CN104774758B - 一种成骨细胞单细胞激励与检测的mems系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种成骨细胞单细胞激励与检测的MEMS系统，包括：防振台、位于防振台上方的固定装置、位于固定装置上方的CCD和显微镜、位于固定装置内的微动台、位于微动台下方的辅助光源、位于微动台上方的培养皿、操作手调整台以及位于操作手调整台上方的操作手，所述操作手包括两个夹持方向相对的用于夹持成骨细胞的检测端和一个位于两个检测端之间用于振动激励成骨细胞的激励端。本发明的成骨细胞单细胞激励与检测的MEMS系统通过设计新型的MEMS一体化工具，其结构简单，能够进行成骨细胞的全局多点多维动态检测。
Description
技术领域
本发明涉及成骨细胞激励与检测技术领域，特别是涉及一种成骨细胞单细胞激励与检测的MEMS系统。
背景技术
骨骼系统是人体最大的组织系统之一，具有支撑和保护身体、维持运动、造血、存储钙质等多种功能。骨科疾患是影响人群健康和生活质量最常见的疾病之一，以骨质疏松症为例，目前我国已是世界上骨质疏松症患者最多的国家，约有患者9000万，约占总人口的7%。在我国45岁以上的人口中每4名男性就有1名患有骨质疏松症，女性发病率更高，在30%以上。预计2020年中国骨质疏松症患者将达到2.86亿，2050年上升至5.33亿。成骨细胞是骨发生和骨形成的生物学基础，在骨不断的更新活动中是最重要的功能细胞，成骨细胞数量和功能的下降而骨吸收加快是骨质疏松的主要病理基础。对细胞力学特性的研究，不仅可以为一些疾病的发病机理提供理论基础，而且还可以为其诊断、治疗和康复提供方法。因此，研究成骨细胞特性、活性变化及其影响因素对于探索骨质疏松症的发病机制具有重要的医学意义，为骨质疏松症的诊断、治疗和康复提供方法和理论依据。
研究已经证明机械应力对成骨细胞生命活动有很大的影响。应力对骨修复的研究可追溯到一百多年前的Wolff定律。骨组织是一个受应力支配的优化结构，增加应力可直接刺激骨的生长，反之将造成骨的丢失。美国工程院院士Edmund YS Chao在《一种非创伤形式的组织工程——生物物理刺激在骨修复、重构、保持中的作用》的报告中指出物理刺激可以帮助骨的修复、重构和保持，是一种有广泛前景的高效的非创伤性组织工程方法。由NASA资助的科学家们和国际太空医学研究协会揭露一个迹象，几乎察觉不到的微幅高频振动可能刺激骨生产，并建议宇航员每天站在一个微振台上进行10-20分钟的锻炼防止骨量丢失。正常骨组织生长都离不开机械应力刺激，而生理活动中周期性机械力刺激是骨组织再生的基础，其中成骨细胞是对周期性应力敏感的细胞。作为生物力学领域中的重要部分，成骨细胞对外部力的响应机制仍需进一步探索。
现有技术中主要通过对骨头整体或者大批量的成骨细胞进行整体振动来分析成骨细胞的成骨效应，比较笼统定性，不能定量分析，无法从细胞层面给出精确的依据。目前使用的细胞测量方法也主要是通过细胞表面单点的静态测试结果计算和表征细胞的力学特性，或者基于统计分析的方法对成骨细胞力学特性进行表征。然而细胞是复杂的非均匀体结构，不同结构部分的力学特性也会有差别，因此，多维、多点、全局的力学检测对于准确的细胞机械力学响应特性数据测量有绝对的必要性。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种成骨细胞单细胞激励与检测的MEMS系统。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种成骨细胞单细胞激励与检测的MEMS系统。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
一种成骨细胞单细胞激励与检测的MEMS系统，所述MEMS系统包括：
防振台、位于防振台上方的固定装置、位于固定装置上方的CCD和显微镜、位于固定装置内的微动台、位于微动台下方的辅助光源、位于微动台上方的培养皿、操作手调整台以及位于操作手调整台上方的操作手，所述操作手包括两个夹持方向相对的用于夹持成骨细胞的检测端和一个位于两个检测端之间用于振动激励成骨细胞的激励端。
作为本发明的进一步改进，所述固定装置上固定设置有与防振台平行的支撑板，所述微动台和操作手调整台位于所述支撑板上。
作为本发明的进一步改进，所述微动台和支撑板之间设置有转台，所述微动台包括位于转台上方沿水平方向运动的第一微动台和位于第一微动台上方沿竖直方向运动的第二微动台。
作为本发明的进一步改进，所述操作手调整台为三位操作手调整台，操作手调整台控制操作手在三维方向进行运动。
本发明的有益效果是：
本发明的成骨细胞单细胞激励与检测的MEMS系统通过设计新型的MEMS一体化工具，其结构简单，能够进行成骨细胞的全局多点多维动态检测，建立激励和测试装置实现细胞的动态测试，分析振动频率、振幅及成骨细胞随动特性、阻尼特性等参数与生物学效应（包括黏附、增殖、形貌、分化等）的量化指标的关系和影响规律。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一具体实施方式中成骨细胞单细胞激励与检测的MEMS系统的结构示意图；
图2a为成骨细胞结构及预估测试点的示意图，图2b为多点全局区域测试点的示意图；
图3为本发明中成骨细胞单细胞激励与检测的原理图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种成骨细胞单细胞激励与检测的MEMS系统，该MEMS系统包括：
防振台、位于防振台上方的固定装置、位于固定装置上方的CCD和显微镜、位于固定装置内的微动台、位于微动台下方的辅助光源、位于微动台上方的培养皿、操作手调整台以及位于操作手调整台上方的操作手，所述操作手包括两个夹持方向相对的用于夹持成骨细胞的检测端和一个位于两个检测端之间用于振动激励成骨细胞的激励端。
参图1所示为本发明一具体实施方式中成骨细胞单细胞激励与检测的MEMS系统的结构示意图，其包括：
防振台1；
位于防振台1上方的固定装置2；
位于固定装置2上方的CCD 3和显微镜4；
位于固定装置2上的与防振台平行的支撑板5，该支撑板用于固定微动台和操作手调整台；
位于支撑板5上的转台6，微动台包括位于转台6上方沿水平方向（x、y方向）运动的第一微动台7和位于第一微动台7上方沿竖直方向（z方向）运动的第二微动台8；
位于微动台下方且固定于防振台1上的辅助光源9；
位于微动台中第二微动台上方的培养皿10，培养皿10中用于存放待激励与检测的成骨细胞；
操作手调整台11，操作手调整台固定安装在支撑板5上，且位于固定装置2的外侧。本实施方式中操作手调整台11为三位操作手调整台，操作手调整台控制操作手在三维方向进行运动；
位于操作手调整台11上方的操作手12，结合图3所示，操作手包括两个夹持方向相对的用于夹持成骨细胞的检测端和一个位于两个检测端之间用于振动激励成骨细胞的激励端。
由于成骨细胞的机械特性与环境条件、细胞生长周期相关，因此针对特定批次的细胞，首先结合上述成骨细胞各部分简化结构的典型力学特征计算方法，以及生物特征参数，理论计算细胞的表面硬度与杨氏模量，进行成骨细胞局部和全局机械特性的仿真，建立成骨细胞动态响应模型，分析振动激励在成骨细胞体内的传递和衰减方式，研究机械力场变化对成骨细胞动态特性的影响规律，评估细胞在受力过程中的形变特征。后续将通过设计的微细测试工具进行成骨细胞表面多点挤压测试，对成骨细胞的特征参数进行修正，完善动态响应模型。
成骨细胞的动态特性检测，是一个持续性的检测过程。在上述理论分析和模型基础上，本发明中针对成骨细胞的力学响应动态性、连续性等特点，设计接触随动式检测方法，对动态响应的连续过程进行反馈。同时，由于成骨细胞为非规则生物体，需要通过多点检测实现全局动态特性描述，如图2所示为成骨细胞动态响应测试点的原理图，其中，图2a为成骨细胞结构及预估测试点的示意图，图2b为多点全局区域测试点的示意图。
因此，为了实现激励与检测方法的灵活性，采用一体化的设计方式，在检测工具上集成振动激励部分，实现成骨细胞的原位激励与检测。同时为了与细胞更好的接触，设计了夹持式的检测工具，可以通过夹持动作调整工具末端与细胞的接触程度，并设计了检测工具末端结构的二维传感方式，实现成骨细胞全局多点多维的动态检测。如图3所示，检测端夹持成骨细胞，与被检测部分充分接触。通过激励端进行振动激励后，检测端上的二维传感器可以实现如图所示x向和z向的动态响应检测。通过旋转细胞，可以实现y向和z向的动态响应检测。
在基于MEMS一体化测试和操作工具研究的基础上，完善该MEMS系统的控制模块与视觉定位模块，并设计可实现细胞培养皿四个自由度运动的定位模块，实现被测试成骨细胞在显微镜下的精确定位，并可以进行成骨细胞的选择，实现多点检测。针对成骨细胞全局动态检测要求，对模块化操作、检测实验系统进行优化，操作工具在调整台驱动下可以实现三维运动。
本发明中，选取成骨细胞进行样品检测，测试不同刺激频率、不同振幅下成骨细胞力学响应的变化规律，在各组实验数据计算分析的基础上，建立阶段状态检测数据库；通过细胞培养实验和荧光显微术研究成骨细胞生物学反应（包括黏附、增殖、形貌、分化等），同时利用免疫组化标定手段检测重要细胞蛋白和分子（actin、vinculin等）的变化，将实验结果与之前的工具检测结果进行对比分析，分析振动频率、振幅及细胞阻尼特性对细胞成骨效应的影响规律，提出细胞生长状态力学表征方法，建立适合成骨的细胞振动力环境参照系统，用于指导研究人员进行成骨细胞的成骨效应生物学分析。
本实施方式中以成骨细胞为例说明了激励与检测的原理，在其他实施方式中也可以应用于其它类似细胞，在此不再一一赘述。
由上述技术方案可以看出，本发明的成骨细胞单细胞激励与检测的MEMS系统通过设计新型的MEMS一体化工具，其结构简单，能够进行成骨细胞的全局多点多维动态检测，建立激励和测试装置实现细胞的动态测试，分析振动频率、振幅及成骨细胞随动特性、阻尼特性等参数与生物学效应（包括黏附、增殖、形貌、分化等）的量化指标的关系和影响规律。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (3)
1.一种成骨细胞单细胞激励与检测的MEMS系统，其特征在于，所述MEMS系统包括：
防振台、位于防振台上方的固定装置、位于固定装置上方的CCD和显微镜、位于固定装置内的微动台、位于微动台下方的辅助光源、位于微动台上方的培养皿、操作手调整台以及位于操作手调整台上方的操作手，所述操作手包括两个夹持方向相对的用于夹持成骨细胞的检测端和一个位于两个检测端之间用于振动激励成骨细胞的激励端，所述固定装置上固定设置有与防振台平行的支撑板，所述微动台和操作手调整台位于所述支撑板上。
2.根据权利要求1所述的成骨细胞单细胞激励与检测的MEMS系统，其特征在于，所述微动台和支撑板之间设置有转台，所述微动台包括位于转台上方沿水平方向运动的第一微动台和位于第一微动台上方沿竖直方向运动的第二微动台。
3.根据权利要求1所述的成骨细胞单细胞激励与检测的MEMS系统，其特征在于，所述操作手调整台为三位操作手调整台，操作手调整台控制操作手在三维方向进行运动。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20191204 Address after: Room 1706, block B, building 2, Lifeng business center, Wuzhong District, Suzhou City, Jiangsu Province Patentee after: Suzhou Xinmu Intellectual Property Service Co.,Ltd. Address before: 215123 No. 199 benevolence Road, Suzhou Industrial Park, Jiangsu, China Patentee before: Soochow University |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20221201 Address after: 276000 east side of North Head of Yanbin Road, Feixian Economic Development Zone, Linyi City, Shandong Province Patentee after: KEMET NEW MATERIAL TECHNOLOGY CO.,LTD. Address before: Room 1706, block B, building 2, Lifeng business center, Wuzhong District, Suzhou City, Jiangsu Province Patentee before: Suzhou Xinmu Intellectual Property Service Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20230630 Address after: Room 101, east of the first floor of the second factory building, Intelligent Technology Park, No. 3963 Susong Road, Hefei Economic and Technological Development Zone, 230000, Anhui Province Patentee after: Shengzaoyuan Biotechnology Co.,Ltd. Address before: 276000 east side of North Head of Yanbin Road, Feixian Economic Development Zone, Linyi City, Shandong Province Patentee before: KEMET NEW MATERIAL TECHNOLOGY CO.,LTD. |
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| TR01 | Transfer of patent right |