用于细胞培养的均匀电磁场计算及验证

摘要

在探索脉冲电磁场作为物理因子对骨细胞的作用机制时，利用一对电流相同、参数一致的亥姆霍兹线圈可以产生线圈内一定区域的均匀磁场，磁场强度和分布对应用于细胞培养至关重要，且对于空间地磁场的具体直观的描述在实际应用中有非常重要的意义。本文在该研究中，利用自行设计的脉冲电磁场发生装置，磁场方式为尖峰式脉冲电磁场，磁场强度6 mT，频率为8 Hz。按照骨细胞培的需要，设计了作用线圈的尺寸，线圈直径为12 cm，线圈匝数为n=300，使2线圈之间产生均匀的磁场。然后，根据试验设计的要求，对设计的电磁场线圈所产生的空间电磁场进行了数学运算模拟，进而提供模拟的空间电磁场分布，用以指导随后进行的脉冲电磁场对于骨细胞生长调控的实验。该研究利用MATLAB数学模型建立和运算，对自行设计的脉冲电磁场发生装置和亥姆霍兹线圈产生的磁场进行磁场强度和分布的模拟运算，并进行图形描述，从而对设计的磁场进行了验证。通过数值运算结果可以看到，在亥姆霍兹线圈内部的空间区域可以产生圆柱形的均匀磁场区域，这个区域随着可允许的磁场误差值的增大而增大。同时，线圈外周环带的磁场强度比线圈中心位置低，提示可以在同一组实验中根据细胞离中心位置的距离比较不同强度的磁场对细胞作用的差异，对于分析磁场强度对细胞的作用时，确定强度的设定趋势。