一種成骨細(xì)胞單細(xì)胞激勵(lì)與檢測(cè)的操作手結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及成骨細(xì)胞激勵(lì)與檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種成骨細(xì)胞單細(xì)胞激勵(lì)與檢測(cè)的操作手結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]骨骼系統(tǒng)是人體最大的組織系統(tǒng)之一，具有支撐和保護(hù)身體、維持運(yùn)動(dòng)、造血、存儲(chǔ)鈣質(zhì)等多種功能。骨科疾患是影響人群健康和生活質(zhì)量最常見的疾病之一，以骨質(zhì)疏松癥為例，目前我國已是世界上骨質(zhì)疏松癥患者最多的國家，約有患者9000萬，約占總?cè)丝诘?%。在我國45歲以上的人口中每4名男性就有I名患有骨質(zhì)疏松癥，女性發(fā)病率更高，在30%以上。預(yù)計(jì)2020年中國骨質(zhì)疏松癥患者將達(dá)到2.86億，2050年上升至5.33億。成骨細(xì)胞是骨發(fā)生和骨形成的生物學(xué)基礎(chǔ)，在骨不斷的更新活動(dòng)中是最重要的功能細(xì)胞，成骨細(xì)胞數(shù)量和功能的下降而骨吸收加快是骨質(zhì)疏松的主要病理基礎(chǔ)。對(duì)細(xì)胞力學(xué)特性的研宄，不僅可以為一些疾病的發(fā)病機(jī)理提供理論基礎(chǔ)，而且還可以為其診斷、治療和康復(fù)提供方法。因此，研宄成骨細(xì)胞特性、活性變化及其影響因素對(duì)于探索骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病機(jī)制具有重要的醫(yī)學(xué)意義，為骨質(zhì)疏松癥的診斷、治療和康復(fù)提供方法和理論依據(jù)。
[0003]研宄已經(jīng)證明機(jī)械應(yīng)力對(duì)成骨細(xì)胞生命活動(dòng)有很大的影響。應(yīng)力對(duì)骨修復(fù)的研宄可追溯到一百多年前的WolfT定律。骨組織是一個(gè)受應(yīng)力支配的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，增加應(yīng)力可直接刺激骨的生長，反之將造成骨的丟失。美國工程院院士 Edmund YS Chao在《一種非創(chuàng)傷形式的組織工程一一生物物理刺激在骨修復(fù)、重構(gòu)、保持中的作用》的報(bào)告中指出物理刺激可以幫助骨的修復(fù)、重構(gòu)和保持，是一種有廣泛前景的高效的非創(chuàng)傷性組織工程方法。由NASA資助的科學(xué)家們和國際太空醫(yī)學(xué)研宄協(xié)會(huì)揭露一個(gè)跡象，幾乎察覺不到的微幅高頻振動(dòng)可能刺激骨生產(chǎn)，并建議宇航員每天站在一個(gè)微振臺(tái)上進(jìn)行10-20分鐘的鍛煉防止骨量丟失。正常骨組織生長都離不開機(jī)械應(yīng)力刺激，而生理活動(dòng)中周期性機(jī)械力刺激是骨組織再生的基礎(chǔ)，其中成骨細(xì)胞是對(duì)周期性應(yīng)力敏感的細(xì)胞。作為生物力學(xué)領(lǐng)域中的重要部分，成骨細(xì)胞對(duì)外部力的響應(yīng)機(jī)制仍需進(jìn)一步探索。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中主要通過對(duì)骨頭整體或者大批量的成骨細(xì)胞進(jìn)行整體振動(dòng)來分析成骨細(xì)胞的成骨效應(yīng)，比較籠統(tǒng)定性，不能定量分析，無法從細(xì)胞層面給出精確的依據(jù)。目前使用的細(xì)胞測(cè)量方法也主要是通過細(xì)胞表面單點(diǎn)的靜態(tài)測(cè)試結(jié)果計(jì)算和表征細(xì)胞的力學(xué)特性，或者基于統(tǒng)計(jì)分析的方法對(duì)成骨細(xì)胞力學(xué)特性進(jìn)行表征。然而細(xì)胞是復(fù)雜的非均勻體結(jié)構(gòu)，不同結(jié)構(gòu)部分的力學(xué)特性也會(huì)有差別，因此，多維、多點(diǎn)、全局的力學(xué)檢測(cè)對(duì)于準(zhǔn)確的細(xì)胞機(jī)械力學(xué)響應(yīng)特性數(shù)據(jù)測(cè)量有絕對(duì)的必要性。
[0005]因此，針對(duì)上述技術(shù)問題，有必要提供一種成骨細(xì)胞單細(xì)胞激勵(lì)與檢測(cè)的操作手結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種成骨細(xì)胞單細(xì)胞激勵(lì)與檢測(cè)的操作手結(jié)構(gòu)。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案如下:
一種成骨細(xì)胞單細(xì)胞激勵(lì)與檢測(cè)的操作手結(jié)構(gòu)，所述操作手包括連接臂、以及安裝于連接臂頂端的一個(gè)振動(dòng)臂和兩個(gè)檢測(cè)臂，兩個(gè)檢測(cè)臂對(duì)稱設(shè)置于振動(dòng)臂兩側(cè)，檢測(cè)臂用于夾持成骨細(xì)胞且兩個(gè)檢測(cè)臂的夾持方向相對(duì)設(shè)置，振動(dòng)臂用于振動(dòng)激勵(lì)成骨細(xì)胞，所述檢測(cè)臂上設(shè)有用于檢測(cè)成骨細(xì)胞上表面壓阻的平面壓阻和用于檢測(cè)成骨細(xì)胞側(cè)表面的側(cè)壁壓阻。
[0008]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述連接臂上固定設(shè)置有連接部，所述連接部中間向外延伸設(shè)有第一連接梁，連接部兩側(cè)向外延伸設(shè)有對(duì)稱的第二連接梁和第三連接梁，所述振動(dòng)臂固定設(shè)置于第一連接梁的端部，兩個(gè)檢測(cè)臂分別固定設(shè)置于第二連接梁和第三連接梁的端部。
[0009]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第二連接梁、第三連接梁分別包括平行于第一連接梁的平行部和與所述平行部相連且向第一連接梁端部彎折的彎折部，所述檢測(cè)臂固定設(shè)置于彎折部上。
[0010]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第一連接梁上設(shè)有壓電層。
[0011]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述連接臂上固定設(shè)置有驅(qū)動(dòng)部，所述驅(qū)動(dòng)部位于連接部的后方并與連接部相連。
[0012]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述驅(qū)動(dòng)部的兩側(cè)對(duì)稱設(shè)有驅(qū)動(dòng)臂，所述驅(qū)動(dòng)臂分別與連接部上的第二連接梁和第三連接梁相連設(shè)置。
[0013]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述驅(qū)動(dòng)部的后方設(shè)有用于夾持并驅(qū)動(dòng)所述驅(qū)動(dòng)部運(yùn)動(dòng)的壓電模塊。
[0014]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述檢測(cè)臂包括檢測(cè)臂基體、以及沿檢測(cè)臂基體向外延伸的第一檢測(cè)臂和第二檢測(cè)臂，所述第二檢測(cè)臂的厚度小于第一檢測(cè)臂的厚度，所述平面壓阻設(shè)置于第一檢測(cè)臂上，側(cè)壁壓阻設(shè)置于第二檢測(cè)臂上。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明的成骨細(xì)胞單細(xì)胞激勵(lì)與檢測(cè)的操作手結(jié)構(gòu)通過夾持動(dòng)作調(diào)整工具末端與細(xì)胞的接觸程度，并設(shè)計(jì)了檢測(cè)工具末端結(jié)構(gòu)的二維傳感方式，可以實(shí)現(xiàn)成骨細(xì)胞全局多點(diǎn)多維的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。
【附圖說明】
[0016]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明中記載的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0017]圖1a為成骨細(xì)胞結(jié)構(gòu)及預(yù)估測(cè)試點(diǎn)的示意圖，圖1b為多點(diǎn)全局區(qū)域測(cè)試點(diǎn)的示意圖；
圖2為本發(fā)明中成骨細(xì)胞單細(xì)胞激勵(lì)與檢測(cè)的原理圖；
圖3a~3e為本發(fā)明一【具體實(shí)施方式】中成骨細(xì)胞單細(xì)胞激勵(lì)與檢測(cè)的操作手結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4a為本發(fā)明檢測(cè)臂的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4b、4c為本發(fā)明檢測(cè)臂的工藝原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0019]由于成骨細(xì)胞的機(jī)械特性與環(huán)境條件、細(xì)胞生長周期相關(guān)，因此針對(duì)特定批次的細(xì)胞，首先結(jié)合上述成骨細(xì)胞各部分簡化結(jié)構(gòu)的典型力學(xué)特征計(jì)算方法，以及生物特征參數(shù)，理論計(jì)算細(xì)胞的表面硬度與楊氏模量，進(jìn)行成骨細(xì)胞局部和全局機(jī)械特性的仿真，建立成骨細(xì)胞動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型，分析振動(dòng)激勵(lì)在成骨細(xì)胞體內(nèi)的傳遞和衰減方式，研宄機(jī)械力場變化對(duì)成骨細(xì)胞動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律，評(píng)估細(xì)胞在受力過程中的形變特征。后續(xù)將通過設(shè)計(jì)的微細(xì)測(cè)試工具進(jìn)行成骨細(xì)胞表面多點(diǎn)擠壓測(cè)試，對(duì)成骨細(xì)胞的特征參數(shù)進(jìn)行修正，完善動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型。
[0020]成骨細(xì)胞的動(dòng)態(tài)特性檢測(cè)，是一個(gè)持續(xù)性的檢測(cè)過程。在上述理論分析和模型基礎(chǔ)上，本發(fā)明中針對(duì)成骨細(xì)胞的力學(xué)響應(yīng)動(dòng)態(tài)性、連續(xù)性等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)接觸隨動(dòng)式檢測(cè)方法，對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的連續(xù)過程進(jìn)行反饋。同時(shí)，由于成骨細(xì)胞為非規(guī)則生物體，需要通過多點(diǎn)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)全局動(dòng)態(tài)特性描述，如圖1所示為成骨細(xì)胞動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試點(diǎn)的原理圖，其中，圖1a為成骨細(xì)胞結(jié)構(gòu)及預(yù)估測(cè)試點(diǎn)的示意圖，圖1b為多點(diǎn)全局區(qū)域測(cè)試點(diǎn)的示意圖。
[0021]因此，為了實(shí)現(xiàn)激勵(lì)與檢測(cè)方法的靈活性，采用一體化的設(shè)計(jì)方式，在檢測(cè)工具上集成振動(dòng)激勵(lì)部分，實(shí)現(xiàn)成骨細(xì)胞的原位激勵(lì)與檢測(cè)。同時(shí)為了與細(xì)胞更好的接觸，設(shè)計(jì)了夾持式的檢測(cè)工具，可以通過夾持動(dòng)作調(diào)整工具末端與細(xì)胞的接觸程度，并設(shè)計(jì)了檢測(cè)工具末端結(jié)構(gòu)的二維傳感方式，實(shí)現(xiàn)成骨細(xì)胞全局多點(diǎn)多維的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。如圖2所示，檢測(cè)端夾持成骨細(xì)胞，與被檢測(cè)部分充分接觸。通過激勵(lì)端進(jìn)行振動(dòng)激勵(lì)后，檢測(cè)端上的二維傳感器可以實(shí)現(xiàn)如圖所示X向和z向的動(dòng)態(tài)響應(yīng)檢測(cè)。通過旋轉(zhuǎn)細(xì)胞，可以實(shí)現(xiàn)I向和z向的動(dòng)態(tài)響應(yīng)檢測(cè)。
[0022]成骨細(xì)胞的原位測(cè)試需要在培養(yǎng)液中進(jìn)行，因此針對(duì)溶液中細(xì)胞的測(cè)試要求，研宄跨介質(zhì)(空氣-水)測(cè)試和操作時(shí)，MEMS微細(xì)工具與溶液接觸的力學(xué)模型。重點(diǎn)分析MEMS微細(xì)工具從空氣進(jìn)入水性溶液過程中，表面張力對(duì)工具末端的影響，以及與工具間能量傳遞和力的變化。在具體研宄中，以彈性力學(xué)為理論基礎(chǔ)，研宄表面張力對(duì)微細(xì)工具測(cè)試末端應(yīng)力和變形的影響，從而明確測(cè)試工具結(jié)構(gòu)形狀、尺寸、剛度等。研宄基于壓阻力檢測(cè)的傳感器實(shí)現(xiàn)方法及柔順執(zhí)行機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。在測(cè)試工具設(shè)計(jì)方面，通過材料力學(xué)、彈性力學(xué)等理論進(jìn)行柔順結(jié)構(gòu)本體設(shè)計(jì)建模，通過有限元仿真進(jìn)行分析；在工具加工工藝方面，采用光刻、腐蝕、離子注入、FIB、濺射等MEMS工藝步驟，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)、機(jī)構(gòu)一體化的微細(xì)工具，重點(diǎn)研宄壓阻傳感器部分的工藝加工，操作及測(cè)試工具。
[0023]本發(fā)明公開了一種成骨細(xì)