CN105296325B - 一种细胞划痕测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种细胞划痕测试装置，包括：一维自动平移台和划刻装置；一维自动平移台上固定有细胞培养皿；一维自动平移台包括步进电机，用于驱动细胞培养皿水平滑动，控制细胞培养皿的运动方向、位移及速度；划刻装置包括划痕探头夹具、划痕探头和加载装置，划痕探头与加载装置之间通过划痕探头夹具固定；加载装置用于划痕探头上加载垂直作用力，划痕探头夹具确使划痕探头沿培养皿底面的垂直方向加载。本发明由单片机产生的脉冲信号控制步进电机按设定方向及角度旋转，驱使平台上的培养皿精确移动；划痕探头经夹具固定后垂直作用于细胞培养皿；加载系统精确控制施加在划痕探头上的力，确保了细胞划痕测试的一致性；消除了人为操作的不确定性。
Description
【技术领域】
本发明涉及细胞活力性能测试领域，特别涉及一种细胞划痕测试装置。
【背景技术】
细胞迁移是通过胞体形变进行的定向移动，包含了细胞骨架、结合蛋白及细胞间质等一系列物质基础。同时细胞的生理活动，如细胞觅食、伤口愈合、胚胎发生、免疫反应、感染和癌症转移等，也与细胞的迁移行为息息相关。
其中，细胞划痕实验是一种简单易行的检测细胞运动的方法。通过细胞划痕实验，可以模拟细胞在受外力或外源物质刺激下，来检测细胞的迁移能力。同时也可以用来评价细胞在机械外力作用下，损伤后细胞的修复与增殖能力。细胞划痕实验具有操作简便性和实验周期短的优点。
传统的细胞划痕实验主要以手动操作的方式进行，如通过手指按压微量枪头(常用规格10μl)，使枪头以一定速度划过细胞培养皿，此时细胞处于贴附状态。但此法由于手动操作的不确定性，易造成划痕的形状不规整且边缘杂乱不清晰。另外由于施力主体的个体差异性，施加的作用力难以保持一致，对后续实验结果的分析与统计造成了极大的困难。同时，随着种植体医学的日益发展，对细胞的划痕试验也提出了越来越高的要求，如划痕实验过程中，划痕划刻的力度、角度及位移等都需要精确地控制。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种细胞划痕测试装置，以克服上述现有技术的缺陷。通过本发明可以方便快速地在细胞培养皿进行划痕测试，具有划痕的划刻力度、速度及位移的可控性。实验结束后的细胞培养皿可以通过显微镜观察获得划痕的宽度，从而计算出划痕面积。也可以借助各种染色及酶联试剂来定性或定量研究细胞在外力作用下的损伤、增殖及分化等特性。这种划痕测试装置具有划痕定位准确、稳定性高、功能丰富及方便快捷的特点，适用于各种规格的细胞培养皿的划痕测试。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种细胞划痕测试装置，包括：一维自动平移台和划刻装置；一维自动平移台上固定有细胞培养皿；一维自动平移台用于驱动细胞培养皿水平滑动，控制细胞培养皿的运动方向、位移及速度；划刻装置包括划痕探头夹具、划痕探头和加载装置，划痕探头与加载装置之间通过划痕探头夹具固定；加载装置用于划痕探头上加载垂直作用力，划痕探头夹具确使划痕探头沿培养皿底面的垂直方向加载。
进一步的，一维自动平移台包括：加热台及细胞培养皿支撑台、滑台、导轨、导轨基座、丝杆和步进电机；步进电机的输出轴通过联轴器连接丝杆，丝杆的两端支撑在导轨基座上；导轨基座设有与丝杆平行的导轨；滑台安装在导轨上，丝杆穿过滑台且与滑台形成一对丝杆螺母机构；加热台及细胞培养皿支撑台垂直固定在滑台上；加热台及细胞培养皿支撑台上固定有细胞培养皿。
进一步的，加载装置包括轴承座、悬臂梁和加载托板；划刻装置还包括基座、三维手动平移台、平衡螺杆及砝码、力测量传感器、悬臂梁支架和轴承及轴承套；基座联接三维手动平移台和轴承座，轴承座分布在轴承及轴承套两侧；悬臂梁支架固定在轴承及轴承套上，能够在竖直平面实现180°内旋转；悬臂梁一段通过紧固螺钉悬臂固定在悬臂梁支架上，另一端设置有用于放置砝码以调整划痕探头作用力的加载托板；悬臂梁固定在悬臂梁支架的一端安装固定有力测量传感器和平衡螺杆及砝码，测量传感器用于实现划刻过程中水平剪切力的测量。
进一步的，划痕探头为圆柱销头，其长度为5-10mm，底部是半径为2-20mm的球头，材质采用医用型超高分子量聚乙烯或医用陶瓷。
进一步的，所述划痕探头夹具为可拆卸式夹具。
进一步的，加载装置为加载托板(302)，通过在加载托板(302)上放置质量不同的砝码，使划痕探头作用在细胞培养皿上的力在0.01-0.2N的范围可调，精度为0.01N。
进一步的，加热台及细胞培养皿支撑台上安装有温度控制模块，在划痕测试过程中通过将细胞培养皿的温度控制在37±0.1℃。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明一种细胞划痕测试装置，驱动平台可固定不同规格的细胞培养皿；由单片机产生的脉冲信号控制步进电机按设定方向及角度旋转，驱使平台上的培养皿精确移动；划痕探头经夹具固定后垂直作用于细胞培养皿；加载系统精确控制施加在划痕探头上的力，确保了细胞划痕测试的一致性。本发明的细胞划痕测试装置消除了人为操作的不确定性，划痕定位精准、重复性高，同时具有灵活性高及功能多样性(可模拟体外细胞在机械力作用下的损伤)的特点。
【附图说明】
图1是本发明的一种细胞划痕测试装置的结构示意图。
图2是安装有一维自动平移台的试验台结构示意图。
图3是刻划装置的结构示意图。
图4划痕测试后细胞培养皿中的划痕视图。
图中各标号含义：1、蜂窝型试验台；2、一维自动平移台；201、加热台及细胞培养皿支撑台；202、滑台；203、导轨；204、导轨基座；205、丝杠；206、步进电机；207、步进电机支撑座；3、划刻装置；301、悬臂梁；302、加载托板；303、划痕探头夹具；304、划痕探头；305、基座；306、三维手动平移台；307、平衡螺杆及砝码；308、力测量传感器；309、悬臂梁支架；310轴承及轴承套；311、轴承座。
【具体实施方式】
为使本发明要解决的技术问题、方案和优点更加清楚，下面以具体实例对本发明作进一步详细的说明。
参照图1，为本发明的一种细胞划痕测试实验装置，主要包括：蜂窝型试验台1、一维自动平移台2和划刻装置3。一维自动平移台2设置在蜂窝型试验台1上，一维自动平移台2上面固定有细胞培养皿夹持夹具。本发明针对要固定的对象-细胞培养皿，采用3M双面胶固定的方式。细胞培养皿固定后，调节三维手动平移台，使划痕顶部与细胞培养皿在同一高度。通过改变加载托板302中的砝码数量，可控制划痕探头304上的作用力，实现在培养皿上施加法向作用力。滑台202的单向运动可通过步进电机206控制，在输入控制信号后，驱动步进电机206转动，并在试验结束后，使滑台202恢复至初始运动位置，保证划痕试验的重复性。
参照图2，一维自动平移台2主要包括：加热台及细胞培养皿支撑台201、滑台202、导轨203、导轨基座204、丝杆205、步进电机206和步进电机支撑座207。导轨基座204固定在蜂窝型试验台1上，导轨基座204上固定有步进电机支撑座207，步进电机支撑座207上安装有步进电机206，步进电机206的输出轴通过联轴器连接丝杆205，丝杆205的两端支撑在导轨基座204上；丝杆205的两侧各设有一个安装于导轨基座204上的导轨203。滑台202安装在一对导轨203上，丝杆205穿过滑台202且与滑台202之间形成一对丝杆螺母机构；加热台及细胞培养皿支撑台201垂直固定在滑台202上。通过单片机产生激励信号控制步进电机206的旋转，带动往复平台202在导轨203作直线运动。
参照图3，划刻装置3包括：悬臂梁301、加载托板302、划痕探头夹具303、划痕探头304、基座305、三维手动平移台306、平衡螺杆及砝码307、力测量传感器308、悬臂梁支架309、轴承及轴承套310和轴承座311。其中，三维手动平移台306固定在蜂窝型试验台1上，基座305联接三维手动平移台306和轴承座311，轴承座311分布在轴承及轴承套310两侧。悬臂梁支架309固定在轴承及轴承套310上，可实现180°内旋转。悬臂梁301通过紧固螺钉悬臂固定在悬臂梁支架309上，其一侧安装固定有力测量传感器308，可实现划刻过程中水平剪切力的测量。划痕探头304通过划痕探头夹具303使探头沿垂直方向朝下固定在悬臂梁301另一侧，该侧上还设置有加载托板302。悬臂梁支架309上还设置有平衡螺杆及砝码307。悬臂梁固定在轴承上，轴承的低摩擦阻力可精确地实现作用力的加载。另外可实现悬臂梁绕竖直面内小于180°的旋转，在更换细胞培养皿时可提供较大的空间且便于划痕探头的更换。
采用上述细胞划痕试验装置的试验过程说明如下：
(1)打开温控装置，使加热台201的温度控制在37±0.1℃，并维持20min以上，无菌条件下安装划痕探头304。
抬起划痕探头304，在加热台201上放置一干净细胞培养皿，放平划痕探头304，调节平衡螺杆及砝码307后，调整三维手动平移台306使划痕探头303位于细胞培养皿的中间位置，并使划痕探头303的底部与细胞培养皿固定至同一高度，锁住调节按钮，后续如使用同一规格的细胞培养，后续不用重复此步。
抬起划痕探头304换下干净的细胞培养皿，替换上细胞培养箱中的细胞培养皿，轻轻放下划痕探头304，在加载托板302中放置砝码。
(4)试验中如需采集划刻过程中水平剪切力的信号，可将力测量传感器308的输出端与计算机相连。操作单片机输入步进电机旋转参数并启动。步进电机驱动滑台202单向运动，完成细胞划痕试验。试验完成后，显微镜下观察结果如图4所示。
一维自动平移台：用于驱动细胞培养皿水平滑动，控制细胞培养皿的运动方向、位移及速度，从而精确实现细胞划痕实验的过程。同时在划刻完成后将细胞培养皿复位至初始位置的功能。加热台及细胞培养皿支撑台201上安装有温度控制模块，在划痕测试过程中可以将温度控制在37±0.1℃。
划痕探头304：划痕探头为圆柱销头，其长度为5-10mm，底部是半径为2-20mm的球头，材质采用医用型超高分子量聚乙烯(UHMPE)或医用陶瓷。划痕探头在使用前，经高温高压蒸汽灭菌后于无菌条件下密封保存。划痕探头304与加载托板302之间通过划痕探头夹具303固定。划痕探头夹具303确使划痕探头304沿培养皿底面的垂直方向加载。在更换探头时，以尽量减少外界污染为准则，可拆卸式划痕探头夹具303可以保证划痕测试过程中的无菌性要求。
加载托板302：用于探头上加载垂直作用力。通过划痕探头上的加载托板302上放置质量不同的砝码(1-20g)，可使划痕探头作用在细胞培养皿上的力在0.01-0.2N的范围可调，且其精度达0.01N。
对本领域内的技术人员来说，在不脱离本发明的实质范围内，对上述实例的实施进行适当的替换或修改都将落在本发明权利要求的范围内。示范例的实施例仅仅是例证例，而不是对本发明的限定，本发明的范围由所附的权利要求所定义。
Claims (5)
1.一种细胞划痕测试装置，其特征在于，包括：一维自动平移台(2)和划刻装置(3)；
一维自动平移台(2)上固定有细胞培养皿；一维自动平移台(2)用于驱动细胞培养皿水平滑动，控制细胞培养皿的运动方向、位移及速度；
划刻装置(3)包括划痕探头夹具(303)、划痕探头(304)和加载装置，划痕探头(304)与加载装置之间通过划痕探头夹具(303)固定；加载装置用于划痕探头(304)上加载垂直作用力，划痕探头夹具(303)确使划痕探头(304)沿培养皿底面的垂直方向加载；
一维自动平移台(2)包括：加热台及细胞培养皿支撑台(201)、滑台(202)、导轨(203)、导轨基座(204)、丝杆(205)和步进电机(206)；步进电机(206)的输出轴通过联轴器连接丝杆(205)，丝杆(205)的两端支撑在导轨基座(204)上；导轨基座(204)设有与丝杆(205)平行的导轨(203)；滑台(202)安装在导轨(203)上，丝杆(205)穿过滑台(202)且与滑台(202)形成一对丝杆螺母机构；加热台及细胞培养皿支撑台(201)垂直固定在滑台(202)上；加热台及细胞培养皿支撑台(201)上固定有细胞培养皿；
加载装置包括轴承座(311)、悬臂梁(301)和加载托板(302)；划刻装置(3)还包括基座(305)、三维手动平移台(306)、平衡螺杆及砝码(307)、力测量传感器(308)、悬臂梁支架(309)和轴承及轴承套(310)；基座(305)联接三维手动平移台(306)和轴承座(311)，轴承座(311)分布在轴承及轴承套(310)两侧；悬臂梁支架(309)固定在轴承及轴承套(310)上，能够在竖直平面实现180°内旋转；悬臂梁(301)一段通过紧固螺钉悬臂固定在悬臂梁支架(309)上，另一端设置有用于放置砝码以调整划痕探头(304)作用力的加载托板(302)；悬臂梁(301)固定在悬臂梁支架(309)的一端安装固定有力测量传感器(308)和平衡螺杆及砝码(307)，测量传感器(308)用于实现划刻过程中水平剪切力的测量。
2.根据权利要求1所述的一种细胞划痕测试装置，其特征在于，划痕探头为圆柱销头，其长度为5-10mm，底部是半径为2-20mm的球头，材质采用医用型超高分子量聚乙烯或医用陶瓷。
3.根据权利要求1所述的一种细胞划痕测试装置，其特征在于，所述划痕探头夹具(303)为可拆卸式夹具。
4.根据权利要求1所述的一种细胞划痕测试装置，其特征在于，加载装置为加载托板(302)，通过在加载托板(302)上放置质量不同的砝码，使划痕探头作用在细胞培养皿上的力在0.01-0.2N的范围可调，精度为0.01N。
5.根据权利要求1所述的一种细胞划痕测试装置，其特征在于，加热台及细胞培养皿支撑台(201)上安装有温度控制模块，在划痕测试过程中通过将细胞培养皿的温度控制在37±0.1℃。
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