專利名稱：一種多通道細胞牽張應力加載控制儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多通道細胞牽張應力加載控制儀，屬于實驗儀器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
細胞和組織的生長發(fā)育是分子水平上的細胞生物學現(xiàn)象，而應力作為一種細胞分子調(diào)控的刺激因子，是影響細胞結(jié)構(gòu)和功能的重要的外界信息。在生物體內(nèi)，細胞的生長、 增殖、分泌等生物學行為與它們所處的力學環(huán)境是分不開的。細胞在正常的生理力學環(huán)境中能正常發(fā)揮其功能，但是，當細胞周圍力學環(huán)境發(fā)生變化后，細胞的各種功能也隨之發(fā)生變化。很多學者應用細胞力學實驗方法，通過機械裝置對體外培養(yǎng)的組織細胞施加模擬體內(nèi)環(huán)境的應力應變刺激，結(jié)合形態(tài)學、分子生物學測試技術(shù)，進行了大量的細胞在各種應力環(huán)境下生長、代謝以及細胞內(nèi)蛋白質(zhì)、細胞因子表達變化等方面的研究。目前細胞力學實驗的研究是現(xiàn)代生物力學近幾年來發(fā)展十分迅速的前沿領(lǐng)域，是國內(nèi)外正在興起的一個研究熱點。它涉及到細胞在載荷作用下的生長增殖、細胞因子的分泌、細胞外基質(zhì)的代謝、細胞膜和細胞骨架的變形、粘附力的變化等方面的研究。細胞力學研究的基礎和關(guān)鍵是細胞加載技術(shù)。人體細胞的大小是以微米為單位的，宏觀實驗技術(shù)和力學加載方法無法直接應用到細胞水平的研究。所以建立合適的加載培養(yǎng)模型和尋找合適的細胞變形后相關(guān)的生物測量手段是細胞力學面臨的首要問題。早在 1939年，Glucksmarm在體外培養(yǎng)細胞的力學加載方法上，進行了開拓性的研究。他將雞胚胎的脛骨內(nèi)膜細胞培養(yǎng)在成對的肋間肌基質(zhì)上，當肌肉萎縮牽引肋骨相互靠近時，離體培養(yǎng)的細胞即受到了壓力的作用。可以說這是最早的細胞力學加載模型。經(jīng)過不斷的改進和發(fā)展，人們提出了多種離體培養(yǎng)細胞的力學實驗方法，研制出不同類型和功能的實驗裝置， 在定性分析的基礎上，發(fā)展為能定量研究細胞的力學特性。通過體外細胞培養(yǎng)技術(shù)、應用細胞力學加載裝置進行對離體細胞的應力加載，成為細胞力學重要的研究手段。每一種細胞所生存的應力環(huán)境，電生理環(huán)境以及體液環(huán)境大相徑庭，每一種細胞對應力的反應亦不可能完全一樣，所以應力作用于體外培養(yǎng)的細胞，不同的加力方式，不同的細胞得到的結(jié)果可能并不一樣，即使是同一種細胞，比如牙周膜細胞，當該細胞回位到體內(nèi)環(huán)境時，所得出的效應也不可能完全一樣，也有可能單純的體外實驗所得出的結(jié)論與體內(nèi)不相符，不同的應力方式、作用幅度，對細胞所造成的影響也可能是不一樣的，有時可能是完全相反的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種多通道細胞牽張應力加載控制儀。多通道細胞牽張應力加載控制儀，包括細胞培養(yǎng)單元、動力加載單元、控制檢測單元；所述細胞培養(yǎng)單元包括真空室和放置在真空室上并與真空室密封在一起的彈性膜培養(yǎng)板，彈性膜作為真空室的一腔壁；所述動力加載單元為真空泵，用于根據(jù)設定將真空室抽真空；控制檢測單元用于根據(jù)設定控制細胞培養(yǎng)單元氣路通道上的電磁閥、放氣三通電磁閥以及真空泵的開啟和關(guān)閉，控制細胞培養(yǎng)單元真空室壓力而得到需要的形變率，達到控制細胞培養(yǎng)單元彈性膜形變量的目的。所述的多通道細胞牽張應力加載控制儀，所述控制檢測單元包括壓力傳感器、信號放大與調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和單片機，壓力傳感器將細胞培養(yǎng)單元真空室內(nèi)的壓力變化轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過信號調(diào)理電路進行放大、濾波處理后，由A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為單片機可以處理的真空室壓力采樣信號；單片機對當前的真空室壓力采樣信號與系統(tǒng)設定的真空室壓力進行比較，根據(jù)比較結(jié)果控制氣路通道上的電磁閥、放氣三通電磁閥以及真空泵的開啟和關(guān)閉。本發(fā)明的多通道細胞牽張應力加載儀，可以同時進行三通道不同形變率的對比實驗；而且體積小，便于攜帶，形變率、頻率可以精確調(diào)節(jié)，操作簡單，可以提供 21%范圍的形變率，應變頻率在0 0. 5Hz范圍內(nèi)可調(diào)。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，完全達到了設計要求，提供了對貼壁生長的組織細胞施加基底膜牽張應力的體外實驗方法。


圖1為控制檢測單元結(jié)構(gòu)原理圖；圖2為三通閥、電磁閥連接示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明進行詳細說明。細胞牽張應力加載控制儀包括細胞培養(yǎng)單元、動力加載單元、控制檢測單元；其中，所述細胞培養(yǎng)單元包括真空室(有機玻璃材質(zhì))和放置在真空室上并與真空室密封在一起的彈性膜6孔培養(yǎng)板，彈性膜作為真空室的一腔壁。其中，所述動力加載單元為真空泵，用于根據(jù)設定將細胞培養(yǎng)單元內(nèi)的真空室抽真空；當真空泵工作，抽取真空室內(nèi)的空氣時，由于真空室形成負壓，位于真空室上方的培養(yǎng)板的彈性膜就會向真空室內(nèi)部凹陷，向下拉伸變形，接種于彈性膜培養(yǎng)板內(nèi)的細胞隨彈性膜的變形受到拉伸作用，產(chǎn)生形變?？刂茩z測單元結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，控制檢測單元用于根據(jù)設定控制細胞培養(yǎng)單元(三個)氣路通道上的電磁閥、放氣三通電磁閥以及真空泵的開啟和關(guān)閉，控制細胞培養(yǎng)單元真空室壓力而得到需要的形變率，達到控制細胞培養(yǎng)單元彈性膜形變量的目的。如圖1所示，壓力傳感器將細胞培養(yǎng)單元真空室內(nèi)的壓力變化轉(zhuǎn)換成電壓信號， 通過信號調(diào)理電路放大、濾波等環(huán)節(jié)處理后，由A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為單片機可以處理的真空室壓力采樣信號；單片機根據(jù)當前的真空室壓力采樣信號與系統(tǒng)設定的真空室壓力(該值由人工輸入設定，并且可以在系統(tǒng)工作時隨時調(diào)整。設定值被保存在非易失存儲器中，系統(tǒng)開機時直接調(diào)用，避免每次使用都要人工設定實驗參數(shù)。)進行比較，根據(jù)比較結(jié)果控制氣路通道上的電磁閥、放氣三通電磁閥以及真空泵的開啟和關(guān)閉。根據(jù)細胞培養(yǎng)單元真空室壓力變化范圍在0 25kPa之間，選擇M1451壓力傳感器標準量程范圍為0 5psi (lpsi 6. 897kPa)的型號。
放大與信號調(diào)理電路M1451壓力傳感器的輸出模擬電壓信號經(jīng)過放大、濾波等環(huán)節(jié)處理，才能達到A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入要求。A/D轉(zhuǎn)換電路MAX1292為12位模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，用于將傳感器產(chǎn)生的模擬信號轉(zhuǎn)換為計算機可以處理的數(shù)字信號。細胞培養(yǎng)單元彈性膜形變率與細胞培養(yǎng)單元真空室壓力之間的關(guān)系是y = 0. 0306x2+0. 4307x+0. 0175，(1)式中Y為形變率，單位％ ;X為表壓壓力值，單位kPa。在系統(tǒng)上電并設定實驗參數(shù)后，單片機根據(jù)此式將形變率轉(zhuǎn)換成對應的壓力值，并放在其內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器中。實驗開始后，單片機隨時將該值與檢測到的細胞培養(yǎng)單元真空室壓力值進行比較，并根據(jù)比較結(jié)果控制相應的電磁閥動作。從而達到通過控制細胞培養(yǎng)單元真空室壓力而得到需要的形變率的目的。所述的真空室壓力是以表壓形式反映的，而M1451壓力傳感器的輸出電壓反映的是檢測到的絕對壓力，因此必須把這個絕對壓力轉(zhuǎn)換為表壓。在壓力測量中，常有絕對壓力、表壓力之分，所謂絕對壓力是指被測介質(zhì)作用在容器單位面積上的全部壓力，用Pj表示。地面上的空氣柱所產(chǎn)生的平均壓力稱為大氣壓力，用Pq表示。絕對壓力與大氣壓力之差，稱為表壓力，簡稱表壓，用1 表示即1 = Pj-Pq0按照表壓與絕對壓力之間的轉(zhuǎn)換公 Sf3b = Pj-Pq,可以將M1451壓力傳感器檢測的絕對壓力轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)需要處理的表壓壓力。 式中1 為表壓壓力，Pj是壓力傳感器檢測的絕對壓力值，Pq為當前的大氣壓值，這是一個絕對壓力。參考圖2，對細胞培養(yǎng)單元真空室壓力控制的邏輯是(一)四個電磁閥加電。電磁閥1-3均接通，三通電磁閥AC關(guān)斷，AB接通，從而使三個細胞培養(yǎng)單元真空室均與壓力傳感器和真空泵接通。(二)啟動真空泵。真空泵的抽氣動作會使細胞培養(yǎng)單元真空室內(nèi)的負壓發(fā)生由小到大的變化。(三)當管道中的負壓達到三個細胞培養(yǎng)單元真空室內(nèi)壓力設定值最小的一個時，與該細胞培養(yǎng)單元相連的電磁閥將關(guān)閉；隨著管道中的負壓值增大， 依次達到較大和最大壓力設定值時，相應的電磁閥也會依次關(guān)閉。細胞培養(yǎng)單元真空室將保持在負壓狀態(tài)。(四)當三個細胞培養(yǎng)單元真空室內(nèi)壓力均達到各自設定值，三個電磁閥 1-3均關(guān)閉后，真空泵停止工作，三通電磁閥釋放。(五)細胞培養(yǎng)單元按系統(tǒng)設定時間保持負壓狀態(tài)，然后打開電磁閥1-3，使細胞培養(yǎng)單元真空室內(nèi)壓力恢復到環(huán)境大氣壓壓力狀態(tài)，柔性薄膜恢復原態(tài)。(六)保持設定時間后，再次重復循環(huán)(一)到(五)的步驟。本系統(tǒng)設計中不需要建立形變率與壓力之間的數(shù)據(jù)表，而是在系統(tǒng)工作前，根據(jù)人工設定的各個通道對應的細胞培養(yǎng)單元形變率的參數(shù)，通過壓力傳感器輸出信號與柔性薄膜形變率的關(guān)系(式(1))將形變率參數(shù)轉(zhuǎn)換為表壓所對應的數(shù)值，然后與AD采樣的結(jié)果(實時檢測到的負壓值)進行比較，并根據(jù)結(jié)果控制相應的電磁閥和真空泵的工作狀態(tài)。應當理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換， 而所有這些改進和變換都應屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種多通道細胞牽張應力加載控制儀，其特征在于，包括細胞培養(yǎng)單元、動力加載單元、控制檢測單元；所述細胞培養(yǎng)單元包括真空室和放置在真空室上并與真空室密封在一起的彈性膜培養(yǎng)板，彈性膜作為真空室的一腔壁；所述動力加載單元為真空泵，用于根據(jù)設定將真空室抽真空；控制檢測單元用于根據(jù)設定控制細胞培養(yǎng)單元氣路通道上的電磁閥、 放氣三通電磁閥以及真空泵的開啟和關(guān)閉，控制細胞培養(yǎng)單元真空室壓力而得到需要的形變率，達到控制細胞培養(yǎng)單元彈性膜形變量的目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道細胞牽張應力加載控制儀，其特征在于，所述控制檢測單元包括壓力傳感器、信號放大與調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和單片機，壓力傳感器將細胞培養(yǎng)單元真空室內(nèi)的壓力變化轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過信號調(diào)理電路進行放大、濾波處理后， 由A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為單片機可以處理的真空室壓力采樣信號；單片機對當前的真空室壓力采樣信號與系統(tǒng)設定的真空室壓力進行比較，根據(jù)比較結(jié)果控制氣路通道上的電磁閥、 放氣三通電磁閥以及真空泵的開啟和關(guān)閉。
全文摘要
本發(fā)明公開了多通道細胞牽張應力加載控制儀，包括細胞培養(yǎng)單元、動力加載單元、控制檢測單元；所述細胞培養(yǎng)單元包括真空室和放置在真空室上并與真空室密封在一起的彈性膜培養(yǎng)板，彈性膜作為真空室的一腔壁；所述動力加載單元為真空泵，用于根據(jù)設定將真空室抽真空；控制檢測單元用于根據(jù)設定控制細胞培養(yǎng)單元氣路通道上的電磁閥、放氣三通電磁閥以及真空泵的開啟和關(guān)閉，控制細胞培養(yǎng)單元真空室壓力而得到需要的形變率，達到控制細胞培養(yǎng)單元彈性膜形變量的目的。
文檔編號C12M1/36GK102517209SQ201110377269
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月24日
發(fā)明者于霄, 張楊, 李永明, 焦騰, 王 華 申請人:中國人民解放軍第四軍醫(yī)大學