發(fā)明涉及一種力加載裝置，具體涉及一種可實(shí)時(shí)在位觀測(cè)的勻速對(duì)稱單軸拉伸細(xì)胞力學(xué)裝置，屬于生物力學(xué)、力學(xué)生物學(xué)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

細(xì)胞是生命體的基本單位，而細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)、生長(zhǎng)過(guò)程都少不了力學(xué)刺激的參與。隨著對(duì)力學(xué)調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)、分裂、遷移、凋亡等研究的深入，發(fā)現(xiàn)力學(xué)刺激可以顯著影響細(xì)胞的個(gè)體和群體行為，從微觀尺度的蛋白表達(dá)，信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，到亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的排列，到細(xì)胞尺度的細(xì)胞分裂、增殖、分化、凋亡、排列、極化、遷移、傷口愈合，再到宏觀尺度的組織形態(tài)和形成。

現(xiàn)有的對(duì)細(xì)胞進(jìn)行拉伸加載的裝置，除了對(duì)單細(xì)胞進(jìn)行拉伸的光鑷、磁鑷，還有不少是對(duì)細(xì)胞所粘附的基底膜進(jìn)行拉伸，如通過(guò)抽真空和膜下面的幾何實(shí)體配合，實(shí)現(xiàn)單軸或準(zhǔn)雙軸拉伸，這種裝置下面的幾何實(shí)體和底板都不透明，不能實(shí)時(shí)觀察。還有一些裝置，其基底膜一端固定，另一端移動(dòng)，這些裝置的基底膜時(shí)刻都在變形中，沒(méi)有能實(shí)時(shí)觀測(cè)的位置，且裝置不夠緊湊簡(jiǎn)潔。還有一些裝置，采用凸輪傳動(dòng)，對(duì)基底膜進(jìn)行拉伸，但其拉伸速度不是勻速的，且拉伸長(zhǎng)度依賴于凸輪幾何形狀，可調(diào)范圍較窄。以上所有裝置，都不能實(shí)現(xiàn)在顯微鏡上長(zhǎng)期培養(yǎng)和實(shí)時(shí)在位觀測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供一種可實(shí)時(shí)在位觀測(cè)的勻速對(duì)稱單軸拉伸細(xì)胞力學(xué)裝置，該裝置對(duì)稱拉伸，拉伸速度和拉伸長(zhǎng)度可調(diào)范圍廣，設(shè)定速度后，拉伸過(guò)程完全勻速，可安裝于顯微鏡載物臺(tái)上進(jìn)行實(shí)時(shí)在位觀測(cè)。

所述的可實(shí)時(shí)在位觀測(cè)的勻速對(duì)稱單軸拉伸細(xì)胞力學(xué)裝置，包括：動(dòng)力單元、雙向絲杠、拉伸臂、滑動(dòng)單元、透明拉伸皿和裝夾平臺(tái)；所述雙向絲杠將設(shè)置在固定架上的所述動(dòng)力單元的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)；所述雙向絲杠的左旋螺紋和右旋螺紋上各套接一個(gè)螺母，每個(gè)所述螺母上固接一個(gè)拉伸臂，用于培養(yǎng)細(xì)胞的所述透明拉伸皿的兩端分別固接在兩個(gè)拉伸臂上，通過(guò)兩個(gè)拉伸臂對(duì)所述透明拉伸皿進(jìn)行勻速對(duì)稱單軸拉伸；同時(shí)所述螺母連接滑動(dòng)單元，通過(guò)所述滑動(dòng)單元保證兩個(gè)拉伸臂沿雙向絲杠的軸向平穩(wěn)移動(dòng)；所述裝夾平臺(tái)與固定架固接在一起，裝夾平臺(tái)放置于顯微鏡載物臺(tái)上。

在所述透明拉伸皿外罩有柔性可伸縮氣囊；使用時(shí)，所述柔性可伸縮氣囊內(nèi)充入5％二氧化碳和水蒸氣，外部流通設(shè)定溫度的空氣。

所述滑動(dòng)單元包括直線滑軌和能夠沿所述直線滑軌移動(dòng)的滑塊，所述直線滑軌設(shè)置在固定架上，每個(gè)所述螺母連接一個(gè)滑塊。

還包括用于限制所述拉伸臂沿雙向絲杠軸向移動(dòng)距離的限位機(jī)構(gòu)。

有益效果：

(1)采用本發(fā)明能夠?qū)ιL(zhǎng)了細(xì)胞的拉伸皿進(jìn)行勻速對(duì)稱單軸拉伸，可以在顯微鏡載物臺(tái)上進(jìn)行實(shí)時(shí)在位觀測(cè)。且本裝置的拉伸速度和拉伸長(zhǎng)度可調(diào)范圍廣，設(shè)定速度后，拉伸過(guò)程完全勻速。由于是對(duì)稱拉伸，拉伸皿中間部分保持位置不變可以在顯微鏡上實(shí)時(shí)在位觀察。

(2)在拉伸皿外設(shè)置氣囊，配合局部細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境，可以在顯微鏡載物臺(tái)上進(jìn)行實(shí)時(shí)在位長(zhǎng)期觀測(cè)。

(3)由于裝夾平臺(tái)可放置于顯微鏡載物臺(tái)上，故可以隨載物臺(tái)移動(dòng)，配合電動(dòng)載物臺(tái)以及顯微鏡軟件中的多點(diǎn)拍攝模塊，可以實(shí)現(xiàn)拉伸前和拉伸變形恢復(fù)后的多點(diǎn)對(duì)比觀測(cè)。

(4)采用雙向滾珠絲杠傳動(dòng)，傳動(dòng)平穩(wěn)，機(jī)構(gòu)是對(duì)稱拉伸，在對(duì)基底施加相同長(zhǎng)度的拉伸時(shí)，長(zhǎng)度方向上機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔緊湊。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的勻速對(duì)稱單軸基底拉伸細(xì)胞力學(xué)加載裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為拉伸裝置長(zhǎng)期在位培養(yǎng)觀測(cè)細(xì)胞的具體實(shí)施方案。

其中：1-步進(jìn)電機(jī)、2-電機(jī)支架、3-聯(lián)軸器、4-滑軌固定架、5-直線滑軌、6-螺尾圓柱銷、7-透明拉伸皿、8-裝夾平臺(tái)、9-雙向絲杠、10-拉伸臂、11-拉伸臂固定座、12-螺母座、13-螺母滑塊連接件、14-滑塊、15-氣囊

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

本實(shí)施例提供一種可安裝于顯微鏡載物臺(tái)上進(jìn)行實(shí)時(shí)在位長(zhǎng)期觀測(cè)的勻速對(duì)稱單軸基底拉伸細(xì)胞力學(xué)加載裝置。

如圖1所示，該力學(xué)加載裝置包括：動(dòng)力單元、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行單元、透明拉伸皿7、裝夾平臺(tái)8和柔性可伸縮氣囊。其中動(dòng)力單元包括步進(jìn)電機(jī)1及其控制器、驅(qū)動(dòng)器以及電機(jī)的聯(lián)軸器3和電機(jī)支架2；運(yùn)動(dòng)執(zhí)行單元包括：兩個(gè)滑塊14、直線滑軌5、雙向絲杠9、螺母座12、拉伸臂10、拉伸臂固定座11和螺母滑塊連接件13。

其連接關(guān)系為：步進(jìn)電機(jī)1安裝于電機(jī)支架2上，電機(jī)支架2和直線滑軌5都安裝在滑軌固定架4上。步進(jìn)電機(jī)1的輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器3與雙向絲杠9連接，雙向絲杠9用于把步進(jìn)電機(jī)1的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為與絲杠配合的部件勻速靠近或遠(yuǎn)離直線運(yùn)動(dòng)。雙向絲杠9的兩端各套接一個(gè)螺母座12，每個(gè)螺母座12上固接一個(gè)拉伸臂固定座11和一個(gè)螺母滑塊連接件13，每個(gè)螺母滑塊連接件13上連接一個(gè)滑塊14，兩個(gè)所述滑塊14與直線滑軌5配合，能夠沿著直線滑軌5移動(dòng)，所述滑塊14的滑動(dòng)方向與雙向絲杠9的軸向一致。在步進(jìn)電機(jī)1的控制器內(nèi)設(shè)置有軟限位器開關(guān)，限制兩個(gè)滑塊14的左右運(yùn)動(dòng)極限位置，以保證裝置的運(yùn)行安全。兩個(gè)拉伸臂10分別連接在兩個(gè)拉伸臂固定座11上；每個(gè)拉伸臂10的端部裝配著兩個(gè)螺尾圓柱銷6，用來(lái)安裝透明拉伸皿7，即透明拉伸皿7通過(guò)四個(gè)螺尾圓柱銷6裝配在兩個(gè)拉伸臂10的端部。所述透明拉伸皿7用于培養(yǎng)貼壁細(xì)胞以及施加拉力，拉伸皿兩端有安裝孔，可方便地套在拉伸臂上的螺尾圓柱銷6上。采用該種結(jié)構(gòu)形式的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行單元能夠保證拉伸臂10沿雙向絲杠9的軸向平穩(wěn)進(jìn)動(dòng)，由此通過(guò)雙向絲杠9的傳動(dòng)，兩個(gè)拉伸臂10對(duì)透明拉伸皿7進(jìn)行勻速對(duì)稱的單軸拉伸。裝夾平臺(tái)8加工成適合顯微鏡載物臺(tái)的尺寸，可以平穩(wěn)放置于顯微鏡載物臺(tái)上，滑軌固定架4與裝夾平臺(tái)8固定在一起。裝夾平臺(tái)8可放置于顯微鏡載物臺(tái)上，故可隨顯微鏡載物臺(tái)移動(dòng)，配合電動(dòng)載物臺(tái)以及顯微鏡軟件中的多點(diǎn)拍攝模塊，可以實(shí)現(xiàn)拉伸前和拉伸變形恢復(fù)后的多點(diǎn)對(duì)比觀測(cè)。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)透明拉伸皿7內(nèi)細(xì)胞的長(zhǎng)期觀察，在透明拉伸皿7外罩有柔性可伸縮的氣囊15，并向氣囊15內(nèi)充入5％二氧化碳和水蒸氣，氣囊15外流通37度空氣，從而給透明拉伸皿7周圍營(yíng)造了適合細(xì)胞生存的環(huán)境，保證細(xì)胞多天連續(xù)加載、培養(yǎng)和在位觀測(cè)。

采用雙向絲杠9傳動(dòng)，傳動(dòng)平穩(wěn)，是對(duì)稱拉伸，在對(duì)基底施加相同長(zhǎng)度的拉伸時(shí)，長(zhǎng)度方向上機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔緊湊。本實(shí)施例中雙向絲杠9采用小導(dǎo)程的精密磨制滾珠絲杠，傳動(dòng)效率高，精度高，運(yùn)行平穩(wěn)；若考慮經(jīng)濟(jì)性，雙向絲杠9可采用滑動(dòng)絲杠傳動(dòng)，但傳動(dòng)效率略低。

動(dòng)力單元中采用步進(jìn)電機(jī)1進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)分能夠滿足對(duì)基底拉伸的精度要求，動(dòng)力單元也可以采用伺服電機(jī)，精度更高，不會(huì)丟步，可以帶動(dòng)更大的負(fù)載；還可以采用伺服電機(jī)，配合光柵，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)的閉環(huán)精確控制。直線滑軌5可以采用精密直線滑軌，保證滑塊運(yùn)動(dòng)的平衡；也可以采用光桿與滑臺(tái)配合的方式，但該種方式寬度方向上的結(jié)構(gòu)不如采用直線滑軌緊湊。

本實(shí)施例中對(duì)兩個(gè)滑塊的限位采用的為控制器里的軟限位器，限制拉伸臂左右運(yùn)動(dòng)的極限位置，也可以選用外置的光電限位器。

本實(shí)施例中透明拉伸皿7采用PDMS(聚二甲基硅氧烷)作為材料，通過(guò)向?qū)ｉT設(shè)計(jì)的拉伸皿模具中澆筑而成，得到生物安全的彈性透明拉伸皿；也可以采用其他生物安全的透明彈性材料。

本發(fā)明的工作原理為：步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過(guò)雙向絲杠轉(zhuǎn)換為沿雙向絲杠軸向的直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)培養(yǎng)了細(xì)胞的透明拉伸皿的勻速對(duì)稱單軸拉伸，通過(guò)改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電機(jī)正反轉(zhuǎn)的時(shí)長(zhǎng)，可以在很寬的范圍內(nèi)，改變拉伸速度和拉伸長(zhǎng)度。并可同時(shí)對(duì)透明拉伸皿內(nèi)的細(xì)胞進(jìn)行實(shí)時(shí)在位長(zhǎng)期觀測(cè)。透明拉伸皿中部在拉伸過(guò)程中位置恒定不變，透明拉伸皿外側(cè)罩著柔性氣囊，配合溫度、濕度、二氧化碳供給，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)在位、數(shù)天的長(zhǎng)期觀察。通過(guò)該裝置可以實(shí)時(shí)在位長(zhǎng)期觀測(cè)和研究力學(xué)拉伸刺激對(duì)細(xì)胞的蛋白表達(dá)、亞細(xì)胞尺度結(jié)構(gòu)特征、細(xì)胞分裂、增殖、分化、凋亡、排列、極化、遷移、傷口愈合的影響等科學(xué)問(wèn)題。同時(shí)配合電動(dòng)載物臺(tái)，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)先標(biāo)定好的多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)在拉伸前和拉伸變形恢復(fù)后的多點(diǎn)對(duì)比觀測(cè)。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。