Skip to content

SoftWave Provider? Click here to learn more about SoftWaveClinics.com


IVSWT Water Bath V2.0: Standardized model for in-vitro shock wave treatment (IVSWT)

IVSWT Water Bath V2.0: Standardized model for in-vitro shock wave treatment (IVSWT)


 

 

 

 

MANUAL 

 

IVSWT Water Bath V2.0 

 

Standardized Model for  

In-Vitro Shock Wave Treatment (IVSWT) 

 

 

 

 

 

 

 

Manual: IVSWT Water Bath V2.0

1

Introduction 

by Johannes Holfeld, MD

Innsbruck Medical University, Austria, October 2010

The number of in-vitro experiments in shock wave science increases continuously. This fact

reflects  how  important  basic  research  findings  on  the  cellular  and  sub-cellular  level  are  for

the future progress of shock wave therapy. In some very emerging fields better mechanistic

understandings may be prerequisite for translation into clinical use or will at least support the

application of already well established indications.

Today’s  knowledge  of  shock  wave  effects  on  cell  cultures  includes  the  increase  of

proliferation,  alteration  of  cell  membrane  receptors,  increase  and  acceleration  of  cell

differentiation,  release  of  several  kinds  of  growth  factors  and  chemo-attractants  as  well  as

increased cell migration.

Besides  reduction  of  animal  experiments    and  cost-effectiveness,  the  biggest  advantage  of

In-Vitro  Shock  Wave  Treatment  (IVSWT)  may  be  the  possibility  of  studying  the  specific

behaviour of a certain cell type. In shock wave mediated tissue regeneration most likely all

cells  of  the  treated  tissue  are  involved,  even  systemic  effects  are  discussed.  Nevertheless,

each cell type plays a specific role and has its own intrinsic function.  IVSWT enables us to

detect this particular functions and may thereby give us better understanding of the complex

underlying processes.

Some  more  applications  of  IVSWT  are  discussed.  For  example  it  may  in  future  be  used  to

enhance cell proliferation for (stem-) cell treatment purposes.

Distracting physical effects in most in-vitro models 

Literature reveals various methods of applying shock waves onto cell cultures. In general all

existing models are focused on how to apply shock waves onto cells. For example it is done

by direct coupling to a sample with ultrasound transmission gel, coupling through water tanks

or even through pork skin.

This fact leads to the problem that it is highly

difficult  to  compare  results  as  physical

conditions  of  cell  stimulation  are  quite

different  between  the  models.  As  no

standardized model for in vitro trials exists all

the  different  models  have  their  respective

advantage but are also associated with some

distracting physical effects.

 

 

Manual: IVSWT Water Bath V2.0

2

However, the question is not how to apply shock waves onto cells. This can easily be done

by all the mentioned methods.

But: What happens to the waves after passing a cell culture? The main problem is that the

difference of the acoustic impedance of the cell culture medium and the ambient air is  that

high that more than 99% of the shock waves get reflected (Figure 1). Due to the difference in

acoustic impedance of the two media the waves are not only reflected but also a phase-shift

of 180° occurs resulting in strong tensile forces to the cells (Figure 2A-D).

Figure 2A-D: Phase-shift of waves at water to air passage.

The acoustic impedance is defined as the product of the density of a material and its sound

velocity Z=! x c. For water the acoustic impedance is Z

Water

= 1’440’000 Ns/m

3

, for air it’s only

420 Ns/m

3

. The large difference of these two values results in reflection and phase shift of

shock waves. The phase shift turns a positive pressure pulse into a tensile wave.

Even if this tensile force is not harmful to the cells it interferes with the idea of mimicking in

vivo  shock  wave  effects  in  vitro.  In  vivo  these  tensile  forces  do  not  occur  due  to  the  large

body structures.

If  the  water  to  air  transit  is  very  close  to  the  cells  the  back  running  waves  can  disturb  the

incoming  ones.  This  may  cause  interference.  Two  types  of  interference  are  known.

Constructive  interference  means  that  both  waves  are  added  thereby  resulting  in  a  doubled

amplitude  (Figure  3A).  Destructive  interference  occurs  if  waves  meet  just  opponently.  It

causes abolishment of waves. (Figure 3B).

Figure 3A+3B: Interference between back running and incoming waves may occur.

Therefore IVSWT needs a model that enables shock waves to propagate after passing the

cell culture. This can be done by putting cells into a water bath.

Manual: IVSWT Water Bath V2.0

3

The prerequisites for in vitro experiments can be defined as:

–  Probes  e.g.  cell  cultures  can  be  placed  in  the  center  of  the  shock  wave  path  at  the

region of highest pressure of the shock waves as well as in front or behind this area.

–  Vials  or  other  cell  culture  containers  have  to  consist  if  material  with  an  acoustic

impedance  comparable  to  water.  Most  plastics  fulfill  these  requirements  while  glass

or metal do not.

–  Shock waves have to be effectively coupled to the probes without any air gap or air

bubbles in the shock wave path.

–  No  water  to  air  transitions  close  to  the  probes  shall  occur  to  avoid  reflections  and

large tensile forces.

Suitable materials for vials from an acoustic point of view are PE (Z=1’760’000 Ns/m

3

), soft-

rubber  (Z=1’270’000  Ns/m

3

),  polyamid  (Z=1’960’000  Ns/m

3

).  Less  ideal  is  PVC  (3’270’000

Ns/m

3

)  plexiglas  (Z=3’260’000  Ns/m

3

)  delrin  (3’450’000  Ns/m

3

)  polycarbonate  (2’770’000

Ns/m

3

) or polypropylene (2’400’000 Ns/m

3

). Hard materials such as glass or metal shall not

be used.

IVSWT water bath 

Because  of  the  above  mentioned  concerns  we  asked  an  engineer  to  build  a  water  bath

avoiding  these  problems.  Basically  this  in  vitro  water  bath  consists  of  a  plexiglas  built

container  with  a  membrane  to  connect  every  kind  of  shock  wave  applicator.  For  coupling

between this membrane and the applicator ultrasound transmission gel has to be used. The

water bath is filled with degassed water to avoid cavitation that would occur if gas is soluted

in  the  water.  A  heater  at  the  bottom  with  a  temperature  sensor  connected  to  a  control  unit

enables to regulate temperature for imitation of in vivo conditions and to avoid cell cultures to

cool  down.  Temperature  can  be  held  stable  at  37  degrees  centigrade  as  it  is  done  in  an

incubator. A holder for the cell samples allows putting in any kind of culture flasks or tubes.

Of  course  samples  need  to  be  completely  filled  with  culture  medium  as  air  bubbles  would

block shock waves! A wedge shaped absorber at the back wall of the bath destructs waves

in order not to get reflected and run back. This is to avoid reflection and its above mentioned

distracting effects.

A  further  advantage  compared  to  other  IVSWT  models  is  the  possibility  of  varying  the

distance between the applicator and the culture flasks. Findings of our group and others who

use this model clearly show that every cell type reacts very specifically to different treatment

parameters.  Moreover,  defining  the  distance  between  the  waves  source  and  the  sample  is

crucial as it enables us to control the cells to be at a specific position in relation to the focus

of the applicator.

 

 

 

Manual: IVSWT Water Bath V2.0

4

Besides  our  lab  several  other  research  groups  already  use  this  model  and  some  of  them

presented  their  first  results  at  the  ISMST  Basic  Research  Meeting  in  January  2010.  The

feedback  was  quite  positive.  Therefore  this  model  seems  to  be  a  proper  tool  for  IVSWT

avoiding most of physical limitations in the experiments.

Conducting first experiments 

According to our experience with cardiomyocytes, endothelial cells, fibroblasts and stem cells

every cell type needs its specific treatment parameters. We therefore strongly recommend to

perform a pilot trial for assessment of the adequate treatment parameters before conducting

your  planned  experiments.  This  pilot  trial  needs  to  include  different  distances  between  the

shock  wave  applicator  and  the  sample  as  well  as  different  energy  flux  densities.  Also  the

most appropriate number of pulses should be established. The frequency of applying shock

waves  is  still  a  matter  of  concern  even  in  vivo.  Hopefully,  current  investigation  will  give  us

more information about this topic.

Please note: To define the distance between your shock wave source and your sample can

be very tricky. To work accurately you need to know the exact position of the source (e.g. in

electro-hydraulic systems this means the tips of the electrode).

Moreover, you will need to find a position for your applicator that does not vary this distance

every time by different indentation of the membrane!

References:  

1.  J. Holfeld: IVSWT – In Vitro Shock Wave Treatment.
ISMST Newsletter 2010, No. 1 (available at www.ismst.com)

2.  J. Holfeld J: Rationale for In Vitro Shock Wave Trails.
1

st

 ISMST Basic Research Meeting, Vienna, Austria 2010

Scientific requests to: 

Johannes Holfeld, MD
Department of Cardiac Surgery
Innsbruck Medical University, Austria – Europe
mailto: johannes.holfeld@uki.at

Supplier contact: 

Johann Hohenegger – Technical Products
Am Kanal 2b
2801 Katzelsdorf, Austria – Europe
mailto: office@ing-hohenegger.at
Tel: +43 (0) 2622 78257 ” Fax: +43 (0) 2622 33242

Manual: IVSWT Water Bath V2.0

5

 

 

 

Manual: IVSWT Water Bath V2.0

6

Manual IVSWT Water Bath V2.0



The purpose of this model is to achieve standardization in IVSWT with respect to:

direct sonic pulse and reflected parts of the shock wave,

variable focal distance,

temperature, and

reproducibility.

1.1. Overview:

 

Picture 1

 

 

Manual: IVSWT Water Bath V2.0

7

1.2. Sample holder

Insert the rod like shown in picture 1 into the fitting behind the absorber. Mount the stand by
using the supplied screw and hex key for tightening.

Picture 2

There  are  two  ways  of  using  the  holder  and  talon  clamps  depending  on  the  size  of  your
sample container and whether it is necessary to adjust it vertically (see pictures 3A and 3B).
The goal is to position the sample at the level of the leading line inset on both sides of the
water bath (see white arrows in the pictures below!).

 

Picture 3A

Picture 3B

The sample container needs to be completely filled with culture medium as air bubbles would
block shock waves!

 

 

 

Manual: IVSWT Water Bath V2.0

8

1.3. Temperature control

Picture  4A  shows  the  UT100  temperature  control  unit.  Position  its  temperature  sensor  into
the holder at the left back corner of the water bath as shown in picture 4B.

Picture 4A

Picture 4B

In its original condition, the UT100 temperature control unit is programmed to establish and
maintain a water temperature between 36.5 and 37° C.
Please refer to the UT100 manual if any other specific temperature is required.
The  operating  manual  for  the  UT100  can  be  downloaded  as  a  PDF  form  from  the
manufacturer’s website:

https://www.produktinfo.conrad.com/

1.4. Water

Connect the heater as shown in picture 5; the electricity connectors may be arranged as
desired.

Picture 5

Fill in approximately 3,200 ml of degassed tap water into the bath. Use degassed water only
to avoid cavitation! The water should reach the neck of your cell culture container.

Manual: IVSWT Water Bath V2.0

9

It  is  recommended  to  use  pre-heated  water  as  heating  within  the  bath  is  very  time
consuming. If it is not possible to use pre-heated water, the heating time required to reach
the preset temperature can be calculated as follows:

Example:

Desired temperature:

37°C

– filling temperature:

12°C

= difference:

25°C

heating time: 25 x 3 = 75 minutes

In other words, the heater raises the water temperature by about 1° C every 3 minutes until
the preset temperature is reached.

1.5. Coupling the shock wave applicator

Picture 6

The  leading  lines  inset  on  both  sides  of  the  water  bath  help  you  to  see  the  level  of  your
waves source. It will be necessary to position your cell culture container on the same level.
When  holding  your  shock  wave  applicator  onto  the  membrane  you  need  to  use  ultrasound
transmission gel for coupling!
Moreover,  it  is  crucial  to  find  a  position  that  does  not  vary  the  distance  between  the  shock
waves source and your cell culture container by different indentation of the membrane.

1.6.  Dismantling the test equipment

Emptying
Use the 125 cm drain hose with the snap coupling to empty the water bath. Place the free
end of the hose into a container placed on the floor underneath the test equipment.

WARNING: Draining starts immediately when the snap coupling is inserted into the nozzle
on the back of the water bath.

Care & cleaning
Only use soft cloth to dry the water bath! After every use, wipe all surfaces using the cleaning
and preserving liquid with the microfiber cloth provided.

 

 

 

Manual: IVSWT Water Bath V2.0

10

1.7. Membrane change

Picture 7A-D


For changing the membrane take the yellow holding ring out of the water bath. Pull off the old
membrane as shown in picture 7A and replace it by the new one.  Then grease the circular
opening of the water bath with any kind of commercial lubricant (e.g. Vaseline). Now insert
the yellow holding ring with your new membrane.

1.8. Scope of delivery

1  IVSWT water bath V2.0
1  Temperature control unit UT100
1  Power cable
1  Membrane holding ring (yellow)
2  Coupling membranes
1  10mm rod and screw for fixation
1  3mm hex key
2  Talon clamps
1  4-Finger clamp
1  Niro-Achse 10 mm
1  Drain hose 125 cm
1  Manual IVSWT water bath V2.0
1  Manual temperature control unit UT100
1  Manual electricity transformer

1  Cleaning fluid
1  Microfiber cloth

 

 

Manual: IVSWT Water Bath V2.0

11

1.10. Supplier

Johann Hohenegger – Technical Products 

Am Kanal 2b, 2801 Katzelsdorf, Austria ” office@ing-hohenegger.at

T: +43 (0) 2622 78257 ” F: +43 (0) 2622 33242 ” Mob.: +43 (0) 664 31 11 525

Wr. Neustadt Tax Office ” ID: ATU56946817

Bankers: Sparkasse Wiener Neustadt

Sort code: 20267, account: 00601002397

BIC-Swift: winsatwn “IBAN: at522026700601002397

Click here to read more.