CN103087908B - 细胞剪切强度测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种细胞剪切强度测量方法与装置。目前的细胞剪切强度测量方法比较少，且存在费用高昂、测量困难以及技术局限等问题。本发明可以对流入装置的细胞悬液通过负压吸引的方式将其排列成单列并固定在测量的位置，通过改变悬臂梁产生的位移，对单列的细胞悬液末端的细胞剪切应力进行测量，其中对剪切应力的大小可以进行相应的调节，在最佳的参数条件下进行细胞剪切应力的测量，得出最优的结果。本发明采用工程学的方法确定检测细胞剪切强度的方法并设计对应的仪器装置，简单有效，易于操作，是一种成本较少的单细胞检测的方法，降低了细胞生物力学研究的门槛，方便了细胞剪切应力的测量。

Description

细胞剪切强度测量方法与装置

技术领域

本发明属于生物医学工程领域，涉及一种测量细胞剪切强度的方法和装置。

背景技术

随着细胞生物力学、结构生物学的迅速发展，细胞微观功能与特性的定量化研究日益增强，细胞剪切应力的测量方法也在不断地发展和丰富，但总体来说，目前的测量方法比较少，且存在费用高昂、测量困难以及技术局限等问题。微管吸吮技术早期被应用于力学细胞生物学研究，但局限于通量低、每次只能实现单对细胞检测，且由于受单对测试周期较长，体外难以长时间维持细胞功能状态的限制，难于获得大样本的统计数据；原子力显微技术是在扫描隧道显微技术基础上发展而来的，具备更广阔的应用空间，但难以测得分子间低结合强度（<101pN）的相互作用，而且蛋白质纯化和功能化表征的过程相对繁琐；光镊操控技术是以一种非机械接触方式完成操控功能，但它不适用于作用强度大的分子体系，且对温度敏感，易受载体布朗运动的影响；平行流室技术是一种最新的接近生理情况的实验技术，在剪切流动下分子间二维反应动力学理论和模型尚不完善，难以全面地量化分子间结合与解离动力学的信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单而可行的细胞剪切强度检测方法与装置，本装置可以对流入该装置的细胞悬液通过负压吸引的方式将其排列成单列并固定在测量的位置，通过改变悬臂梁产生的位移，对单列的细胞悬液末端的细胞剪切应力进行测量，其中对剪切应力的大小可以进行相应的调节，在最佳的参数条件下进行细胞剪切应力的测量，得出最优的结果。本装置处于完全封闭的环境下，可保持细胞良好的培养环境，避免外界温度、湿度、酸碱度和细菌因素对测量数据的影响。

本发明中的装置，包括螺旋微位移传动元件、微位移推板、固定支架、细胞剪切强度测量单元、负压连接管、负压调节开关、负压容器、传动导杆和微位移导轨。

在固定支架内设置有微位移导轨，微位移推板与微位移导轨滑动配合，固定支架的一端还设置有螺旋微位移传动元件，通过调节螺旋微位移传动元件，微位移推板产生位移。

固定支架的另一端固定设置有细胞剪切强度测量单元，所述的细胞剪切强度测量单元包括细胞剪切强度测量单元底板，夹持细胞移动板、传动导杆固定架和悬臂梁微丝。

在细胞剪切强度测量单元底板上开有细胞悬液流道，细胞悬液流道的出口一侧设置有悬臂梁微丝和夹持细胞移动板，所述的悬臂梁微丝与细胞悬液流道平行，其一端固定在传动导杆固定架上；传动导杆固定架通过传动导杆与微位移推板连接。

在细胞剪切强度测量单元底板上还开有细胞悬液出液口，细胞悬液出液口与负压连接管的一端连接，负压连接管的另一端连接负压容器，在负压容器上还设有负压调节开关。

细胞剪切强度测量方法，具体如下：

首先保证夹持细胞移动板、传动导杆固定架、悬臂梁微丝与细胞悬液流道的位置处于夹持细胞移动板挡住了细胞悬液流道出口的位置；在细胞悬液入口盖处将细胞悬液注入细胞剪切强度测量单元，细胞悬液就会流入细胞悬液流道，并在流道中形成单个细胞排列的一列细胞流；打开负压调节开关，进行负压调节，细胞悬液流道中的细胞悬液就会向细胞悬液出液口处流动，由于夹持细胞移动板的存在，细胞被挡在了细胞悬液流道与夹持细胞移动板的交界处，此时调节螺旋微位移传动元件，微位移推板就在微位移导轨上运动，并随之带动传动导轨的运动，由于传动导轨与传动导杆固定架相连接，所以传动导轨会带动传动导杆固定架的运动，继而带动夹持细胞移动板和悬臂梁微丝运动，当悬臂梁微丝运动碰到了细胞悬液流道处的悬液细胞列末端的细胞阻挡时，悬臂梁微丝就会发生扭曲而产生位移，随着螺旋微位移传动元件的调节，细胞所受剪切应力不断增大，最后会达到承受极限，此时细胞被剪断,对应剪断细胞的最大位移由螺旋传动元件测出,根据悬臂梁公式进行相应的细胞剪切应力的计算；完成测量后，此细胞就会通过细胞悬液出液口流经负压连接管、负压调节开关流入负压容器中。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：根据理论力学的悬臂梁公式，通过换算寻找剪切应力与位移的变换关系，采用工程学的方法确定检测细胞剪切强度的方法并设计对应的仪器装置，简单有效，易于操作，是一种成本较少的单细胞检测的方法，无疑降低了细胞生物力学研究的门槛，大大方便了细胞剪切应力的测量。

附图说明

图1是本发明的整体结构图；

图2是图1中细胞剪切强度测量单元结构示意图；

图3是图2中细胞剪切强度测量单元的局部放大图；

图4为悬臂梁计算示意图。

具体实施方式

    以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例主要包括负压吸引机构、细胞悬液流动机构、细胞剪切应力检测机构、位移推进机构等四部分组成。

负压吸引机构包括：细胞悬液出液口16；负压连接管6；负压调节开关7；负压容器8。在负压调节开关7打开的情况下，细胞悬液由细胞悬液出液口16流入，经负压连接管6、负压调节开关7流入负压容器8。

细胞悬液流动机构包括：细胞悬液入口盖4；细胞剪切强度测量单元5；细胞悬液流道11。其中细胞悬液由细胞悬液入口盖4处流入细胞剪切强度测量单元5，进入细胞悬液流道11。

如图2和图3所示，细胞剪切应力检测机构包括：夹持细胞移动板12；传动导杆固定架13；悬臂梁微丝14；细胞剪切强度测量单元底板15。细胞剪切强度测量单元底板15为测量单元的基板，起到固定各个装置的作用，夹持细胞移动板12、传动导杆固定架13和悬臂梁微丝14固定在一起，会在位移推进装置的作用下移动，在遇到细胞阻挡的时候，传动导杆固定架和悬臂梁微丝分离，测出相应位移。

位移推进机构包括：螺旋微位移传动元件1；微位移推板2；固定支架3；传动导杆9；微位移导轨10。固定支架3主要用来固定其他各个部件并和其他部分连接，微位移推板2安置在微位移导轨10上，通过调节螺旋微位移传动元件1，微位移推板2就会产生位移，随之推动传动导杆9产生位移，推动细胞剪切应力检测机构运动，进行相应检测。

细胞剪切强度测量的方法具体包括以下步骤：

首先保证夹持细胞移动板12；传动导杆固定架13；悬臂梁微丝14与细胞悬液流道11的位置处于夹持细胞移动板挡住了细胞悬液流道出口的位置；在细胞悬液入口盖4处将细胞悬液注入细胞剪切强度测量装置5，细胞悬液就会流入细胞悬液流道11，并在流道中形成单个细胞排列的一列细胞流；打开负压调节开关7，进行负压调节，细胞悬液流道11中的细胞悬液就会向细胞悬液出液口处流动，但由于夹持细胞移动板12的存在，细胞被挡在了细胞悬液流道11与夹持细胞移动板12的交界处，此时调节螺旋微位移传动元件1，微位移推板2就会在微位移导轨10上运动，并随之带动传动导轨9的运动，而由于传动导轨9与传动导杆固定架13相连接，所以传动导轨9会带动传动导杆固定架13的运动，继而带动夹持细胞移动板12和悬臂梁微丝14运动，当悬臂梁微丝14运动碰到了细胞悬液流道11处的悬液细胞列的末端的细胞的阻挡时，悬臂梁微丝14就会发生扭曲而产生位移，随着螺旋微位移传动元件1的调节，细胞所受剪切应力不断增大，最后会达到承受极限，此时细胞被剪断,对应剪断细胞的最大位移由螺旋传动元件测出,根据悬臂梁公式进行相应的细胞剪切应力的计算。完成测量后，此细胞就会通过细胞悬液出液口16流经负压连接管6、负压调节开关7流入负压容器8中。此时可以进行下一个细胞的剪切应力的测量。在测试过一系列细胞的剪切应力后，我们就可以对测量结果进行相应的数据处理和计算。

如图4所示，剪切应力测量原理和方法：

根据悬臂梁的经典公式：

        （1）

通过变换得应力与端截面转角的表达式为：

          （2）

          （3）

式中：

表示梁的长度；表示B端的纵向位移；表示B端得受力大小；表示悬臂梁的弹性模量；

表示悬臂梁的惯性矩；

表示B端截面转角。当梁的材料和截面形状一定时，B端受力就与B端的桡度形成了对应的关系；这样，通过测量B端的桡度，就能够知道B端的受力大小，通过改变梁的长度控制受力的量程。

Claims (1)

1.细胞剪切强度测量方法，该方法使用的测量装置，包括螺旋微位移传动元件、微位移推板、固定支架、细胞剪切强度测量单元、负压连接管、负压调节开关、负压容器、传动导杆和微位移导轨；

在固定支架内设置有微位移导轨，微位移推板与微位移导轨滑动配合，固定支架的一端还设置有螺旋微位移传动元件，通过调节螺旋微位移传动元件，微位移推板产生位移；

固定支架的另一端固定设置有细胞剪切强度测量单元，所述的细胞剪切强度测量单元包括细胞剪切强度测量单元底板，夹持细胞移动板、传动导杆固定架和悬臂梁微丝；

在细胞剪切强度测量单元底板上开有细胞悬液流道，细胞悬液流道的出口一侧设置有悬臂梁微丝和夹持细胞移动板，所述的悬臂梁微丝与细胞悬液流道平行，其一端固定在传动导杆固定架上；传动导杆固定架通过传动导杆与微位移推板连接；

在细胞剪切强度测量单元底板上还开有细胞悬液出液口，细胞悬液出液口与负压连接管的一端连接，负压连接管的另一端连接负压容器，在负压容器上还设有负压调节开关；

其特征在于该方法如下：

首先保证夹持细胞移动板、传动导杆固定架、悬臂梁微丝与细胞悬液流道的位置处于夹持细胞移动板挡住了细胞悬液流道出口的位置；在细胞悬液入口盖处将细胞悬液注入细胞剪切强度测量单元，细胞悬液就会流入细胞悬液流道，并在流道中形成单个细胞排列的一列细胞流；打开负压调节开关，进行负压调节，细胞悬液流道中的细胞悬液就会向细胞悬液出液口处流动，由于夹持细胞移动板的存在，细胞被挡在了细胞悬液流道与夹持细胞移动板的交界处，此时调节螺旋微位移传动元件，微位移推板就在微位移导轨上运动，并随之带动传动导轨的运动，由于传动导轨与传动导杆固定架相连接，所以传动导轨会带动传动导杆固定架的运动，继而带动夹持细胞移动板和悬臂梁微丝运动，当悬臂梁微丝运动碰到了细胞悬液流道处的悬液细胞列末端的细胞阻挡时，悬臂梁微丝就会发生扭曲而产生位移，随着螺旋微位移传动元件的调节，细胞所受剪切应力不断增大，最后会达到承受极限，此时细胞被剪断,对应剪断细胞的最大位移由螺旋传动元件测出,根据悬臂梁公式进行相应的细胞剪切应力的计算；完成测量后，此细胞就会通过细胞悬液出液口流经负压连接管、负压调节开关流入负压容器中；

所述的细胞剪切应力的计算过程为：

其中

表示梁的长度；

表示悬臂梁微丝产生的纵向位移；

表示细胞剪切应力；表示悬臂梁微丝的弹性模量；

表示悬臂梁微丝的惯性矩。

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