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Publicação
Electrical stimulation prototype device for a three-dimensional organ-on-a-chip training
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
| 7.98 MB | Adobe PDF |
Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
Cardiovascular diseases are a leading cause of mortality, driving the need for advanced
tools in cardiac tissue engineering. Electrical stimulation is a key technique for promoting
cardiac tissue maturation, but existing devices are often expensive, complex, or lack
versatility. This research presents the design, fabrication, and validation of a low-cost,
highly customizable electrical stimulation prototype for organ-on-a-chip applications. The
device, centered on an Arduino Nano microcontroller and a custom Printed Circuit Board
(PCB), integrates an H-bridge for biphasic waveform generation, a digitally-controlled
amplitude regulator, and fully adjustable temporal parameters, including pulse width
and inter-pulse interval.
Hardware validation confirmed exceptional performance, demonstrating high accu-
racy with minimal relative errors in voltage output 0.99% at 7V, inter-pulse interval timing
0.00% at several intervals, and pulse width control as low as 0.02% at 60ms.Long-term
stability tests further affirmed the system’s reliability. Preliminary functional valida-
tion using C2C12 myoblasts demonstrated biological effectiveness. Electrical stimulation
significantly promoted myogenesis, resulting in larger, aligned myotubes compared to
controls. This work successfully delivers an accessible, precise, and reproducible platform
to advance cardiac tissue research and therapeutic development.
s doenças cardiovasculares representam uma das principais causas de mortalidade, impulsionando a necessidade de ferramentas avançadas na engenharia de tecidos cardíacos. A estimulação elétrica é uma técnica fundamental para promover a maturação do tecido cardíaco, mas os dispositivos existentes são frequentemente caros, complexos ou pouco versáteis. Esta investigação apresenta o design, a fabricação e a validação de um protótipo de estimulação elétrica de baixo custo e altamente personalizável para aplicações de organ- on-a-chip. O dispositivo, baseado num microcontrolador Arduino Nano e numa placa de circuito impresso (PCB) personalizada, integra uma ponte H para geração de pulsos bifásicos, um regulador de amplitude controlado digitalmente e parâmetros temporais totalmente ajustáveis, incluindo a largura do pulso e o intervalo entre pulsos. A validação do hardware confirmou um desempenho excecional, demonstrando ele- vada precisão com erros relativos mínimos, nomeadamente 0,99% na saída de tensão a 7V, 0,00% nos intervalos entre pulsos em vários valores, e um controlo da largura do pulso tão baixo quanto 0,02% a 60ms. Testes de estabilidade a longo prazo confirmaram ainda a fiabilidade do sistema. A validação funcional preliminar com mioblastos C2C12 demonstrou eficácia biológica. A estimulação elétrica promoveu significativamente a miogénese, resultando em miofibras maiores e alinhadas em comparação com os controlos. Este trabalho apresenta com sucesso uma plataforma acessível, precisa e reprodutível para a investigação de tecidos cardíacos e desenvolvimento terapêutico.
s doenças cardiovasculares representam uma das principais causas de mortalidade, impulsionando a necessidade de ferramentas avançadas na engenharia de tecidos cardíacos. A estimulação elétrica é uma técnica fundamental para promover a maturação do tecido cardíaco, mas os dispositivos existentes são frequentemente caros, complexos ou pouco versáteis. Esta investigação apresenta o design, a fabricação e a validação de um protótipo de estimulação elétrica de baixo custo e altamente personalizável para aplicações de organ- on-a-chip. O dispositivo, baseado num microcontrolador Arduino Nano e numa placa de circuito impresso (PCB) personalizada, integra uma ponte H para geração de pulsos bifásicos, um regulador de amplitude controlado digitalmente e parâmetros temporais totalmente ajustáveis, incluindo a largura do pulso e o intervalo entre pulsos. A validação do hardware confirmou um desempenho excecional, demonstrando ele- vada precisão com erros relativos mínimos, nomeadamente 0,99% na saída de tensão a 7V, 0,00% nos intervalos entre pulsos em vários valores, e um controlo da largura do pulso tão baixo quanto 0,02% a 60ms. Testes de estabilidade a longo prazo confirmaram ainda a fiabilidade do sistema. A validação funcional preliminar com mioblastos C2C12 demonstrou eficácia biológica. A estimulação elétrica promoveu significativamente a miogénese, resultando em miofibras maiores e alinhadas em comparação com os controlos. Este trabalho apresenta com sucesso uma plataforma acessível, precisa e reprodutível para a investigação de tecidos cardíacos e desenvolvimento terapêutico.
Descrição
Palavras-chave
Cardiovascular diseases Cardiac tissue engineering Organ-on-a-chip Electrical stimulation Low-cost prototype