專利名稱：細(xì)胞力學(xué)周期加載系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)生物實(shí)驗(yàn)儀器，是一種用于模擬體內(nèi)細(xì)胞受周期拉伸應(yīng)力和周期壓縮應(yīng)力的細(xì)胞力學(xué)周期加載系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
根據(jù)生物力學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程研究的進(jìn)展，用細(xì)胞力學(xué)方法在體外研究不同力學(xué)載荷下韌帶細(xì)胞、心肌細(xì)胞等體內(nèi)各種受力的成纖維細(xì)胞在分子和形態(tài)上的變化是當(dāng)代國際生物，醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)，為了研究心肌、韌帶、滑膜以及體內(nèi)各種受力組織、細(xì)胞在不同力學(xué)載荷下的分子水平或形態(tài)學(xué)上的變化，因此，需要一種可以產(chǎn)生周期性拉應(yīng)力或壓縮應(yīng)力的儀器。
細(xì)胞力學(xué)是現(xiàn)代生物學(xué)發(fā)展的前沿領(lǐng)域，涉及到載荷下細(xì)胞、細(xì)胞膜、細(xì)胞骨架的形變，彈性常數(shù)、黏彈性、黏附力等力學(xué)性能的研究；以及力學(xué)因素對(duì)細(xì)胞黏附、鋪展及生長、分化等等生物學(xué)行為的影響。細(xì)胞力學(xué)研究的基礎(chǔ)和關(guān)鍵是細(xì)胞加載技術(shù)。由于體內(nèi)環(huán)境異常復(fù)雜；人體細(xì)胞的大小在十幾到幾十個(gè)微米之間，細(xì)胞膜的厚度僅有幾個(gè)納米到幾十個(gè)納米，常規(guī)的宏觀力學(xué)加載方法和實(shí)驗(yàn)無法直接使用。因此，體外分離細(xì)胞和建立合適的加載培養(yǎng)模型是細(xì)胞力學(xué)面臨的首要問題。早在1939，Glucksmann在體外培養(yǎng)細(xì)胞的力學(xué)加載研制方面，進(jìn)行了開拓性的研究。他將雞胚胎的脛骨內(nèi)膜細(xì)胞培養(yǎng)在成對(duì)的肋間肌基質(zhì)上，當(dāng)肌肉萎縮牽引肋骨相互靠近時(shí)，離體培養(yǎng)的細(xì)胞即受到了壓力的作用。美國人Lee在1996年發(fā)明的靜態(tài)等雙軸牽張裝置，由于不用考慮細(xì)胞拉伸和壓縮的周期性效應(yīng)，只能對(duì)細(xì)胞進(jìn)行靜態(tài)的拉伸應(yīng)力或壓縮應(yīng)力試驗(yàn)。經(jīng)過多年改進(jìn)和發(fā)展，已研制出多種體外培養(yǎng)細(xì)胞的力學(xué)加載。大致可以分為離心加載、流體加載、單細(xì)胞加載、壓力傳到加載和基地形變加載裝置。
發(fā)明的內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種周期拉伸和壓縮細(xì)胞的力學(xué)加載儀，它具有接近真實(shí)生理狀態(tài)，可控性好，操作簡單，重復(fù)精度高，誤差小，體積小等特點(diǎn)。
本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的所述細(xì)胞力學(xué)周期加載系統(tǒng)包括培養(yǎng)機(jī)構(gòu)及控制機(jī)構(gòu)，其中，控制機(jī)構(gòu)包括中央處理器18，驅(qū)動(dòng)電路20，執(zhí)行控制電路19和電源電路21，執(zhí)行控制電路19包括液位傳感器5和氣流通道控制閥12，中央處理器18與驅(qū)動(dòng)電路20，執(zhí)行控制電路19相連；電源電路21分別與中央處理器18，驅(qū)動(dòng)電路20，執(zhí)行控制電路19相連；本發(fā)明的特征是培養(yǎng)機(jī)構(gòu)由四個(gè)獨(dú)立的培養(yǎng)腔構(gòu)成，在其中三個(gè)培養(yǎng)腔的底部分別固定有培養(yǎng)細(xì)胞的硅膠膜，其底部具有頂升板和加載有不同力學(xué)荷載的頂升式氣囊，三個(gè)頂升式氣囊通過氣流通道控制閥與主氣囊連通，主氣囊底部安裝有由電機(jī)帶動(dòng)往復(fù)移動(dòng)的推擠板；另一個(gè)培養(yǎng)腔不加載任何力學(xué)荷載，它們一起形成一組力學(xué)荷載對(duì)照組。
本發(fā)明的特點(diǎn)如下(1)由于培養(yǎng)細(xì)胞的硅膠膜是圓形的，并且在膜的周圍產(chǎn)生張力，所以本發(fā)明可以對(duì)培養(yǎng)在硅膠膜上的細(xì)胞產(chǎn)生均勻的拉伸和壓縮力。
(2)在本發(fā)明的裝置中我們可以人為的調(diào)節(jié)直線電動(dòng)機(jī)的頻率，從而引起硅膠膜拉伸和收縮的頻率的變化。所以本發(fā)明可以產(chǎn)生對(duì)培養(yǎng)在硅膠膜上的細(xì)胞不同頻率的周期性拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力。
(3)由于本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)方式是利用氣囊驅(qū)動(dòng)頂升塊，而且采用了液位光纖開關(guān)傳感器，使得氣體便于精確控制，并且產(chǎn)生的力比較平緩，所以本發(fā)明對(duì)培養(yǎng)在硅膠膜上的細(xì)胞產(chǎn)生的周期性的拉伸和壓縮應(yīng)力非常的接近于細(xì)胞生理狀態(tài)下所受的力。
(4)由于本發(fā)明的電路和氣體的充氣、斷氣分別是采用優(yōu)質(zhì)集成電路和光纖開關(guān)傳感器。所以能精確的保證系統(tǒng)運(yùn)行的高度可靠性以及良好的穩(wěn)定性。
(5)本發(fā)明采用多個(gè)不同拉伸幅度培養(yǎng)系統(tǒng)的復(fù)合使得整個(gè)系統(tǒng)能大大提高工作效率。由于采用了四個(gè)不同力學(xué)荷載的培養(yǎng)皿使得整個(gè)系統(tǒng)在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)具有很強(qiáng)的對(duì)比性，能大大的減少工作量，提高了實(shí)驗(yàn)效率。
(6)本發(fā)明體積較小，能放置在細(xì)胞培養(yǎng)箱里面進(jìn)行培養(yǎng)。
基于以上的特點(diǎn)，本發(fā)明可產(chǎn)生多組、周期性拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力。具有可控性好、操作簡單、重復(fù)精度高、誤差小、對(duì)比性強(qiáng)、體積小等特點(diǎn)。


下面結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)的闡述本發(fā)明，但本發(fā)明不僅限于附圖所示實(shí)施例。
圖1是本發(fā)明的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正面剖視圖。
圖2是本發(fā)明的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的側(cè)面剖視圖。
圖3是本發(fā)明執(zhí)行機(jī)構(gòu)的俯視圖。
圖4是本發(fā)明的控制原理圖。
圖1～3中，1-硅膠膜，2-圓形壓頭，3-螺紋連接，4-光纖開關(guān)傳感器，5-光纖開關(guān)傳感器信號(hào)接收器，6-環(huán)形頂升塊，7-環(huán)形橡膠圈，8-環(huán)形槽，9-頂升氣囊，10-培養(yǎng)腔支座，11-氣流通道，12-氣流通道控制閥，13-主氣囊，14-螺紋連接，15-推擠板，16-主氣囊支座，17-直線電機(jī)。
具體實(shí)施例方式
將細(xì)胞培養(yǎng)在硅膠膜1上，硅膠膜1通過環(huán)形橡膠圈7緊緊的壓在環(huán)形槽8中，為使硅膠膜1保持一個(gè)水平面，采用一個(gè)帶螺紋的圓形壓頭2，圓形壓頭2的螺紋與培養(yǎng)腔支座10上端的螺紋緊緊的咬合在一起，把它緊緊的固定在培養(yǎng)皿支座上。
頂升氣囊位于培養(yǎng)腔支座10內(nèi)，培養(yǎng)腔支座10通過其末端的螺紋與主氣囊支座16上端的螺紋相連。以保證整個(gè)系統(tǒng)的一體性。
其中，當(dāng)頂升氣囊9充氣時(shí)，使它發(fā)生體積變大的形變，并對(duì)環(huán)形頂升塊6產(chǎn)生的推力，使環(huán)形頂升塊6做向上的運(yùn)動(dòng)，引起硅膠膜1做形變變大的拉伸運(yùn)動(dòng)，拉伸細(xì)胞。并引起硅膠膜1上培養(yǎng)液的液位高度上升，當(dāng)培養(yǎng)液上升至光纖開關(guān)傳感器信號(hào)接收器5的位置時(shí)，被光纖開關(guān)傳感器4檢測到，通過氣流通道控制閥12立即關(guān)閉氣流通道11，這樣就停止了頂升氣囊9的充氣，并引起環(huán)形頂升塊6停止向上運(yùn)動(dòng).開關(guān)保持關(guān)閉時(shí)間由開始中央處理器控制設(shè)計(jì)好的程序中輸入。經(jīng)過這一時(shí)間，由中央處理器發(fā)出的信號(hào)對(duì)氣流通道器12做出打開氣流通道11開關(guān)的命令。
由中央處理器控制的直線電機(jī)17帶動(dòng)推擠板15產(chǎn)生向下的運(yùn)動(dòng)，引起主氣囊13的體積增大，頂升氣囊9中的氣體變通過氣流通道11流入主氣囊13中。頂升氣囊9體積的變小引起環(huán)形頂升塊6做向下的運(yùn)動(dòng)，環(huán)形頂升塊6做向下的運(yùn)動(dòng)又引起硅膠膜1形變變小的收縮運(yùn)動(dòng)，壓縮細(xì)胞。
其中頂升氣囊9，主氣囊13是通過氣流通道11保持相連的密封整體，因此不存在漏氣的問題。直線電機(jī)17做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率通過中央處理器設(shè)定，使它的頻率與氣流通道11開關(guān)關(guān)閉的時(shí)間保持一致。氣流通道11的距離很短，直徑相對(duì)較大，這樣就減少了氣體延遲時(shí)間。所述氣流通道控制閥控制氣流通道開閉的大小。
圖2中，18為沒有力學(xué)荷載的培養(yǎng)腔，沒有力學(xué)荷載的培養(yǎng)腔18與其它力學(xué)荷載的培養(yǎng)腔作為對(duì)比組，形成整體系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)中有四個(gè)培養(yǎng)腔系統(tǒng)，其中的三個(gè)受到主氣囊控制，另一個(gè)不加任何力學(xué)加載。主氣囊13分別控制3個(gè)形狀相同頂升氣囊9，但其中每個(gè)氣囊的充氣程度不一樣，這一點(diǎn)是通過不同調(diào)節(jié)光纖開關(guān)傳感器4、光纖開關(guān)傳感器信號(hào)接收器5在圓形壓頭2上的位置高度來決定的。
圖4中，A、B、C、D-培養(yǎng)腔，18-中央處理器，19-執(zhí)行控制電路，20-驅(qū)動(dòng)電路，21-和電源電路。氣流開關(guān)控制器系統(tǒng)與調(diào)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)20中做周期性上下運(yùn)動(dòng)的直線電機(jī)17的協(xié)調(diào)是通過中央處理器18來實(shí)現(xiàn)的。電源電路21分別與中央處理器18、調(diào)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)20、執(zhí)行控制電路19相連。通過這一系統(tǒng)電源電路21為整個(gè)裝置提供電源?？刂茩C(jī)構(gòu)采用的已有成熟技術(shù)，不為本發(fā)明的要點(diǎn)。
材料整個(gè)系統(tǒng)中的圓形壓頭2，環(huán)形頂升塊6，環(huán)形槽8，培養(yǎng)腔支座10，主氣囊支座16，推擠板15均由聚苯乙烯鑄成。
權(quán)利要求
1.一種細(xì)胞力學(xué)周期加載系統(tǒng)，包括培養(yǎng)機(jī)構(gòu)及控制機(jī)構(gòu)，其中，控制機(jī)構(gòu)包括中央處理器(18)，驅(qū)動(dòng)電路(20)，執(zhí)行控制電路(19)和電源電路(21)，執(zhí)行控制電路(19)包括液位傳感器和氣流通道控制閥(12)；本發(fā)明的特征是培養(yǎng)機(jī)構(gòu)由四個(gè)獨(dú)立的培養(yǎng)腔構(gòu)成，在培養(yǎng)腔的底部分別固定有培養(yǎng)細(xì)胞的硅膠膜，在其中三個(gè)的底部具有頂升板和加載有不同力學(xué)荷載的頂升氣囊(9)，三個(gè)頂升式氣囊通過氣流通道控制閥與主氣囊(13)連通，主氣囊底部安裝有由電機(jī)帶動(dòng)往復(fù)移動(dòng)的推擠板；另一個(gè)培養(yǎng)腔不加載任何力學(xué)荷載，它們一起形成一組力學(xué)荷載對(duì)照組。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的細(xì)胞力學(xué)周期加載系統(tǒng)，其特征是頂升氣囊(9)分別位于培養(yǎng)腔支座(10)的四個(gè)孔洞內(nèi)，培養(yǎng)腔支座通過其末端的螺紋與主氣囊支座(16)上端的螺紋相連位一體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的細(xì)胞力學(xué)周期加載系統(tǒng)，其特征是硅膠膜(1)通過環(huán)形橡膠圈(7)分別的壓在培養(yǎng)腔支座孔洞的環(huán)形槽(8)中，采用一個(gè)帶螺紋的圓形壓頭(2)與培養(yǎng)腔支座(10)上端的螺紋緊緊的咬合在一起，把它緊緊的固定在培養(yǎng)皿支座上而構(gòu)成培養(yǎng)腔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、3所述的細(xì)胞力學(xué)周期加載系統(tǒng)，其特征是在培養(yǎng)腔的側(cè)壁設(shè)置液位傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的細(xì)胞力學(xué)周期加載系統(tǒng)，其特征是液位傳感器由光纖開關(guān)傳感器(5)及其接收器(4)組成，它們?cè)O(shè)置在構(gòu)成培養(yǎng)腔側(cè)壁的圓形壓頭(2)對(duì)應(yīng)的位置上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種細(xì)胞力學(xué)加載系統(tǒng)。包括培養(yǎng)機(jī)構(gòu)及控制機(jī)構(gòu)，特征是培養(yǎng)機(jī)構(gòu)由四個(gè)獨(dú)立的培養(yǎng)腔構(gòu)成，在培養(yǎng)腔的底部分別固定有培養(yǎng)細(xì)胞的硅膠膜，在其中三個(gè)的底部具有頂升板和加載有不同力學(xué)荷載的頂升氣囊9，三個(gè)頂升式氣囊通過氣流通道控制閥與主氣囊連通，主氣囊13底部安裝有由電機(jī)帶動(dòng)往復(fù)移動(dòng)的推擠板；另一個(gè)培養(yǎng)腔不加載任何力學(xué)荷載，它們一起形成一組力學(xué)荷載對(duì)照組。本發(fā)明可產(chǎn)生平面的等雙軸的周期性拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，具有接近真實(shí)生理狀態(tài)，可控性好，操作簡單，重復(fù)精度高，誤差小，體積小等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)A61B10/00GK1847847SQ200610054278
公開日2006年10月18日 申請(qǐng)日期2006年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月9日
發(fā)明者楊力, 王平, 湯振宇, 蔣稼歡, 宋國立 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)