Desenvolvimento de um estimulador low-cost e open-source para aplicações em engenharia de tecidos

Abstract

Electrical stimulation (ES) has a significant impact on tissue engineering (TE), where it is utilized to enhance cell proliferation, differentiation, and tissue growth. Despite itswidespread use, the exact mechanisms of how ES affects cells and tissues are still not completely understood. Moreover, commercial stimulators can be expensive and lack transparency in design and operation. This thesis presents the development of a low-cost (794 €) and open-source stimulator that employs capacitive coupling (CC) as the method of stimulation delivery. The stimulator features multiple identical outputs, a user-friendly graphical user interface (GUI), and was designed using only open-source hardware and software components, making it easy to modify, repair, and replicate. It is based on the AD9833 integrated circuit, a signal generator, which enables the creation of electric fields applied to deliver ES to the culture medium via electrodes. The stimulator demonstrated remarkable capability in generating consistent sine waves as the stimulation pattern over an extended duration, offering independent control over both frequency and amplitude. The findings revealed its potential to establish electric fields (EF) within the culture medium up to (1.3286 ± 0.0920) V/m, while the stimulator exhibited a calculated bandwidth of ≈ 34 kHz. The work developed demonstrates the feasibility of developing an accessible and affordable tool for TE research through the creation of a low-cost and open-source electrical stimulator. The open-source nature of the device promotes transparency and collaboration in the field, making it easier for researchers to customize and improve the stimulator to meet their specific needs. Additionally, by enabling scanning studies in the frequency and amplitude of the electric field, this stimulator will play a crucial role in advancing the field of TE, as it provides a mean of mapping the causal effects of ES on tissues.

A estimulação elétrica (Electrical Stimulation, ES) tem um impacto significativo na engenharia de tecidos (Tissue Engineering, TE), onde é utilizada para melhorar a proliferação celular, diferenciação e crescimento de tecidos. Apesar de seu uso generalizado, os mecanismos exatos de como a ES afeta células e tecidos ainda não são completamente compreendidos. Além disso, estimuladores comerciais tendem a ser dispendiosos e carecer de transparência relativamente ao seu design e operação. Esta dissertação apresenta o desenvolvimento de um estimulador de baixo custo (794 €) e open-source que utiliza acoplamento capacitivo (Capacitive Coupling, CC) como método de entrega da estimulação. O estimulador possui múltiplas saídas idênticas, uma GUI amigável, e foi projetado utilizando apenas hardware e software open-source, o que torna possível a sua modificação, reparação e replicação de forma extremamente simples. Todo o projeto parte de um gerador de sinais que tem por base o circuito integrado AD9833, e permite a aplicação de ES ao meio de cultura através de campos elétricos criados via elétrodos. O estimulador demonstrou elevada capacidade de gerar ondas sinusoidais consistentes como base do padrão de estimulação ao longo de períodos temporais alargados, oferecendo controlo de forma independente das variáveis frequência e amplitude. Os resultados obtidos revelam a possibilidade de obter campos elétricos (Electric Fields, EF) no meio de cultura com intensidades de até (1.3286 ± 0.0920) V/m, apresentando o estimulador uma largura de banda de ≈ 34 kHz. O trabalho desenvolvido demonstra não só a viabilidade da criação de uma ferramenta acessível e económica para a área de TE, mas promove também, através da natureza open-source do dispositivo, a transparência e colaboração na área, tornando mais fácil à comunidade científica personalizar e melhorar o estimulador de acordo com suas necessidades específicas. Mais ainda, ao permitir estudos de variação da frequência e magnitude do campo elétrico, este estimulador desempenhará um papel crucial no avanço do campo de TE, visto fornecer um meio de mapear os efeitos causais da ES nos tecidos.