CN101067595A - 压力控制和读取装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种压力控制和读取装置，应用于微吸管吸吮系统中，当细胞被微吸管吸吮的同时调节本装置使负压逐步增大，细胞被拉离所需的临界力可经由压力读取值和微吸管口径计算得到。本发明由数显游标卡尺和螺旋升降装置加工改装，结构简单，制备方便，灵敏度能充分满足测细胞粘附力的需求。本装置可用于定量测定单个细胞的形变参数、单个细胞与材料表面间的作用力、两个细胞之间的作用力；还可拓展应用于测定微米级单个微球(如胶束、囊泡等)壁的强度参数、单个微球与材料表面间的作用力、两个微球之间的作用力。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力控制和读取装置，应用于微吸管吸吮系统中，定量测定细胞形变参数、作用力，并可拓展应用到测定微米级微球强度参数、作用力。
背景技术
在生物医用材料研究领域，细胞与材料表面的粘附相当重要，而且粘附特性的差异还将影响细胞的分化、增殖等一系列反应。因此，细胞与材料的粘附及其各种因素对它的影响是生物材料研究中必须研究的基本问题。目前测量粘附特性的方法有以下几种：①沉淀法，优点是简便易行、测量迅速；缺点是难于控制洗脱力，重复性差。②转盘法。③流室测定法，用于测定液流中细胞与材料表面的粘附力。④微吸管吸吮法。⑤原子力显微镜法。⑥光镊法。后三种可用于测量单个细胞与材料的粘附力、脱附过程中细胞在材料表面上接触面积的变化，以及细胞的变形性等细胞力学参数，但相对于原子力显微镜和光镊法，只有微吸管吸吮法仪器简单、易于标定，重复性好(秦廷武等，中国修复重建外科杂志，1999，1)。现在随着对溶液中自组装行为的深入研究，微吸管法开始应用于自组装微球的性能测定。但微吸管吸吮系统中关于对于微吸管中的负压一直没有一个明确简单的调控和读取方法。曾有把压力传导及调节管路、步进电机、细分器、计算机等组装在一起的做法，读数通过U型管来实现，其最小可产生0.25mm水柱的负压，能在2μm的微吸管产生7.5×10-12N的粘附力变化。但上述结构复杂、造价高、读数不方便，由于压力控制和读取装置的影响而阻碍了微吸管吸吮法的应用和推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、灵敏度高的压力控制和读取装置，与微吸管、倒置显微镜及相关配套设备组装成适用于单个细胞及微球科学研究领域的微吸管吸吮装置。
本发明由改装后的数显游标卡尺、螺旋升降装置、容器、导管、注射器、三通顺序组装而成。数显游标卡尺经改装后，只留下尺身和读数器，尺身与螺旋升降装置平行，末端固定在底座上，读数器固定在螺旋升降装置上端的容器座上。读数器与螺旋升降装置上端的容器座相连，容器装于容器座上，并通过导管连接注射器和三通。
容器中液面的高低由螺旋升降装置来调节，变化值可直接由读数器读出。注射器用于将测完的细胞吹走、及清除微吸管端口杂物。三通起到阀门的作用，测量粘附力时接通容器和微吸管，清除微吸管端口细胞或杂物时接通注射器和微吸管，闲置时接通容器和注射器以防液体从容器中流出。容器随螺旋升降装置而上下升降，与载物台产生相对位移，容器中的液面与培养皿中的细胞所在高度产生位差，从而对细胞产生正/负压；同时读数器随螺旋升降装置而上下升降，与数显游标卡尺的尺身产生相对位移，读数发生改变。二者位移相同，由读数器读到的值即为容器中的液面升降的高度。微吸管对细胞的作用过程通过倒置显微镜的物镜传输到CCD，又经由CCD传输到计算机中，从而完成对整个操作过程的监控和存储。
有益效果
本发明的特点是结构简单、加工容易、成本低、精度高、易操作，所提供负压值范围完全可以满足测定细胞作用力的要求。
附图说明
图1本压力控制和读取装置的结构示意图。
图2本压力控制和读取装置应用于微吸管吸吮装置后的整体示意图。
图中：1为容器，2为容器座，3为读数器，4为数显游标卡尺，5为底座，6为螺旋升降装置，7为导管，8为注射器，9为三通，10为光源，11为载物台，12为倒置显微镜，13为CCD，14为计算机，15为培养有细胞的培养皿，16为微吸管，17为显微操纵器，18为压力控制和读取装置。
下面结合附图对本发明做进一步说明：
本发明的目的是精确定量测定单个细胞的形变参数、单个细胞与材料表面间的作用力、两个细胞之间的作用力，还可拓展应用于微米级单个微球(如胶束、囊泡等)壁的强度参数、单个微球与材料表面间的作用力、两个微球之间的作用力。
压力控制和读取装置18的组成和工作原理如下所述：数显游标卡尺4经改装后，只留下尺身和读数器，尺身与螺旋升降装置6平行，末端固定在底座5上，读数器3固定在螺旋升降装置6上端的容器座2上。容器1中液面的高低由螺旋升降装置6来调节，变化值可直接由读数器3读出。注射器8用于将测完的细胞吹走、及清除微吸管端口杂物。三通9起到阀门的作用，测量粘附力时接通容器1和微吸管16，清除微吸管端口细胞或杂物时接通注射器8和微吸管16，闲置时接通容器1和注射器8以防液体从容器中流出。容器1随螺旋升降装置6而上下升降，与载物台11产生相对位移，容器1中的液面与培养皿15中的细胞所在高度产生位差，从而对细胞产生正/负压；同时读数器3随螺旋升降装置6而上下升降，与数显游标卡尺4的尺身产生相对位移，读数发生改变。二者位移相同，由读数器读到的值即为容器1中的液面升降的高度。微吸管16对细胞的作用过程通过倒置显微镜12的物镜传输到CCD13，又经由CCD传输到计算机14中，从而完成对整个操作过程的监控和存储。
在细胞被微吸管16吸吮的同时，调节螺旋升降装置6使负压逐步增大，细胞被拉离所需的临界力可经由位移读取值和微吸管口径计算得到。计算公式为F＝πr2Δp＝3.079×hr2(×10-11N)，其中r为微吸管端口内半径(μm)，Δp为容器中液面降低与细胞所在水平面产生的压强差，h为由读数器读到的位移值(mm)。数显游标卡尺的量程可根据所需负压大小选择150～1000mm，其读数可精确到0.02～0.05mm，最小测试值可达0.02mm。由于微吸管端口半径r可控制在1～100μm，可知压力控制和读取装置的测量范围在6×10-13～3×10-4N。螺旋升降装置6的可调高度可根据数显游标卡尺4的量程来调整。螺旋升降装置6的螺距可根据所需负压变动步长(即负压调整快慢)来制备，其变动直接反应到读数器3显示数值变化的快慢。
具体实施例
实施例：利用压力控制和读取装置定量测定单细胞与材料表面粘附力
容器1中预先盛入培养液，将液面与载物台11上表面大致调到相同水平面。将聚苯乙烯(PS)培养皿15中预先培养内皮细胞后放置载物台11上，将拉制好的微吸管16中充满培养液，末端连到压力控制和读取装置18，微吸管径固定在显微操纵器17上，在显微操纵器17的控制下调整到目镜视野中央。
先将微吸管16端口对准一个悬浮细胞，调节螺旋升降装置6使微吸管16对细胞既无正压也无负压作用，此时将读数器3调零。然后将微吸管16端口对准目标粘附细胞，向下调节螺旋升降装置6使负压逐渐增大，同时操作显微操纵器17使微吸管16靠近细胞表面后、再将细胞拉离，如此反复，当细胞被微吸管16拉离培养皿15底面时停止增大负压，此时的位移读数结合微吸管口径经公式F＝3.079×hr2(×10-11N)计算后，即为这个细胞被拉离的临界负压值，亦即这个细胞与聚苯乙烯材料表面的切向粘附力大小。
然后调节螺旋升降装置6使之归零，重新选择目标细胞并进行测定。将测试时间控制在1h内，约重复20±5个细胞，用图形处理软件对微吸管口径进行测量，与位移值同时代入公式计算，对压力值进行统计分析。
将培养皿15表面铺了丝素蛋白膜(SF)后，同种方法测定内皮细胞与丝素蛋白膜的切向粘附力大小。并通过结果比较PS和SF对内皮细胞粘附力的差别。
分析结果如下：
| 细胞个数 | PS | SF | ||||
| h(mm) | r(μm) | F(10-10N) | h(mm) | r(μm) | F(10-10N) | |
| 12345678910111213141516171819202122 | 55.9165.3868.6358.9371.7270.0761.0666.8964.6975.7368.3965.4469.7268.1669.5970.8864.1171.7469.9759.2763.0957.91 | 2.317 | 92.42108.08113.4597.42118.56115.83100.94110.57106.94125.19113.05108.18115.25112.67115.04117.17105.98118.59115.6697.98104.2995.73 | 36.9339.5839.5244.7942.5945.2144.8749.1846.2636.9838.9249.0945.1943.2939.9746.8846.9142.649.1 | 2.314 | 60.8965.2665.1673.8570.2274.5473.9881.0976.2760.9764.1780.9474.5171.3865.9077.3077.3470.2480.96 |
| 粘附力分析(Mean±SD) | 109.50±8.55 | 71.84±6.58 | ||||
*说明本压力控制和读取装置可快速、精确地比较出不同材料对细胞粘附力的强弱。
Claims (5)
1.一种压力控制和读取装置，由改装后的数显游标卡尺(4)、螺旋升降装置(6)、容器(1)、导管(7)、注射器(8)、三通(9)顺序组装而成。其特征是：
数显游标卡尺(4)只包括尺身和读数器，尺身与螺旋升降装置(6)平行，末端固定在底座(5)上，读数器(3)与螺旋升降装置(6)上端的容器座(2)相连，容器(1)装于容器座(2)上，并通过导管(7)连接注射器(8)和三通(9)。
2.根据权利要求1所述的一种压力控制和读取装置，其特征是：容器(1)随螺旋升降装置(6)而上下升降，与载物台(11)产生相对位移，容器(1)中的液面与培养皿(15)中的细胞所在高度产生位差，从而对细胞产生正/负压；读数器(3)随螺旋升降装置(6)而上下升降，与数显游标卡尺(4)的尺身产生相对位移，读数发生改变，读数器(3)与容器(1)随螺旋升降装置(6)变化的位移相同，由读数器(3)读到的值即为容器(1)中的液面升降的高度。
3.根据权利要求2所述的一种压力控制和读取装置，其特征是：容器(1)中液面的高低由螺旋升降装置(6)来调节，变化值可直接由读数器(3)读出，注射器(8)用于将测完的细胞吹走、及清除微吸管端口杂物，三通(9)为阀门，测量粘附力时接通容器和微吸管，清除微吸管端口细胞或杂物时接通注射器和微吸管，闲置时接通容器和注射器以防液体从容器中流出。
4.根据权利要求2所述的一种压力控制和读取装置，其特征是：数显游标卡尺(4)的量程可根据测细胞粘附力所需负压大小选择150～1000mm，其读数可精确到0.02～0.05mm，最小测试值可达0.02mm。由于微吸管端口半径r可控制在1～100μm，则测力范围在6×10-13～3×10-4N。
5.根据权利要求2和3所述的一种压力控制和读取装置，其特征是：螺旋升降装置(6)的量程可根据数显游标卡尺(4)的量程来制备，螺旋升降装置(6)的螺距可根据所需负压变动步长(即负压调整快慢)来制备，其变动直接反应到读数器(3)显示数值变化的快慢。
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