic Maturation by Timely Application of Electric Field Along the Topographical Alignment. Tissue Engineering Part A. 24 (10), 752-760 (2018).
- Lynch, K., Skalli, O., Sabri, F. Growing Neural PC-12 Cell on Crosslinked Silica Aerogels Increases Neurite Extension in the Presence of an Electric Field. Journal of Functional Biomaterials. 9 (2), 30 (2018).
- Balint, R., Cassidy, N. J., Cartmell, S. H. Electrical stimulation: A novel tool for tissue engineering. Tissue Engineering – Part B: Reviews. 19 (1), 48-57 (2013).
- Chen, C., Bai, X., Ding, Y., Lee, I. S. Electrical stimulation as a novel tool for regulating cell behavior in tissue engineering. Biomaterials Research. 23 (1), (2019).
- Purushothaman, A. E., Thakur, K., Kandasubramanian, B. Development of highly porous, Electrostatic force assisted nanofiber fabrication for biological applications. International Journal of Polymeric Materials and Polymeric Biomaterials. 69 (8), 477-504 (2020).
- Yanılmaz, M., Sarac, A. S. A review: Effect of conductive polymers on the conductivities of electrospun mats. Textile Research Journal. 84 (12), 1325-1342 (2014).
- Tsukada, S., Nakashima, H., Torimitsu, K. Conductive polymer combined silk fiber bundle for bioelectrical signal recording. PLoS ONE. 7 (4), 33689 (2012).
- Nguyen, H. T., et al. Electric field stimulation through a biodegradable polypyrrole-co- polycaprolactone substrate enhances neural cell growth. Journal of Biomedical Materials Research – Part A. 102 (8), 2554-2564 (2014).
- Song, J., et al. Polymerizing pyrrole coated poly (l-lactic acid-co-ε-caprolactone) (PLCL) conductive nanofibrous conduit combined with electric stimulation for long-range peripheral nerve regeneration. Frontiers in Molecular Neuroscience. 9, (2016).
- Lee, J. Y., Bashur, C. A., Goldstein, A. S., Schmidt, C. E. Polypyrrole-coated electrospun PLGA nanofibers for neural tissue applications. Biomaterials. 30 (26), 4325-4335 (2009).
- Du, L., et al. Combined effects of electrospun nanofibrous scaffold and electrical field on the neuronal outgrowth. Materials Letters. 256, (2019).
- Theocharis, A. D., Skandalis, S. S., Gialeli, C., Karamanos, N. K. Extracellular matrix structure. Advanced Drug Delivery Reviews. 97, 4-27 (2016).
- Shoulders, M. D., Raines, R. T. Collagen structure and stability. Annual Review of Biochemistry. 78, 929-958 (2009).
- Fang, M., et al. Type i collagen D-spacing in fibril bundles of dermis, tendon, and bone: Bridging between nano- and micro-level tissue hierarchy. ACS Nano. 6 (11), 9503-9514 (2012).
- PETRUSKA, J. A., HODGE, A. J. a Subunit Model for the Tropocollagen Macromolecule. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States ofAmerica. 51 (5), 871-876 (1964).
- Kastelic, J., Galeski, A., Baer, E. The multicomposite structure of tendon. Connective Tissue Research. 6 (1), 11-23 (1978).
- Thorpe, C. T., Birch, H. L., Clegg, P. D., Screen, H. R. C. The role of the non-collagenous matrix in tendon function. International Journal of Experimental Pathology. 94 (4), 248-259 (2013).
- Chapman, G. E., McLauchlan, K. A. The hydration structure of collagen. Proceedings of the Royal Society of London. Series B. Biological Sciences. 173 (31), 223-234 (1969).
- Bardelmeyer, G. H. Electrical conduction in hydrated collagen. I. Conductivity mechanisms. Biopolymers. 12 (10), 2289-2302 (1973).
- Budde, K., et al. Requirements for Documenting Electrical Cell Stimulation Experiments for Replicability and Numerical Modeling. Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. , 1082-1088 (2019).
- Zhao, S., Mehta, A. S., Zhao, M. Biomedical applications of electrical stimulation. Cellular and Molecular Life Sciences. 77 (14), 2681-2699 (2020).
- Zhang, T., Yi, Y. B. Monte Carlo simulations of effective electrical conductivity in short-fiber composites. Journal of Applied Physics. 103 (1), 14910 (2008).
- Meny, I., Burais, N., Buret, F., Nicolas, L. Finite element modeling of cell exposed to harmonic and transient electric fields. 12th Biennial IEEE Conference on Electromagnetic Field Computation, CEFC 2006. 43 (4), 310 (2006).
- Schoenbach, K. H., et al. Ultrashort electrical pulses open a new gateway into biological cells. Proceedings of the IEEE. 92 (7), 1122-1136 (2004).
- Gowrishankar, T. R., Smith, K. C., Weaver, J. C. Transport-based biophysical system models of cells for quantitatively describing responses to electric fields. Proceedings of the IEEE. 101 (2), 505-517 (2013).
- Pietak, A., Levin, M. Exploring instructive physiological signaling with the bioelectric tissue simulation engine. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 4, (2016).
- Babaie, A., et al. Synergistic effects of conductive PVA/PEDOT electrospun scaffolds and electrical stimulation for more effective neural tissue engineering. European Polymer Journal. 140, 110051 (2020).
- Zhou, J., Fukawa, T., Kimura, M. Directional electromechanical properties of PEDOT/PSS films containing aligned electrospun nanofibers. Polymer Journal. 43 (10), 849-854 (2011).
- Castro, N., et al. Physically Active Bioreactors for Tissue Engineering Applications. Advanced Biosystems. 4 (10), 1-29 (2020).
- Ribeiro, S., Gomes, A. C., Etxebarria, I., Lanceros-Méndez, S., Ribeiro, C. Electroactive biomaterial surface engineering effects on muscle cells differentiation. Materials Science and Engineering. , (2018).
- Marzocchi, M., et al. Physical and Electrochemical Properties of PEDOT:PSS as a Tool for Controlling Cell Growth. ACS Applied Materials and Interfaces. 7 (32), 17993-18003 (2015).
- Leronni, A., Bardella, L., Dorfmann, L., Pietak, A., Levin, M. On the coupling of mechanics with bioelectricity and its role in morphogenesis. Journal of the Royal Society Interface. 17 (167), 20200177 (2020).
