CN101649291B - 多单元细胞拉伸与压缩装置 - Google Patents

Abstract

一种多单元细胞拉伸与压缩装置，由控制单元、按键单元、显示单元、驱动单元、动力加载单元、细胞培养单元及向控制单元和驱动单元提供工作电流的电源组成。动力加载单元包括电机、螺杆、螺母、横梁、导向机构、细胞培养膜拉伸原位检测器和细胞培养膜压缩原位检测器，细胞培养单元至少为两个，各细胞培养单元分别与横梁连接。细胞培养单元具有预加载功能，其构件包括盒底、盒体、玻窗、定端压块、定端锁紧螺钉、动端夹座、夹座导条、动端压块、动端锁紧螺钉和预加载螺钉。此种细胞力拉伸与压缩装置能同时对多个细胞培养单元中的细胞在生长过程中施加一维周期性或持续性动态拉伸伸力或压缩力，且拉伸或压缩应变可调，拉伸或压缩频率可调。

Description

多单元细胞拉伸与压缩装置

技术领域

本发明涉及一种对生长过程中的细胞施加一维(单轴)拉伸(牵张)力或压缩力的仪器。

背景技术

机体组织和细胞的生长发育处于复杂的力学微环境中，力学刺激对细胞的生理、病理状态和功能的执行起着重要的调节作用。用细胞力学方法研究各种组织和细胞在不同力学载荷下的反应以探讨组织在正常和异常力学状态下生长、改建的机理成为国际研究的热点之一。

开展细胞力学方法研究，需要细胞力学加载仪。公开号为CN 1425905A的专利申请提供了一种四点弯曲细胞力学加载仪，此种仪器在一定程度上满足了小应变量的加载需要，但随着细胞力学研究的深入，这样的应变量已不能满足大应变量研究的需要。公开号为CN 1932510A的专利申请提供了一种细胞拉伸加载装置，授权公告号为CN100514059C的专利提供了一种正弦拉伸细胞加载装置，这两种细胞加载装置虽然可满足大应变量的需要，但均只能对细胞施加一维周期性拉伸力(牵张力)，而不能对细胞施加一维持续性拉伸力，更不能对细胞施加一维周期性或持续性压缩力，且其一次只能对一个细胞培养单元进行拉伸实验，因此适用范围受到限制，影响研究效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多单元细胞拉伸与压缩装置，以便同时对多个细胞培养单元中的细胞施加一维周期性或持续性动态拉伸力或一维周期性或持续性动态压缩力，从而扩大仪器的应用范围、提高研究效率和减少各处理组间的结果误差。

本发明所述多单元细胞拉伸与压缩装置由控制单元、按键单元、显示单元、驱动单元、动力加载单元、细胞培养单元及向控制单元和驱动单元提供工作电流的电源组成。动力加载单元包括电机、螺杆、螺母、横梁、导向机构、细胞培养膜拉伸原位检测器和细胞培养膜压缩原位检测器，各构件和元器件的组装方式：电机的动力输出轴与螺杆的一端连接，螺母安装在螺杆上与螺杆组成螺旋传动副，横梁与螺母连接且套装在导向机构上，细胞培养膜拉伸原位检测器、细胞培养膜压缩原位检测器分别与控制单元连接，用于向控制单元发出实施细胞培养膜拉伸或压缩的起始位置信息及对细胞培养膜拉伸或压缩后是否已回归起始位置的信息；所述细胞培养膜拉伸原位检测器由拉伸原位检测块和拉伸原位检测触头组成，所述细胞培养膜压缩原位检测器由压缩原位检测块和压缩原位检测触头组成，拉伸原位检测块和压缩原位检测块分别安装在横梁两侧的底板上，拉伸原位检测触头安装在横梁上且安装位置与拉伸原位检测块相对应，压缩原位检测触头安装在横梁上且安装位置与压缩原位检测块相对应。细胞培养单元至少为两个，各细胞培养单元分别与横梁连接。驱动单元的输入端与控制单元连接，其输出端与动力加载单元中的电机连接，根据单片机的控制指令向动力加载单元中的电机输出电脉冲以驱动电机按要求运转，从而带动螺杆、螺母及横梁运动，实现细胞培养单元内的细胞培养膜的一维周期性或持续性拉伸或一维周期性或持续性压缩。按键单元与控制单元连接，用于输入工作模式的设置和确认、工作参数的设置和确认、启动或停止运行的指令，所述工作模式有：周期性拉伸(牵张)、周期性压缩、持续性拉伸(牵张)、持续性压缩，所述工作参数包括：周期性拉伸或压缩的位移、频率、等待时间、运行时间、间隔时间和循环次数，持续性拉伸或压缩的位移、等待时间、运行时间、间隔时间和循环次数。显示单元与控制单元连接，用于接收控制单元的输出信号，并将接收到的信号转换成文字予以显示。控制单元在预设程序控制下根据按键单元输入的信息设置工作模式和工作参数，结合动力加载单元中细胞培养膜拉伸原位检测器或细胞培养膜压缩原位检测器输入的信息控制驱动单元输出的电脉冲类型，实时向显示单元输送显示信号。

为了提高运行的平稳性，动力加载单元中的导向机构设置了两套，两导向机构分别位于螺杆的两侧且与螺杆之间的距离相等，各套导向机构均包括导向杆、支座、直线轴承和消回差弹簧，导向杆的两端固定在支座上，直线轴承和消回差弹簧套装在导向杆上。

为了便于观察拉伸或压缩位移，动力加载单元中还设置有位移指示器，所述位移指示器的触头与横梁接触。

本发明所述多单元细胞拉伸与压缩装置中的细胞培养单元具有预加载功能，其构件包括盒底、盒体、玻窗、定端压块、定端锁紧螺钉、细胞培养膜换向轴、动端夹座、夹座导条、动端压块、动端锁紧螺钉和预加载螺钉；各构件的组装方式：盒体安装在盒底的一端，夹座导条安装在盒底的另一端，玻窗安装在盒底与盒体之间且覆盖盒底所开设的窗口，定端压块位于盒体远离夹座导条的一端，通过定端锁紧螺钉与盒体连接，实现对细胞培养膜一端的固定，细胞培养膜换向轴为两根，两细胞培养膜换向轴相隔一间距安装在盒体靠近夹座导条的一端，动端夹座安装在夹座导条上与夹座导条组成移动副，动端压块位于动端夹座上，通过动端锁紧螺钉与动端夹座连接，实现对细胞培养膜另一端的固定，预加载螺钉穿过动端夹座插入夹座导条，用于动端夹座的定位，实现细胞培养膜的预加载。

本发明所述的多单元细胞拉伸与压缩装置，其控制单元为单片机，驱动单元为程控驱动器，显示单元由多位LED数码管组成。

本发明所述的多单元细胞拉伸与压缩装置，其按键单元由设置键、确认键、增加键、减少键、启停键组成，设置键用于工作模式和工作参数的设置与清零，确认键用于对所设置的工作模式和工作参数的确认及对终止加载的确认，增加键、减少键用于对已设置的工作参数的增加或减少，启停键用于该细胞拉伸与压缩装置的启动或停止。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明所述多单元细胞拉伸与压缩装置能在细胞生长过程中对细胞施加一维(单轴)的周期性或持续性动态拉伸(牵张)力或压缩力，拉伸或压缩应变可调，拉伸或压缩频率可调，能够模拟在节律性心血管搏动、肺扩张过程中心血管、肺相关细胞所受的周期性动态拉伸力，在运动过程(跑步、咀嚼等)中骨相关细胞受到的周期性动态压缩力、在长骨颌面骨牵张成骨过程中骨相关细胞受到的持续性拉伸力以及在正畸牙移动过程中牙周组织相关细胞受到的持续性拉伸力和压缩力等细胞受力状态，特别适用于长骨颌面骨牵张成骨研究、正畸矫治力学研究、牙周组织在正常生理和病理状态下受合力刺激后的反应研究、口腔种植材料与组织结合强度研究以及肌腱再生、心肌收缩、血管节律性扩张、肺扩张等研究。

2、本发明所述多单元细胞拉伸与压缩装置可同时对多个细胞培养单元(多通道)进行周期性或持续性动态拉伸或压缩，因而可大大提高研究效率且使各处理组细胞受力条件一致，减少误差。

3、本发明所述多单元细胞拉伸与压缩装置中的各细胞培养单元彼此独立，便于与动力加载单元分离，通过操作预加载螺钉，一个细胞培养单元单独使用也可对细胞进行预加载培养和后续结果检测，给使用者带来了很大的方便。

4、本发明所述多单元细胞拉伸与压缩装置结构简单，便于加工制作，使用时操作方便，运行平稳。

附图说明

图1是本发明所述多单元细胞拉伸与压缩装置的结构框图；

图2是动力加载单元的结构示意图及动力加载单元与各细胞培养单元的连接关系图；

图3是动力加载单元中的电机与驱动单元的连接关系图及动力加载单元中的细胞培养膜拉伸原位检测器、细胞培养膜压缩原位检测器与控制单元的连接关系图；

图4是动力加载单元中螺母与横梁的安装方式图；

图5是细胞培养单元的结构示意图；

图6是图5的A-A剖视图；

图7是图5的B-B剖视图；

图8是本发明所述多单元细胞拉伸与压缩装置的面板图。

图中，1-控制单元、2-显示单元、3-按键单元、4-驱动单元、5-动力加载单元、6-细胞培养单元、7-电源、8-底板、9-电机、10-螺杆、11-螺母、12-横梁、13-支座、14-导向杆、15-直线轴承、16-消回差弹簧、17-拉伸原位检测块、18-拉伸原位检测触头、19-压缩原位检测块、20-拉压缩原位检测触头、21-滑槽、22-位移指示器、23-牵引销、24-螺杆过孔、25-盒底、26-盒体、27-定端压块、28-定端锁紧螺钉、29-细胞培养膜、30-换向轴支架、31-细胞培养膜换向轴、32-玻窗、33-夹座导条、34-动端夹座、35-预加载螺钉、36-动端压块、37-动端锁紧螺钉、38-密封圈、39-面板、40-电源开关、41-设置键、42-确认键、43-增加键、44-减少键、45-启停键、46-工作模式显示、47-位移显示、48-频率显示、49-定时显示。

具体实施方式

下面结合附图通过实施例对本发明所述多单元细胞拉伸与压缩装置的结构和使用作进一步说明。

本实施例中，多单元细胞拉伸与压缩装置的结构如图1所示，由控制单元1、按键单元3、显示单元2、驱动单元4、动力加载单元5、细胞培养单元6及向控制单元和驱动单元提供工作电流的电源7组成；按键单元3、显示单元2、驱动单元4分别与控制单元1连接，电源7与控制单元1和驱动单元4连接，为它们提供工作电流。

控制单元1为单片机，所述单片机的型号为0842AOM(Microchip生产)；驱动单元4为程控驱动器，所述程控驱动器的型号为Kinco 2M860(Kinco Electric Ltd.生产)；电源7选用MEAN WELL S-201-24和S-15-5(MEAN WELL生产)。

按键单元3安装在面板39上，如图8所示，由设置键41、确认键42、增加键43、减少键44、启停键45组成，设置键41用于工作模式和工作参数的设置与清零，确认键42用于对所设置的工作模式和工作参数的确认及对终止加载的确认，增加键43、减少键44用于对已设置的工作参数的增加或减少，启停键45用于本细胞拉伸与压缩装置的启动或停止。

显示单元2安装在面板39上，如图8所示，由多位LED数码管组成，包括工作模式显示46、位移显示47、频率显示48、定时显示49，分别用于显示多单元细胞拉伸与压缩装置的工作模式(周期性拉伸或周期性压缩或持续性拉伸或持续性压缩)、拉伸或压缩位移、工作频率、工作时间等。

动力加载单元5的结构如图2所示，包括底板8、电机9、螺杆10、螺母11、横梁12、导向机构、细胞培养膜拉伸原位检测器、细胞培养膜压缩原位检测器和位移指示器22；导向机构为两套，各套导向机构均包括导向杆14、支座13、直线轴承15和消回差弹簧16，支座13安装在底板8上，导向杆14的两端固定在支座13上，直线轴承15和消回差弹簧16套装在导向杆14上；所述细胞培养膜拉伸原位检测器由拉伸原位检测块17和拉伸原位检测触头18组成，所述细胞培养膜压缩原位检测器由压缩原位检测块19和压缩原位检测触头20组成；各构件和元器件的组装方式：电机9为步进电机，通过导线与驱动单元4连接，如图3所示，驱动单元根据单片机的控制指令向电机输出电脉冲，驱动电机按要求运转，电机9安装在底板8上，其动力输出轴通过连轴器与螺杆的一端连接；螺母安装在螺杆上与螺杆组成螺旋传动副，横梁与螺母螺纹连接，横梁上设置有螺杆过孔24，如图4所示，在运行中，螺杆的自由端可进入螺杆过孔24或穿出螺杆过孔24；两导向机构的支座13分别安装在螺杆的两侧且与螺杆之间的距离相等，横梁套装在两导向机构的直线轴承上；细胞培养膜拉伸原位检测器、细胞培养膜压缩原位检测器分别通过导线与控制单元1连接，如图3所示，细胞培养膜拉伸原位检测器中的拉伸原位检测块17为设置有触头的滑块，安装在横梁一侧底板上所设置的滑槽21中，细胞培养膜拉伸原位检测器中的拉伸原位检测触头18安装在横梁12上且安装位置与拉伸原位检测块17相对应，细胞培养膜压缩原位检测器中的压缩原位检测块19为设置有触头的滑块，安装在横梁另一侧底板上所设置的滑槽21中，细胞培养膜压缩原位检测器中的压缩原位检测触头20安装在横梁12上且安装位置与压缩原位检测块19相对应；位移指示器22(成都成量量具集团有限公司生产)安装在底板8上，其触头与横梁12接触，可显示拉伸(牵张)或压缩位移。

细胞培养单元6为六个，分别与动力加载单元5中的横梁连接，如图2所示。各细胞培养单元的结构相同，如图5、图6所示，包括盒底25、盒体26、玻窗32、定端压块27、定端锁紧螺钉28、细胞培养膜换向轴31、动端夹座34、夹座导条33、动端压块36、动端锁紧螺钉37和预加载螺钉35；各构件的组装方式：盒体26安装在盒底25的一端，通过螺钉与盒底25固连，夹座导条33安装在盒底25的另一端，通过螺钉与盒底25固连；玻窗32安装在盒底与盒体之间且覆盖盒底所开设的窗口，玻窗32周边设置有密封圈38，以防止细胞培养液泄漏；定端压块27位于盒体远离夹座导条的一端，通过定端锁紧螺钉28与盒体连接，实现对细胞培养膜一端的固定；细胞培养膜换向轴31为两根，两细胞培养膜换向轴相隔一间距通过支架30安装在盒体靠近夹座导条的一端；动端夹座34与夹座导条33为燕尾形直线移动副，如图7所示，动端夹座34远离盒体26的一端端部设置有销孔，在牵引销23的配合下通过该销孔与横梁连接；动端压块36位于动端夹座上，通过动端锁紧螺钉37与动端夹座连接，实现对细胞培养膜另一端的固定，当电机带动横梁运动时，横梁则带动动端夹座运动，使细胞培养膜被拉伸或压缩；预加载螺钉35穿过动端夹座插入夹座导条，用于动端夹座的定位，实现细胞培养膜的预加载。使用时，细胞培养膜29的一端由定端压块27和定端锁紧螺钉28固定，细胞培养膜29的另一端绕过两换向轴31由动端压块36和动端锁紧螺钉37固定；当单独使用一个细胞培养单元对细胞进行预加载时，操作者将细胞培养单元从横梁上取出，然后将动端夹座沿夹座导条移动至所需要的预加载位置，再将预加载螺钉35穿过动端夹座插入夹座导条即可。

本发明所述多单元细胞拉伸与压缩装置的操作步骤：

1、将各细胞培养单元6与动力加载单元中的横梁12连接；

2、操作按键单元3启动仪器并设置工作模式和工作参数；

3、根据设置的工作模式和工作参数，将拉伸原位检测块17或压缩原位检测块19固定在滑槽的一定位置；

4、当设置工作模式为周期性牵张和持续性牵张时，将拉伸原位检测触头18与拉伸原位检测块17接触，启动控制单元工作；当设置工作模式为周期性压缩和持续性压缩时，将压缩原位检测触头20与压缩原位检测块19接触，启动控制单元工作。

5、加载运行中可随时操作按键单元3中的启停键45暂停加载运行，如果需要继续加载可再次操作按键单元3中的启停键45恢复加载，也可操作按键单元3中的确认键42终止加载。

6、所设置的加载完成后，预设程序使加载仪处于待机状态。

Claims (6)

1.一种多单元细胞拉伸与压缩装置，由控制单元(1)、按键单元(3)、显示单元(2)、驱动单元(4)、动力加载单元(5)、细胞培养单元(6)及向控制单元和驱动单元提供工作电流的电源(7)组成，其特征在于：

动力加载单元(5)包括电机(9)、螺杆(10)、螺母(11)、横梁(12)、导向机构、细胞培养膜拉伸原位检测器和细胞培养膜压缩原位检测器；电机的动力输出轴与螺杆的一端连接，螺母安装在螺杆上与螺杆组成螺旋传动副，横梁与螺母连接且套装在导向机构上；细胞培养膜拉伸原位检测器、细胞培养膜压缩原位检测器分别与控制单元(1)连接，用于向控制单元发出实施细胞培养膜拉伸或压缩的起始位置信息及对细胞培养膜拉伸或压缩后是否已回归起始位置的信息；所述细胞培养膜拉伸原位检测器由拉伸原位检测块(17)和拉伸原位检测触头(18)组成，所述细胞培养膜压缩原位检测器由压缩原位检测块(19)和压缩原位检测触头(20)组成，拉伸原位检测块(17)和压缩原位检测块(19)分别安装在横梁两侧的底板(8)上，拉伸原位检测触头(18)安装在横梁(12)上且安装位置与拉伸原位检测块(17)相对应，压缩原位检测触头(20)安装在横梁(12)上且安装位置与压缩原位检测块(19)相对应；

细胞培养单元(6)至少为两个，各细胞培养单元分别与横梁(12)连接，所述细胞培养单元(6)包括盒底(25)、盒体(26)、玻窗(32)、定端压块(27)、定端锁紧螺钉(28)、细胞培养膜换向轴(31)、动端夹座(34)、夹座导条(33)、动端压块(36)、动端锁紧螺钉(37)和预加载螺钉(35)；盒体(26)安装在盒底(25)的一端，夹座导条(33)安装在盒底(25)的另一端，玻窗(32)安装在盒底与盒体之间且覆盖盒底所开设的窗口，定端压块(27)位于盒体远离夹座导条的一端，通过定端锁紧螺钉(28)与盒体连接，实现对细胞培养膜一端的固定，细胞培养膜换向轴(31)为两根，两细胞培养膜换向轴相隔一间距安装在盒体靠近夹座导条的一端，动端夹座(34)安装在夹座导条(33)上与夹座导条组成移动副，动端压块(36)位于动端夹座上，通过动端锁紧螺钉(37)与动端夹座连接，实现对细胞培养膜另一端的固定，预加载螺钉(35)穿过动端夹座插入夹座导条，用于动端夹座的定位，实现细胞培养膜的预加载；

驱动单元(4)的输入端与控制单元(1)连接，其输出端与动力加载单元中的电机(9)连接，根据单片机的控制指令向动力加载单元中的电机输出电脉冲以驱动电机按要求运转，实现细胞培养单元内的细胞培养膜的一维周期性或持续性拉伸或一维周期性或持续性压缩；

按键单元(3)与控制单元(1)连接，用于输入工作模式的设置和确认、工作参数的设置和确认、启动或停止运行的指令；

显示单元(2)与控制单元(1)连接，用于接收控制单元的输出信号，并将接收到的信号转换成文字予以显示；

控制单元(1)在预设程序控制下根据按键单元(3)输入的信息设置工作模式和工作参数，结合动力加载单元中细胞培养膜拉伸原位检测器或细胞培养膜压缩原位检测器输入的信息控制驱动单元输出的电脉冲类型，实时向显示单元(2)输送显示信号。

2.根据权利要求1所述的多单元细胞拉伸与压缩装置，其特征在于动力加载单元中的导向机构为两套，两导向机构分别位于螺杆的两侧且与螺杆之间的距离相等，各套导向机构均包括导向杆(14)、支座(13)、直线轴承(15)和消回差弹簧(16)，导向杆(14)的两端固定在支座(13)上，直线轴承(15)和消回差弹簧(16)套装在导向杆(14)上。

3.根据权利要求1或2所述的多单元细胞拉伸与压缩装置，其特征在于控制单元为单片机，驱动单元为程控驱动器，显示单元由多位LED数码管组成。

4.根据权利要求1或2所述的多单元细胞拉伸与压缩装置，其特征在于按键单元由设置键(41)、确认键(42)、增加键(43)、减少键(44)、启停键(45)组成，设置键(41)用于工作模式和工作参数的设置与清零，确认键(42)用于对所设置的工作模式和工作参数的确认及对终止加载的确认，增加键(43)、减少键(44)用于对已设置的工作参数的增加或减少，启停键(45)用于该细胞拉伸与压缩装置的启动或停止。

5.根据权利要求3所述的多单元细胞拉伸与压缩装置，其特征在于按键单元由设置键(41)、确认键(42)、增加键(43)、减少键(44)、启停键(45)组成，设置键(41)用于工作模式和工作参数的设置与清零，确认键(42)用于对所设置的工作模式和工作参数的确认及对终止加载的确认，增加键(43)、减少键(44)用于对已设置的工作参数的增加或减少，启停键(45)用于该细胞拉伸与压缩装置的启动或停止。

6.根据权利要求1所述的多单元细胞拉伸与压缩装置，其特征在于动力加载单元中还设置有位移指示器(22)，所述位移指示器(22)的触头与横梁(12)接触。

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