CN100570363C - 细胞力学周期加载系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种细胞力学加载系统。包括培养机构及控制机构，特征是：培养机构由四个独立的培养腔构成，在培养腔的底部分别固定有培养细胞的硅胶膜，在其中三个的底部具有顶升板和加载有不同力学荷载的顶升气囊(9)，三个顶升式气囊通过气流通道控制阀与主气囊连通，主气囊(13)底部安装有由电机带动往复移动的推挤板；另一个培养腔不加载任何力学荷载，它们一起形成一组力学荷载对照组。本发明可产生平面的等双轴的周期性拉应力或压应力，具有接近真实生理状态，可控性好，操作简单，重复精度高，误差小，体积小等特点。

Description

细胞力学周期加载系统

技术领域

本发明涉及医学生物实验仪器，是一种用于模拟体内细胞受周期拉伸应力和周期压缩应力的细胞力学周期加载系统。

技术背景

根据生物力学和生物医学工程研究的进展，用细胞力学方法在体外研究不同力学载荷下韧带细胞、心肌细胞等体内各种受力的成纤维细胞在分子和形态上的变化是当代国际生物，医学研究的热点，为了研究心肌、韧带、滑膜以及体内各种受力组织、细胞在不同力学载荷下的分子水平或形态学上的变化，因此，需要一种可以产生周期性拉应力或压缩应力的仪器。

细胞力学是现代生物学发展的前沿领域，涉及到载荷下细胞、细胞膜、细胞骨架的形变，弹性常数、黏弹性、黏附力等力学性能的研究；以及力学因素对细胞黏附、铺展及生长、分化等等生物学行为的影响。细胞力学研究的基础和关键是细胞加载技术。由于体内环境异常复杂；人体细胞的大小在十几到几十个微米之间，细胞膜的厚度仅有几个纳米到几十个纳米，常规的宏观力学加载方法和实验无法直接使用。因此，体外分离细胞和建立合适的加载培养模型是细胞力学面临的首要问题。早在1939，Glucksmann在体外培养细胞的力学加载研制方面，进行了开拓性的研究。他将鸡胚胎的胫骨内膜细胞培养在成对的肋间肌基质上，当肌肉萎缩牵引肋骨相互靠近时，离体培养的细胞即受到了压力的作用。美国人Lee在1996年发明的静态等双轴牵张装置，由于不用考虑细胞拉伸和压缩的周期性效应，只能对细胞进行静态的拉伸应力或压缩应力试验。经过多年改进和发展，已研制出多种体外培养细胞的力学加载。大致可以分为离心加载、流体加载、单细胞加载、压力传到加载和基地形变加载装置。

发明的内容

本发明的目的在于提供一种周期拉伸和压缩细胞的力学加载仪，它具有接近真实生理状态，可控性好，操作简单，重复精度高，误差小，体积小等特点。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：

所述细胞力学周期加载系统包括培养机构及控制机构，其中，控制机构包括中央处理器18，驱动电路20，执行控制电路19和电源电路21，执行控制电路19包括液位传感器5和气流通道控制阀12，中央处理器18与驱动电路20，执行控制电路19相连；电源电路21分别与中央处理器18，驱动电路20，执行控制电路19相连；本发明的特征是：

培养机构由四个独立的培养腔构成，在其中三个培养腔的底部分别固定有培养细胞的硅胶膜，其底部具有顶升板和加载有不同力学荷载的顶升式气囊，三个顶升式气囊通过气流通道控制阀与主气囊连通，主气囊底部安装有由电机带动往复移动的推挤板；另一个培养腔不加载任何力学荷载，它们一起形成一组力学荷载对照组。

本发明的特点如下：

(1)由于培养细胞的硅胶膜是圆形的，并且在膜的周围产生张力，所以本发明可以对培养在硅胶膜上的细胞产生均匀的拉伸和压缩力。

(2)在本发明的装置中我们可以人为的调节直线电动机的频率，从而引起硅胶膜拉伸和收缩的频率的变化。所以本发明可以产生对培养在硅胶膜上的细胞不同频率的周期性拉伸应力和压缩应力。

(3)由于本发明的驱动方式是利用气囊驱动顶升块，而且采用了液位光纤开关传感器，使得气体便于精确控制，并且产生的力比较平缓，所以本发明对培养在硅胶膜上的细胞产生的周期性的拉伸和压缩应力非常的接近于细胞生理状态下所受的力。

(4)由于本发明的电路和气体的充气、断气分别是采用优质集成电路和光纤开关传感器。所以能精确的保证系统运行的高度可靠性以及良好的稳定性。

(5)本发明采用多个不同拉伸幅度培养系统的复合使得整个系统能大大提高工作效率。由于采用了四个不同力学荷载的培养皿使得整个系统在进行实验时具有很强的对比性，能大大的减少工作量，提高了实验效率。

(6)本发明体积较小，能放置在细胞培养箱里面进行培养。

基于以上的特点，本发明可产生多组、周期性拉伸应力和压缩应力。具有可控性好、操作简单、重复精度高、误差小、对比性强、体积小等特点。

附图说明

下面结合附图进一步详细的阐述本发明，但本发明不仅限于附图所示实施例。

图1是本发明的执行机构的正面剖视图。

图2是本发明的执行机构的侧面剖视图。

图3是本发明执行机构的俯视图。

图4是本发明的控制原理图。

图1～3中，1-硅胶膜，2-圆形压头，3-螺纹连接，4-光纤开关传感器，5-光纤开关传感器信号接收器，6-环形顶升块，7-环形橡胶圈，8-环形槽，9-顶升气囊，10-培养腔支座，11-气流通道，12-气流通道控制阀，13-主气囊，14-螺纹连接，15-推挤板，16-主气囊支座，17-直线电机。

具体实施方式

将细胞培养在硅胶膜1上，硅胶膜1通过环形橡胶圈7紧紧的压在环形槽8中，为使硅胶膜1保持一个水平面，采用一个带螺纹的圆形压头2，圆形压头2的螺纹与培养腔支座10上端的螺纹紧紧的咬合在一起，把它紧紧的固定在培养皿支座上。

顶升气囊位于培养腔支座10内，培养腔支座10通过其末端的螺纹与主气囊支座16上端的螺纹相连。以保证整个系统的一体性。

其中，当顶升气囊9充气时，使它发生体积变大的形变，并对环形顶升块6产生的推力，使环形顶升块6做向上的运动，引起硅胶膜1做形变变大的拉伸运动，拉伸细胞。并引起硅胶膜1上培养液的液位高度上升，当培养液上升至光纤开关传感器信号接收器5的位置时，被光纤开关传感器4检测到，通过气流通道控制阀12立即关闭气流通道11，这样就停止了顶升气囊9的充气，并引起环形顶升块6停止向上运动.开关保持关闭时间由开始中央处理器控制设计好的程序中输入。经过这一时间，由中央处理器发出的信号对气流通道器12做出打开气流通道11开关的命令。

由中央处理器控制的直线电机17带动推挤板15产生向下的运动，引起主气囊13的体积增大，顶升气囊9中的气体变通过气流通道11流入主气囊13中。顶升气囊9体积的变小引起环形顶升块6做向下的运动，环形顶升块6做向下的运动又引起硅胶膜1形变变小的收缩运动，压缩细胞。

其中顶升气囊9，主气囊13是通过气流通道11保持相连的密封整体，因此不存在漏气的问题。直线电机17做上下往复运动频率通过中央处理器设定，使它的频率与气流通道11开关关闭的时间保持一致。气流通道11的距离很短，直径相对较大，这样就减少了气体延迟时间。所述气流通道控制阀控制气流通道开闭的大小。

图2中，18为没有力学荷载的培养腔，没有力学荷载的培养腔18与其它力学荷载的培养腔作为对比组，形成整体系统。整个系统中有四个培养腔系统，其中的三个受到主气囊控制，另一个不加任何力学加载。主气囊13分别控制3个形状相同顶升气囊9，但其中每个气囊的充气程度不一样，这一点是通过不同调节光纤开关传感器4、光纤开关传感器信号接收器5在圆形压头2上的位置高度来决定的。

图4中，A、B、C、D-培养腔，18-中央处理器，19-执行控制电路，20-驱动电路，21-和电源电路。气流开关控制器系统与调驱动系统20中做周期性上下运动的直线电机17的协调是通过中央处理器18来实现的。电源电路21分别与中央处理器18、调驱动系统20、执行控制电路19相连。通过这一系统电源电路21为整个装置提供电源。控制机构采用的已有成熟技术，不为本发明的要点。

材料：整个系统中的圆形压头2，环形顶升块6，环形槽8，培养腔支座10，主气囊支座16，推挤板15均由聚苯乙烯铸成。

Claims (5)

1、一种细胞力学周期加载系统，包括培养机构及控制机构，其中，控制机构包括中央处理器(18)，驱动电路(20)，执行控制电路(19)和电源电路(21)，执行控制电路(19)包括液位传感器和气流通道控制阀(12)；本发明的特征是：培养机构由四个独立的培养腔构成，在培养腔的底部分别固定有培养细胞的硅胶膜，在其中三个的底部具有顶升板和加载有不同力学荷载的顶升气囊(9)，三个顶升式气囊通过气流通道控制阀与主气囊(13)连通，主气囊底部安装有由电机带动往复移动的推挤板；另一个培养腔不加载任何力学荷载，它们一起形成一组力学荷载对照组。

2、根据权利要求1所述的细胞力学周期加载系统，其特征是：顶升气囊(9)分别位于培养腔支座(10)的三个孔洞内，培养腔支座通过其末端的螺纹与主气囊支座(16)上端的螺纹相连位一体。

3、根据权利要求1所述的细胞力学周期加载系统，其特征是：硅胶膜(1)通过环形橡胶圈(7)分别的压在培养腔支座孔洞的环形槽(8)中，采用一个带螺纹的圆形压头(2)与培养腔支座(10)上端的螺纹紧紧的咬合在一起，把硅胶膜(1)紧紧的固定在培养腔支座上而构成培养腔。

4、根据权利要求3所述的细胞力学周期加载系统，其特征是：在培养腔的侧壁设置液位传感器。

5、根据权利要求4所述的细胞力学周期加载系统，其特征是：液位传感器由光纤开关传感器(5)及其接收器(4)组成，它们设置在构成培养腔侧壁的圆形压头(2)对应的位置上。

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