專利名稱：一種多細胞的力學加載裝置及模擬實驗平臺的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及細胞生物力學技術領域，具體地說，是一種多細胞的力學加載裝置。
背景技術：
細胞生物力學(mechanocytobiology)是當前生命科學發展的前沿,涉及細胞力學研究的多個方面，其中熱點之一就是細胞因機械力作用所引起的損傷，以及有關力學作用對細胞生長、重整、力學信號轉導和基因表達以至引起ATP合成等過程的影響。細胞生物力學的深入研究，不但對當前細胞與組織工程、分子生物力學和生物工程、各種軟硬組織的生物力學、生物力學模型和生物材料等的研究起了重要的促進作用，而且對于生命科學的進一步發展和突破，將發揮著難以估量的影響。 常規的宏觀力學加載方法和實驗技術無法直接使用在細胞上，所以尋找合適的細胞加載方法和細胞變形及相關的生物學測量手段將是細胞生物力學所面臨的首要問題。常用的細胞力學實驗技術分為單細胞實驗技術和多細胞實驗技術，總體可分為四類①采用顯微技術和微管吸吮方法直接對單個細胞進行加載，并通過實時記錄系統加以記錄，利用圖像處理儀和計算機進行位移測量及變形數值分析，其典型代表就是微管吸吮實驗技術；②采用其它介質，利用流變學原理間接地對細胞進行加載，如流動小室、懸浮技術、微孔濾篩方法等，主要是通過流體流動產生的剪切力或者壓力對細胞加載；③利用對細胞粘附的基底材料進行加載，通過對基底材料加載后使基底材料的應變傳遞到細胞上，如四點彎曲梁的單向應變加載和膜材料的雙向應變加載方法、氣體加壓加載技術以及三維加載技術等；④利用直接對細胞表面受體施加磁場扭曲力的方法，測量細胞骨架剛度的變化。上述常用的四類實驗技術各自適用于所要研究的細胞類型且各有其優缺點，如不能反映細胞的生理狀態、結構復雜、價格昂貴等。如中國期刊《中國組織工程研究與臨床康復》，第13卷，第22期，刊出的文章“體外細胞壓應力加載裝置的研制與應用”，公開了一種體外細胞壓應力加載裝置，該裝置的工作原理是將維持細胞體外生存和生長的培養品及其培養的細胞放入細胞培養腔中，高壓儲氣室(鋼瓶)內的高壓氣體經兩級減壓裝置減壓到一定壓力后以穩定的壓力進入細胞培養腔內，當細胞培養腔內的壓力達到預定值時，關閉進氣電磁閥，細胞培養腔內形成穩定的密閉環境。壓應力加載部分原理為利用支線步進電機驅動汽缸加壓，使細胞培養腔內形成一定頻率、大小的周期性氣壓變化，從而使細胞培養腔里的細胞受到相應的壓應力作用。實驗完畢，打開排氣電磁閥，氣體經其排出。該裝置可對加載壓應力的大小、作用頻率及作用持續時間等進行定量控制，但是該裝置存在以下缺陷(1)細胞培養腔與氣缸通過通氣管連接，氣體最終是通過通氣管進入細胞培養腔后擴散，而該氣體的擴散運動既有正前方的推進擴散，也有向四周的彌散，這就導致細胞培養腔內的細胞受力并不是均勻的，模擬實驗結果存在誤差；(2)需要多級減壓裝置、電磁閥等來控制氣體頻率和氣壓大小，部件運轉反應時間長，靈敏度差，對于較為復雜的力學加載過程難以模擬，例如發明人丁季峰老中醫的“ 袞法”操作動力學曲線顯示4袞法垂直波振幅高，上升支陡峭，上升角大，波峰尖銳，下降支的回擺波振幅可高達主波(前擺波)的1/3 1/2，波峰尖銳，由于力學加載過程復雜且相鄰過程之間的壓力大小差距大，因而使用上述裝置將難以精確模擬。綜上所述，亟需一種能夠精確模擬復雜的力學加載過程，壓力加載均勻的裝置，但是目前關于這類裝置還未見報道。生物材料試驗系統(MTS)，又稱萬能材料試驗機、多軸生物力學試驗及運動模擬系統，采用電子技術與機械傳動相結合方式，對載荷、變形、位移的測量和控制有較高的精度和靈敏度，可進行等速加載、等速變形、等速位移的自動控制試驗，并有低周載荷循環、變形循環、位移循環的功能，被廣泛應用于人體組織的生物力學實驗。它還可以根據要求輸出可變壓力，模擬推拿手法等復雜壓力變化過程的動力學曲線，這為研制上述可精確模擬復雜的力學加載過程和壓力加載均勻的裝置提供了可能，從而為構建基于細胞生物力學的手法模擬實驗平臺提供了可能。
發明內容本實用新型的目的是針對現有技術中的不足，提供一種可精確模擬復雜的力學加載過程、壓力加載均勻、結構簡單、操作簡便的多細胞力學加載裝置。本實用新型的另一的目的是，提供一種多細胞的力學模擬實驗平臺。為實現上述目的，本實用新型采取的技術方案是一種多細胞的力學加載裝置，所述的加載裝置包括上端設有支具的活塞和加載箱，所述的活塞的規格與加載箱內部規格一致，所述的加載箱底部設有傳感器，外部設有信號采集儀。所述的活塞和加載箱均是圓柱形。所述的加載箱是由有機玻璃制成。所述的傳感器是無線傳感器。所述的傳感器是有線傳感器，所述的傳感器通過導線與信號采集儀連接。為實現上述第二個目的，本實用新型采取的技術方案是一種多細胞的力學模擬實驗平臺，所述的實驗平臺包括如上任一所述的多細胞力學加載裝置、電腦系統和設有夾具的萬能材料試驗機，所述的多細胞力學加載裝置固定于夾具上，所述的電腦系統與萬能材料試驗機連接。本實用新型優點在于I、本實用新型的多細胞力學加載裝置利用活塞的上下運動壓縮空氣以對細胞加載壓力，能確保細胞受力均勻，提高測定結果的準確度；2、本實用新型的多細胞的力學模擬實驗平臺采用的是萬能材料試驗機控制活塞運動，可精確地模擬壓力加載過程，且反應靈敏，能模擬復雜的壓力變化過程；3、本實用新型的多細胞的力學加載裝置結構簡單，可控性好，操作簡便。
附圖I是本實用新型的一種多細胞的力學加載裝置結構示意圖。附圖2是本實用新型的一種多細胞的力學模擬實驗平臺結構示意圖。附圖3是丁季峰中型 袞法動態曲線圖。[0023]附圖4是模擬子袞法曲線。附圖5是模擬 袞法曲線運行軌跡。附圖6是正弦曲線運行軌跡。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型提供的具體實施方式
作詳細說明。附圖中涉及的附圖標記和組成部分如下所示I.加載箱2.活塞3.支具4.傳感器·5.信號采集儀10.多細胞力學加載裝置20.萬能材料試驗機30.電腦系統6.夾具61.第一夾具62.第二夾具實施例I本實用新型的一種多細胞力學加載裝置請參照圖1，圖I是本實用新型的一種多細胞的力學加載裝置結構示意圖。所述的多細胞的力學加載裝置設有一個加載箱1，所述的加載箱I由有機玻璃制成，呈圓柱形，夕卜部直徑13cm，內部直徑10cm，高13cm，上端的一面是開口的。所述的多細胞力學加載裝置還設有一個活塞2，所述的活塞2為圓柱形，直徑與加載箱I的內徑相同，厚度3cm。所述的活塞2的上端的中央設有支具3，所述的支具3也是一個圓柱體，由不銹鋼材料制成。所述的加載箱I的底部設有通孔(圖中未示出)，所述的通孔中緊密地嵌合著傳感器4，所述的傳感器4是無線傳感器，頂面與加載箱I的底面是在一個水平面上的。所述的加載箱I的外部還設有信號采集儀5。所述的信號采集儀5與傳感器4通過無線信號連接。實施例2本實用新型的一種多細胞的力學模擬實驗平臺請參照圖2，圖2是本實用新型的一種多細胞的力學模擬實驗平臺結構示意圖。所述的多細胞的力學模擬實驗平臺設有如實施例I所述的多細胞力學加載裝置10、萬能材料試驗機20和電腦系統30。所述的萬能材料試驗機20為美國MTS公司生產，型號為MTS858，設有夾具6，所述的夾具6包括第一夾具61和第二夾具62。所述的多細胞力學加載裝置10被固定于第一夾具61和第二夾具62之間，即支具3與第一夾具61固定,加載箱I的底部與第二夾具62固定。所述的電腦系統30與萬能材料試驗機20連接，所述的電腦系統30中安裝有波形編輯軟件。本實用新型的一種多細胞的力學模擬實驗平臺的使用方法及其工作原理是①將本實用新型的多細胞力學加載裝置10用紫外線照射I小時，滅菌消毒；②將細胞接種于無菌培養皿，加入細胞培養液；③將本實用新型的多細胞力學加載裝置10固定于萬能材料試驗機20的夾具6上，打開數據采集儀5，調節零點，向加載箱I中放入含有細胞培養液的培養皿；④運用萬能材料試驗機20加載700N負荷，檢查加載箱I有無漏氣，數據采集儀5運行是否正常；⑤利用電腦系統30中的波形編輯軟件，編輯模擬力學加載曲線；⑥傳感器4感應加載箱I底部受力，并將受力值通過無線信號傳送給信號采集儀5，調控力學輸出，將波形和力學輸出相結合，編輯出實驗運行程序。整個過程中，隨著施加壓力載荷的變化，本實用新型的多細胞力學加載裝置10中的活塞2發生上下運動,通過密閉的氣體傳導,將壓力載荷施加在加載箱I底部培養皿中的細胞上，致使細胞受力。針對上述實施例1-2，需要說明的是，本實用新型的多細胞力學加載裝置是采用活塞2向與其大小一致的加載箱I內部壓縮空氣加載壓力，空氣的運動方向是一致向下的，因此細胞所受的壓力是均勻的；由于壓力的加載是通過活塞2實現，而活塞2的運動只需由萬能材料試驗機20控制，所以可以精確地模擬壓力加載過程，而且對于復雜的壓力變化過程也可以精確地模擬；所述的加載箱I和活塞2的形狀不僅限于圓柱形，二者形狀一致、活塞2規格與加載箱I內部規格相同可確保加載箱I的密閉性即可，如設計成圓角四邊形，但優選圓柱形，以方便造模；所述的加載箱I采用有機玻璃制成，其內壁光滑，能與活塞2四周緊密貼合，防止漏氣；所述的活塞2可使用鋁合金活塞、鑄鐵活塞、鑄鋼活塞、鋁基復合材料活塞等，以耐磨和密封性能好為選擇標準；為進一步確保加載箱I的密封性，可在活塞2的四周涂一層無菌甘油；所述的傳感器4的頂面與加載箱I的底面要保持在一個水平面上的，保·證傳感器4感受的壓力值與細胞是相同的；所述的傳感器4也可以采用有線傳感器，使用有線傳感器時，傳感器4和數據采集儀5之間通過導線連接傳送信號；所述的萬能材料試驗機20不僅限于實施例2，也可以使用其他廠家的設備，以變形測量范圍寬、變形示值相對誤差小為選擇標準。實施例3本實用新型的一種多細胞力學模擬實驗平臺模擬 袞法曲線I、實驗方法以臨床實驗中篩選的子袞法最佳動力學參數(力量4kg、頻率120次/分、時間IOmin)為基本參數，結合丁季峰中型^袞法動態曲線圖(見圖3)和萬能材料試驗機20的技術要求，利用電腦系統30中的波形編輯程序，設計并調控多細胞力學加載裝置10加載力的輸出，具體操作步驟是①將紫外照射后的多細胞力學加載裝置10固定于萬能材料試驗機20上，接通加載箱I底部的傳感器4的電源，打開數據采集儀5，調節零點，將含有PBS緩沖液培養皿放入加載箱I底部；②啟動萬能材料試驗機20，運行Basic Test Ware程序，設置位移保護為(10mm，一 60mm)，作動器方向向下為負值，選擇Auto Offset程序將MTS系統偏移調零后打開Meters窗口，在Sensitive選項中將精度設置為O. I ；③打開液壓，選擇手動控制程序，操縱作動器帶動活塞2在加載箱I中上下移動，依據數據采集儀5的數值顯示，確定所施加的力學輸出與活塞2位移的對應關系，并最終由位移量程標定力學輸出，實驗需要的載荷區間為(一 100N, - 660N) / (- 160N, - 660N)；④在波形編輯程序中，選擇Axial Displacement和Axial Command作為控制模式，設定為輸出曲線縱軸，然后在Plot Mode中選擇Time作為輸出曲線橫軸并將AutoOffset偏移調零；⑤根據實驗要求，輸入模擬 袞法曲線相關參數/正弦曲線參數，曲線輸出頻率為2赫茲，曲線輸出時間為10分鐘,波形編輯程序內輸出1200個循環；⑥使用Pvc程序校正補償因偏移等因素引起的曲線輸出誤差，修正曲線波形，將手動控制中的Enable選項清除,選擇Interlock鎖定程序,開始測試；⑦打開示波器，將穩定的波形保存在系統中，并觀察其擬合效果；⑧測試結束后保存程序及曲線，卸除多細胞力學加載裝置10，最后關閉液壓，退出波形編輯程序。2、實驗結果 2. I模擬子袞法曲線結果模擬的子袞法曲線如圖4所示。設定萬能材料試驗機最大壓力輸出660N，最小壓力輸出100N，相對應的絕對位移標定為(一 43. 43mm, 一 47. 50mm)，模擬子袞法曲線運行軌跡如圖5所示。2. 2正弦曲線結果正弦曲線作為模擬 袞法曲線的對照，其萬能材料試驗機最大壓力輸出600N，最小壓力輸出160N，相對應的相對位移標定為(一 7. OOmm, 7. 00_)，頻率120次/分，持續時間為10分鐘，曲線運行軌跡如圖6所示。從上述結果可以看出，本實用新型的多細胞力學模擬實驗平臺可以精準地模擬壓力加載過程。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明方法的前提下，還可以做出若干改進和補充，這些改進和補充也應視為本發明的保護范圍。
權利要求1.一種多細胞的力學加載裝置，其特征在于，所述的加載裝置包括上端設有支具的活塞和加載箱，所述的活塞的規格與加載箱內部規格一致，所述的加載箱底部設有傳感器，外部設有信號采集儀。
2.根據權利要求I所述的多細胞的力學加載裝置，其特征在于，所述的活塞和加載箱均是圓柱形。
3.根據權利要求I所述的多細胞的力學加載裝置，其特征在于，所述的加載箱是由有機玻璃制成。
4.根據權利要求1-3任一所述的多細胞的力學加載裝置，其特征在于，所述的傳感器是無線傳感器。
5.根據權利要求1-3任一所述的多細胞的力學加載裝置，其特征在于，所述的傳感器是有線傳感器，所述的傳感器通過導線與信號采集儀連接。
6.一種多細胞的力學模擬實驗平臺，其特征在于，所述的實驗平臺包括如權利要求1-3任一所述的多細胞力學加載裝置、電腦系統和設有夾具的萬能材料試驗機，所述的多細胞力學加載裝置固定于夾具上，所述的電腦系統與萬能材料試驗機連接。
專利摘要本實用新型提供一種多細胞的力學加載裝置及模擬實驗平臺，它包括上端設有支具的活塞和加載箱，所述的活塞的規格與加載箱內部規格一致，所述的加載箱底部設有傳感器，外部設有信號采集儀。本實用新型還提供一種多細胞的力學模擬實驗平臺，所述的實驗平臺包括如上所述的多細胞力學加載裝置、電腦系統和設有夾具的萬能材料試驗機，所述的多細胞力學加載裝置固定于夾具上，所述的電腦系統與萬能材料試驗機連接。本實用新型優點在于利用活塞的上下運動壓縮空氣以對細胞加載壓力，能確保細胞受力均勻，提高測定結果的準確性；采用的是萬能材料試驗機控制活塞運動，可精確地模擬壓力加載過程，且反應靈敏，能模擬復雜的壓力變化過程；結構簡單，操作簡便。
文檔編號G01N3/10GK202676542SQ20122030069
公開日2013年1月16日 申請日期2012年6月26日 優先權日2012年6月26日
發明者張宏, 嚴雋陶, 林清, 張國輝, 馬恵升, 趙謙, 朱清廣, 齊瑞, 王勇麗, 屈慶 申請人:上海中醫藥大學附屬岳陽中西醫結合醫院