CN100338204C - 离体细胞微应力施加装置 - Google Patents

Abstract

本装置主要应用生物力学、机械设计、电路设计、单片机等学科的基本理论和方法，研制出一套能进行反馈控制连续加载的系统。该装置可向离体培养细胞施加一个范围在50mN～300mN之间的恒定微小压力，同时保持细胞的活性。该装置的主控模块是以16位单片机SPCE061A为核心，应力大小可调节和显示，应力变化的信号通过应变片和单通道动态应变仪来检测和放大，并由步进电机实现应力的施加。该装置的研制提出一种新的细胞力学试验装置和试验方法。

Description

离体细胞微应力施加装置

技术领域

本发明涉及生物力学研究中应力施加的装置，特别是涉及一种对离体培养植物组织和细胞施加微小机械力的装置。

技术背景

植物细胞受到来自内部流体压力和外部的半刚性复合细胞壁系统的束缚，传统的工程方法难以确定在变化的应力或应变场中植物细胞分裂、发育的规律。研究者们尝试着通过实验建立起在机械加载条件下可以真正预测性和描述植物细胞分裂行为的理论体系。

人们提出了多种离体培养细胞的力学实验方法，对离体培养细胞在应力改变时所产生的变化的研究已日渐增多，相应地用于研究离体培养细胞的力学装置也有报道。这些装置大多是针对动物或人的组织或细胞来研发的，其中只有比较少的报道和植物细胞研究有关。

微吸管吸吮技术，这是是检测变形和黏附对单个细胞或细胞团影响的重要手段，这种装置在哺乳动物细胞的研究中不断改进，运用很成功，但植物细胞与动物细胞相比具有细胞壁，即使是植物原生质体也能在较短时间内形成新的细胞壁，因此在植物细胞的力学研究上使用微吸管吸吮技术有较大难度。

压力载荷法是指在细胞离体培养过程中，模拟在体环境下组织间隙压力，研究在压应力作用下细胞力学特性的实验方法。该法中的试验装置只能单纯的施加压应力，应力的大小及频率控制也受到较大限制。此外运用较多的细胞力学实验方法还有流体剪切法，其用于研究剪切力对细胞的形态功能的影响及研究血管内皮细胞的黏附力；基底拉伸法，用于模拟细胞受到的拉伸应变。而造价昂贵的原子力显微镜在生物学上也用来研究细胞的三维形态学变化和细胞的力学属性。

在对应力刺激后植物生长行为的研究中，特别需要解决的问题是应力加载的定量和可重复性。为此在植物细胞工程研究中将声波作为应力加载方式也进行了相应的研究。但声波作为一种交变应力，其施加应力的频率受到很大限制，与细胞在现实环境中的差异比较大。为研究机械应力对离体培养细胞生长行为的调节规律，应研制能对离体培养细胞施加机械应力的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种经济且精度较高，在生物力学实验中能够对植物离体细胞施加微应力的装置。

本发明所涉及的技术方案是提供一种离体细胞微应力施加装置，包括基座部分、机械传动部分、控制系统部分，基座部分由工作台、滑块架、固定挡板组成，机械传动部分由步进电机、丝杠、滑块、施压挡板、阻尼弹簧组成，控制系统由电阻应变片、温度补偿应变片、簧片、应变仪、桥盒、微压测控仪组成，两组电阻应变片粘贴在簧片两侧，簧片两端固定在工作台和滑块上，步进电机与丝杠连接，丝杠将推动施压档板轴向移动。

附图说明

图1，离体细胞微应力施加装置示意图

图2，微压测控仪面板示意图

图3，应变片组桥示意图

图4，SPCE061A单片机最小系统组成图

图5，SPCE061A单片机电源电路原理图

图6，微压测控仪显示及按键部分原理图

图7，步进电机驱动电路(其中一相)

下面结合附图对本发明所涉及的离体细胞微应力施加装置进一步说明：

离体细胞微应力施加装置由基座部分，机械传动部分和控制系统三部分组成，(见图1)。整个装置机械传动部分安装在基座部分上，其中步进电机1安装在工作台13上，丝杠5与步进电机1连接，与丝杠5连接的滑块6由固定在工作台13上的滑块架16支撑，在滑块6与施压挡板8之间由阻尼弹簧7连接，试验样本12放置在施压挡板8和固定挡板11之间，控制部分通过控制线缆2与桥盒17的连接，应变仪4、微压测控仪3及其附属电路和步进电机1、电阻应变片9组成反馈控制电路，应变仪4、微压测控仪3及其附属电路不固定在工作台13上，簧片14和桥盒17安装在工作台13上，电阻应变片9粘贴在簧片14上，电阻应变片9和温度补偿应变片10由线缆15与桥盒17连接，步进电机1也通过线缆18与桥盒17连接。

本装置中步进电机1的轴向旋转通过丝杠5转换为轴向移动，推动施压挡板8挤压试验样本12。由于步进电机1输出的力相对较大，通过阻尼弹簧7将力减小到植物细胞及其培养介质能够承受的水平，一般力的范围在在50mN～300mN之内。

为保持输出的力大小恒定，必须精确获取施加在试验样本12上力的参数，进而通过一个反馈控制回路来调节步进电机1的运转。控制部分以微压测控仪3为核心，以灵敏的电阻应变片9和应变仪4组成压力探测回路，配以步进电机1细分驱动回路和输入键、显示接口，(见图2)。所有的控制功能由计算机软件实现。

测量对试验样本的压力时，我们采用应变片组成半桥电路来实现，(见图3)。半桥电路可以满足对试验样本施加压力的值非常微小的要求，又由于应变片的温度效应，同时受压的半桥电路没有温度补偿作用，因此还采用了两片温度补偿应变片进行温度补偿。

控制部分采用片内集成10位AD转换器的凌阳16位单片机SPCE061A，SPCE061A的最小系统组成，(见图4)。SPCE061A的AD采样程序如下所示：void get_AD(void){unsigned int STEP=0;while(!(*P_ADC_MUX_Ctrl&0x8000));     //等待直至AD转换完毕STEP=*P_ADC_LINEIN_Data;              //读数并开始下一次AD转换AD=STEP&0xFFC0;}

SPCE061A的工作电压为2.6～3.6V。本系统采用SPY0029稳压到3.3V为MCU供电，其电源电路原理图(见图5)。

本装置采用三个按键分别作为“ADD”“SUB”“ENT”，(见图2)，3位七段数码管数值显示及电源、设定值LED指示，该部分电路原理图(见图6)。数值显示程序如下所示：

void display_Nnm(void)
{
  //显示百位
  i=0x00F8&*P_IOB_Buffer;//清零，保护键值
  i|=0x0006;//位扫描
  if(E==0)i|=0xFF00;//带消隐功能
  else    i|=num[E];
  *P_IOB_Data=i;
  delay();
  //显示十位
  i=0x00F8&*P_IOB_Buffer;//清零，保护键值
  i|=0x0005;//位扫描
  i|=num[T];
  *P_IOB_Data=i;
  delay();
  //显示个位，为0
  i=0x00F8&*P_IOB_Buffer;//清零，保护键值
  i|=0x0003;//位扫描
  i|=num[0];
  *P_IOB_Data=i;
  delay();
  }//END void display_Nnm(void)

取键值程序：

key=0x0038&*P_IOB_Data;       //取键值
  switch(key)
  {
case 0x0020:              //key1

           if(m==1){SET++;m=0;}

           break;

　　case 0x0010:             //key2

　　       if(m==1){SET--;m=0;}

　　       break;

　　case 0x0008:             //key3

　　       if(m==1)  {Y=0;m=2;}//确认

　　       break;

　　default:  m=1;   //按键已被释放，置位标志位

　　          break;

　　}

　　*P_IOB_Data=*P_IOB_Buffer;//复位key;清IOB3、IOB4、IOB5(为低);
键值处理：

　　switch(SET)

　　{

　　 case 0:E=0;T=5;          //50mN

　　          break;

　　 case 1:E=1;T=0;          //100mN

　　          break;

　　 case 2:E=1;T=5;          //150mN

　　          break

　　 case 3:E=2;T=0;          //200mN

　　          break;

　　 case 4:E=2;T=5;          //250mN

　　          break;

　　 case 5:E=3;T=0;          //300mN

　　          break;

　　 case 6:E=0;T=5;SET=0;    //＞300mN,溢出

　　          break;

　　 default:E=3;T=0;SET=5;   //＜50mN或出错

　　          break;

　　}//END switch(SET)

本装置的机械部分执行机构采用四相步进电机驱动，(见图7)。步进电机的电压为4.5～7.5V，为简化系统，采用5V即和控制部分同样的供电电压，步进电机驱动程序如下：

　　switch(stepM)         //正转，加压
     

			
  {

　　case 0:*P_IOA_Data=0x6FFF&*P_IOA_Buffer;          //DA低有效,A为最
高位.

　　         stepM=1;break;

　　case 1:*P_IOA_Data=0xE000|*P_IOA_Buffer;          //D

　　         stepM=2;break;

　　case 2:*P_IOA_Data=0xCFFF&*P_IOA_Buffer;          //CD

　　         stepM=3;break;

　　case 3:*P_IOA_Data=0xD000|*P_IOA_Buffer;          //C

　　         stepM=4;break;

　　case 4:*P_IOA_Data=0x9FFF&*P_IOA_Buffer;          //BC

　　         stepM=5;break;

　　case 5:*P_IOA_Data=0xB000|*P_IOA_Buffer;          //B

　　         stepM=6;break;

　　case 6:*P_IOA_Data=0x3FFF&*P_IOA_Buffer;          //AB

　　         stepM=7;break;

　　case 7:*P_IOA_Data=0x7000|*P_IOA_Buffer;          //A

　　         stepM=0;break;

　　default:stepM=0;break;         //ERROR

　　}//END switch(stepM)

本加载装置具有结构简单，操作方便，加载梯度小，微调精度高、无卸载现象，不受转向限制，能实现微量、周期、自动、平稳加载的良好特性。本装置与超高精度传感器和测试仪表配合使用，不仅适用于植物单细胞的应力加载试验，而且可以推广应用动物细胞的生物力学相关实验中去。

Claims (1)

1.一种离体细胞微应力施加装置，包括基座部分、机械传动部分、控制系统部分，基座部分由工作台(13)、滑块架(16)、固定挡板(11)组成，机械传动部分由步进电机(1)、丝杠(5)、滑块(6)、施压挡板(8)、阻尼弹簧(7)组成，控制系统由电阻应变片(9)、温度补偿应变片(10)、簧片(14)、应变仪(4)、桥盒(17)、微压测控仪(3)组成，其特征在于：两组电阻应变片(9)粘贴在簧片(14)两侧，簧片(14)两端固定在工作台(13)和滑块(6)上，步进电机(1)与丝杠(5)连接，丝杠(5)将推动施压档板(8)轴向移动，控制系统中簧片(14)两面均贴有电阻应变片(9)和温度补偿应变片(10)，电阻应变片(9)和温度补偿应变片(10)组成半桥电路，控制系统中采用了两块应变片(10)作为温度补偿应变片进行温度补偿。

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