CN101092595B - 数控机械应变细胞加载实验机 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种数控机械应变细胞加载实验机，由计算机(1)、控制器(2)、机械应变器(3)组成，控制器(2)采用单片机控制带有光电编码器(5)位移反馈的步进电机(4)，步进电机(4)驱动精密凸轮传动系统(6)带动球冠形顶板(7)往返运动，球冠形顶板(7)顶压弹性底细胞培养皿(8)使细胞受到机械拉伸应变作用。本发明可对体外培养细胞加载不同强度、频率和时间的动态机械拉伸应变，具有输出应变范围大、精度高、操作方便、显示直观等特点。

Description

数控机械应变细胞加载实验机
技术领域
本发明涉及一种数控机械应变细胞加载实验机，属于细胞力学领域，用于对体外培养细胞施加机械应变，研究机械应变对细胞的作用。
背景技术
细胞力学是现代生物力学发展的前沿领域，主要研究力学载荷对细胞形态、生长分化、功能等的影响，是组织工程和细胞工程的基础之一。由于体内环境异常复杂，体内细胞力学实验难以区别力学因素与其它因素对细胞的作用，因此对体外培养的细胞进行力学加载实验是细胞力学研究的重要方法。
细胞力学研究的基础和关键是细胞力学加载技术和加载装置的研究。寻找合适的细胞力学加载方法是细胞力学所面临的首要问题。
目前主要的体外细胞力学实验方法有单细胞力学实验方法、离心力加载技术、流变学加载技术、压力加载技术、基底形变加载技术等几种。其中基底形变加载技术以弹性膜作为基底材料，通过机械牵拉矩形弹性膜，或利用气压、液压和机械接触引起弹性底面的形变，使附着于该底面的细胞受到牵张力，加力方式合理，符合体内多数细胞受力特点，且不限制实验周期，是一种较为理想的实验装置。基底形变加载技术主要有矩形基底拉伸法、圆形基底形变法和四点弯曲梁加载法这三种。
国外学者Hasegawa S，Sato S，Saito M，Suzuki Y，Brunette DM在《Calcified tissue international》37卷431-436页发表题为Mechanical stretching increases the number of cultured bone cellssynthesizing DNA and alters their pattern of protein synthesis的文章，文中描述了一种基于圆形基底形变法的体外细胞力学加载装置，使用砝码对凸形压板上附着有细胞的弹性膜施加连续或间歇性拉伸，膜拉伸的程度随所用压板的曲率不同而变化，但该装置无法对细胞进行动态加载，不能通过计算机对装置进行自动化控制，且难以精确调整对细胞加载的应变量，限制了该装置在体外细胞力学研究中的应用。国外学者Banes AJ，Gilbert J，Taylor D，Monbureau O在《Journal of cellscience》75卷35-42页发表题为A new vacuum-operatedstress-providing instrument that applies static or variableduration cyclic tension or compression to cells in vitro的文章，文中也描述了一种基于圆形基底形变法的体外细胞力学加载装置，该装置利用真空产生的负压使细胞培养皿底产生变形从而对细胞进行力学加载，该装置可以对细胞进行动态加载，但不能通过计算机对装置进行自动化控制，且对细胞加载的应变量很小，最大仅能对细胞加载0.13％的应变，因此限制了其在体外细胞力学研究中的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种数控机械应变细胞加载实验机，通过计算机精确控制，可对体外培养细胞加载不同强度、频率和时间的动态机械拉伸应变，具有输出应变范围大、精度高、操作方便、显示直观等特点。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
数控机械应变细胞加载实验机包括计算机、控制器、机械应变器。控制器采用单片机控制带有光电编码器位移反馈的步进电机，步进电机驱动精密凸轮传动系统带动球冠形顶板往返运动，球冠形顶板顶压弹性底细胞培养皿，进而使细胞受到机械拉伸应变作用，实现对细胞加载机械应变。
依照以上技术特征，弹性底细胞培养皿由上压圈、下压圈、弹性硅橡胶膜、聚四氟乙烯预紧压圈、锁紧螺圈和有机玻璃透明培养皿盖组成。弹性硅橡胶膜由上压圈和下压圈夹持，旋紧锁紧螺圈使聚四氟乙烯预紧压圈将弹性硅橡胶膜绷紧，防止弹性硅橡胶膜在细胞培养基重力作用下下沉，有机玻璃透明培养皿盖可防止培养细胞污染并且便于在显微镜下观察细胞。弹性底细胞培养皿组装好后除有机玻璃透明培养皿盖外，可采用高温高压整体消毒灭菌，有机玻璃透明培养皿盖可采用钴60照射或紫外线照射消毒灭菌。细胞接种于弹性底培养皿中，待细胞贴壁生长后即可将弹性底培养皿安装于数控机械应变细胞加载实验机上，对细胞加载机械应变。
实验机通过计算机输入设置运行时间，T1、T2、T3、T44个时间段(T1、T2、T3、T4分别为球冠形顶板位于低位、上升、高位、下降时间段)和球冠形顶板运行高度H这几项参数，计算机通过RS232接口将数据传给控制器，控制器接受数据后，按照计算机设置数据控制步进电机运行，同时将通过光电编码器采集回来的角位移数据传回计算机。计算机可以实时显示运行时间、球冠形顶板运行高度和弹性硅橡胶膜拉伸变形量。当运行时间完成时，球冠形顶板自动回到最低处，程序提示执行时间已完成。控制器也可以脱离计算机后单独使用，通过控制器面板触摸式按键设置参数，即可控制机械应变器的动作，并在面板上实时显示运行时间、球冠形顶板运行高度，当运行时间完成后，球冠形顶板自动回到最低处，控制器将同时报警通知使用者。
实验机操作程序由VC++6.0编写，通过计算机RS232接口与控制器进行通信联接，程序运行系统环境要求Windows系统，支持OpenGL三维图形硬件的软件接口。实验机程序由一个主程序和两个ActiveX组件对象模块组成，实现实验机参数设置和运行控制，并通过RS232接口传回的实时数据模拟弹性硅橡胶膜动态拉伸变化情况。
实验机软件界面由模拟图形显示、参数设置和操作控制几部分组成。模拟图形显示通过RS232接口采集球冠形顶板运行高度，由OpenGL组件模块将弹性硅橡胶膜实时拉伸应变情况模拟成三维图形显示输出，运行时间段与球冠形顶板运行高度模拟曲线图由设置参数确定曲线初始位置，实时显示时通过RS232接口采集数据确定每个时间周期起始点，模拟各个时间段与曲线的对应关系。
本发明具有如下优点：
(1)可对体外培养细胞加载不同强度、频率和时间的动态机械拉伸应变，加载应变最大可达25％，加载频率最快可达0.625Hz，最长可连续加载99小时59分59秒。
(2)T1、T2、T3、T44个时间段参数可分别独立设置，T1和T3取值范围为0.1～99.9秒，T2和T4取值范围为0.7～99.9秒，便于对细胞进行不同速度的应变加载。
(3)采用光电编码器实时采集角位移数据，监控球冠形顶板的运行高度并实时反馈给控制器和计算机，确保输出机械应变的精确性。
(4)机械应变器体积小巧，可整体放入细胞培养箱中，培养皿盖开有通气孔，可确保应变加载过程中细胞培养环境的稳定。
(5)通过计算机输入设置仪器的各项参数，操作方便，可在计算机屏幕上实时显示运行时间、球冠形顶板运行高度和弹性硅橡胶膜拉伸变形量，并将弹性硅橡胶膜实时拉伸应变情况模拟成三维图形显示输出，并显示运行时间段与球冠形顶板运行高度模拟曲线图，形象直观，便于观察。
(6)控制器可以脱离计算机后单独使用，通过控制器面板触摸式按键设置参数，即可控制机械应变器的动作，并在面板上实时显示运行时间和球冠形顶板上升高度，便于在没有计算机的环境下或计算机有故障时仍能维持实验机的正常运行使用。
(7)消毒灭菌处理简单，弹性底细胞培养皿组装好后除有机玻璃透明培养皿盖外，可采用高温高压整体消毒灭菌，有机玻璃透明培养皿盖可采用钴60照射或紫外线照射消毒灭菌。
(8)弹性底细胞培养皿可方便迅速地安装在实验机上，并能迅速从实验机上拆下，培养皿盖为透明有机玻璃制作，便于加载前后在显微镜下观察细胞。
附图说明
图1为本发明整个系统的关联框图。
1计算机，2控制器，3机械应变器，4步进电机，5光电编码器，6凸轮传动系统，7球冠形顶板，8弹性底细胞培养皿。
图2为本发明的机械应变器正面剖视图。
4步进电机，5光电编码器，6凸轮传动系统，7球冠形顶板，8弹性底细胞培养皿，9有机玻璃透明培养皿盖，10聚四氟乙烯预紧压圈，11锁紧螺圈，12上压圈，13下压圈，14弹性硅橡胶膜，15顶杆，16机壳。
图3为本发明的机械应变器侧面剖视图。
4步进电机，6凸轮传动系统，7球冠形顶板，9有机玻璃透明培养皿盖，10聚四氟乙烯预紧压圈，11锁紧螺圈，12上压圈，13下压圈，14弹性硅橡胶膜。
图4为本发明计算机软件界面图。
17模拟图形显示，18参数设置，19操作控制，20弹性硅橡胶膜实时拉伸应变情况，21运行时间段与球冠形顶板运行高度模拟曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，但本发明不仅限于附图所示实施例。
如图1所示，数控机械应变细胞加载实验机由计算机1、控制器2、机械应变器3组成。在机壳16内(参见图2)安置步进电机4，光电编码器5和凸轮传动系统6。控制器2采用单片机控制带有光电编码器5位移反馈的步进电机4，步进电机4驱动精密凸轮传动系统6带动球冠形顶板7往返运动，球冠形顶板7顶压弹性底细胞培养皿8使细胞受到机械拉伸应变作用。
如图2和图3所示，弹性底细胞培养皿8由上压圈12、下压圈13、弹性硅橡胶膜14、聚四氟乙烯预紧压圈10、锁紧螺圈11和有机玻璃透明培养皿盖9组成。弹性硅橡胶膜14由上压圈12和下压圈13夹持，旋紧锁紧螺圈11使聚四氟乙烯预紧压圈10将弹性硅橡胶膜14绷紧，防止弹性硅橡胶膜14在细胞培养基重力作用下下沉，有机玻璃透明培养皿盖9可防止培养细胞污染并且便于在显微镜下观察细胞。弹性底细胞培养皿8组装好后除有机玻璃透明培养皿盖9外，可采用高温高压整体消毒灭菌，有机玻璃透明培养皿盖9可采用钴60照射或紫外线照射消毒灭菌。细胞接种于弹性底培养皿8中，待细胞贴壁生长后即可将弹性底培养皿8安装于数控机械应变细胞加载实验机上，对细胞加载机械应变。步进电机4在控制器控制下驱动精密凸轮传动系统6的顶杆15，进而带动球冠形顶板7往返运动，球冠形顶板7顶压弹性硅橡胶膜14使其发生拉伸变形，从而使附着生长于弹性硅橡胶膜14上的细胞受到机械拉伸应变作用，光电编码器5实时监控球冠形顶板7的位移并将位移信号实时传送给控制器2和计算机1。
实验机通过计算机1输入设置运行时间，T1、T2、T3、T44个时间段(T1、T2、T3、T4分别为球冠形顶板7位于低位、上升、高位、下降时间段)和球冠形顶板7运行高度H这几项参数，计算机1通过RS232接口将数据传给控制器2，控制器2接受数据后，按照计算机1设置数据控制步进电机4运行，同时将通过光电编码器5采集回来的角位移数据传回计算机1。计算机1可以实时显示运行时间、球冠形顶板7运行高度和弹性硅橡胶膜14拉伸变形量。当运行时间完成时，球冠形顶板7自动回到最低处，程序提示执行时间已完成。控制器2也可以脱离计算机1后单独使用，通过控制器2面板触摸式按键设置参数，即可控制机械应变器3的动作，并在面板上实时显示运行时间、球冠形顶板7运行高度，当运行时间完成后，球冠形顶板7自动回到最低处，控制器2将同时报警通知使用者。
实验机操作程序由VC++6.0编写，通过计算机1RS232接口与控制器2进行通信联接，程序运行系统环境要求Windows系统，支持OpenGL三维图形硬件的软件接口。实验机程序由一个主程序和两个ActiveX组件对象模块组成，实现实验机参数设置和运行控制，并通过RS232接口传回的实时数据模拟弹性硅橡胶膜14动态拉伸变化情况。
图4为实验机软件界面，由模拟图形显示17、参数设置18和操作控制19几部分组成。模拟图形显示17通过RS232接口采集球冠形顶板7运行高度，由OpenGL组件模块将弹性硅橡胶膜实时拉伸应变情况20模拟成三维图形显示输出，运行时间段与球冠形顶板运行高度模拟曲线图21由设置参数确定曲线初始位置，实时显示时通过RS232接口采集数据确定每个时间周期起始点，模拟各个时间段与曲线的对应关系。

Claims (3)

1.数控机械应变细胞加载实验机，包括计算机(1)、控制器(2)、机械应变器(3)，其特征在于所述的实验机由控制器(2)采用单片机控制带有光电编码器(5)位移反馈的步进电机(4)，步进电机(4)驱动精密凸轮传动系统(6)带动球冠形顶板(7)往返运动，球冠形顶板(7)顶压弹性底细胞培养皿(8)，进而使细胞受到机械拉伸应变作用，实现对细胞加载机械应变；其中，实验机通过计算机(1)输入设置运行时间，分别对应球冠形顶板(7)位于低位、上升、高位、下降时间段的T1、T2、T3、T44个时间段，球冠形顶板(7)运行高度H这几项参数，计算机(1)通过RS232接口将数据传给控制器(2)，控制器(2)接受数据后，按照计算机(1)设置数据控制步进电机(4)运行，同时将通过光电编码器(5)采集回来的角位移数据传回计算机(1)，计算机(1)可以实时显示运行时间、球冠形顶板(7)运行高度和弹性硅橡胶膜(14)拉伸变形量，当运行时间完成时，球冠形顶板(7)自动回到最低处，程序提示执行时间已完成，控制器(2)也可以脱离计算机(1)后单独使用，通过控制器(2)面板触摸式按键设置参数，即可控制机械应变器(3)的动作，并在面板上实时显示运行时间、球冠形顶板(7)运行高度，当运行时间完成后，球冠形顶板(7)自动回到最低处，控制器(2)将同时报警通知使用者。
2.根据权利要求1所述的数控机械应变细胞加载实验机，其特征在于所述的弹性底细胞培养皿(8)由上压圈(12)、下压圈(13)、弹性硅橡胶膜(14)、聚四氟乙烯预紧压圈(10)、锁紧螺圈(11)和有机玻璃透明培养皿盖(9)组成，弹性硅橡胶膜(14)由上压圈(12)和下压圈(13)夹持，通过旋紧锁紧螺圈(11)使聚四氟乙烯预紧压圈(10)将弹性硅橡胶膜(14)绷紧。
3.根据权利要求1所述的数控机械应变细胞加载实验机，其特征在于实验机操作程序由VC++6.0编写，通过计算机(1)RS232接口与控制器(2)进行通信联接，程序运行系统环境要求Windows系统，支持OpenGL三维图形硬件的软件接口，实验机程序由一个主程序和两个ActiveX组件对象模块组成，实现实验机参数设置和运行控制，并通过RS232接口传回的实时数据模拟弹性硅橡胶膜(14)动态拉伸变化情况。
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