CN105738254B - 一种力学生物学耦合测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种力学生物学耦合测试系统及方法，其特点是通过下光路系统、上光路系统、生化培养系统对材料试样与生物样品界面进行高分辨率原位即时测量，得到界面力学及同步的生物学信号，并通过对信号的合成与处理分析获得所需结果。本发明可以针对任意基底材料试样以及任意生物样品所组成的材料试样与生物样品界面，实现对力学与生物学信号同时进行高分辨率的原位即时测量。

Description

一种力学生物学耦合测试系统及方法

[技术领域]

本发明涉及生物工程技术和生物医学工程领域，具体涉及一种力学生物学耦合测试系统及方法。

[背景技术]

在现代医学的临床干预和治疗中，植入型医疗器械和人工材料已经成为快速增长的重大需求。然而，以骨科疾病为例，骨科植入物和人工关节材料依然面临着一系列已经困扰了人们数十年的世界性问题，如假体松动，磨损与腐蚀，应力疲劳与失效以及所伴随的生理和病理症状。以上问题基本可归纳为刚性植入材料与人体组织界面附近的力学失配(效)的结果。然而到目前为止，细胞或组织等生物样品与材料表面力学适配状态(或力学相互作用)很难用实验手段来测量或表征，基本上只能通过理论模拟和计算来估计。

例如，目前常用的测量细胞或组织等生物样品与材料试样之间的力学状态的方法有：

(1)原子力显微镜Atomic force microscopy

原子力显微镜的关键部件为纳米尺寸的探针，当针尖在材料试样表面进行扫描时，试样与针尖的作用力会使悬臂发生弯曲，令通过悬臂背面的激光束发生偏转，由光电检测器检测到，得到表面形貌图像。在生物样品的力学检测中，原子力显微镜通常用于测量在材料试样表面粘附的生物样品(如细胞、组织片等)的黏弹性、硬度和刚度、生物样品表面配体与材料受体之间相互作用力等。

(2)光镊技术Optical tweezers

当强光照射在极小处时可产生1ˉ200pN的力，因此激光聚集可形成光阱，微小物体受光压而被束缚在光阱处，移动光束可以使微小物体随光阱移动。因此这种方法可以用于力生物学测量，例如，用纤连蛋白将珠子(由感兴趣的材料制成)包覆，珠子因此可以粘附在细胞等生物样品上，通过光束控制珠子移动，通过检测珠子的位移，可获得生物样品刚度的和与材料表面相互作用的相关信息。

(3)磁珠微流控技术Magnetic bead microrheometry

在流体材料中，利用纤连蛋白将顺磁体珠子包覆，可将珠子与细胞等生物样品的骨架或配体直接相连。将珠子置于磁场中，通过光学显微镜可观察到珠子由磁场引起的移动，可得到位移和作用力的相关信息，以此判断生物样品的力学性质和与流体材料的相互作用状态。

(4)微管吮吸技术Micropipette aspiration

将内径为1ˉ10um的吸移管与细胞进行接触并提供吸力，在显微镜下直接观察细胞的变形及移动。这项技术可用于中性粒细胞、红细胞及外毛发细胞的生物力学测试，尤其适用于哺乳动物红细胞的测试。

(5)牵引力显微技术Traction force microscopy

细胞内肌动蛋白骨架产生的收缩经由粘着斑传递到细胞外基质，会造成弹性基底的形变，牵引力显微技术利用这种形变，拍摄变形前后基底荧光图案，并提取表面变形信息，从而计算出细胞的牵引力场。

现有技术存在以下缺点：

牵引力显微技术可在低细胞粘附密度下同时对多个细胞(一般小于10个)测试并计算细胞与材料的力学相互作用，但无法在高细胞密度(例如同时测量成百上千的细胞)条件下实施，不能测试整块的组织或生物样品，也无法在刚性或不透明基底材料上进行测量，且在测量时，无法对细胞进行生物学测试，无法得到细胞或组织的形貌和生物学信号。此外，该方法需要材料试样(即基底)具备特殊形貌(如柱状阵列或微球阵列)和荧光或其它光学标记处理。

原子力显微镜、光镊技术、磁珠微流控技术、微管吮吸技术每次可对单个或几个细胞，以及微米尺寸的组织样品进行生物力学测量，但无法在高细胞密度条件和对毫米、厘米尺寸的生物样品进行测量。且这些方法均不是直接检测细胞与材料的相互作用，而是直接检测细胞的力学状态，再通过理论计算或模拟得到细胞与材料的力学相互作用或力学适配状态，因此不是真正意义上的力学信号原位即时测量。另外，原子力显微镜速度慢，每次测量耗时几分钟，无法实现即时测量，而光镊技术、磁珠微流控技术、微管吮吸技术也无法在测量同时对生物样品形貌或其他生物学信号进行原位即时观察。

[发明内容]

针对现有技术的上述不足和限制，本发明提供一种力学生物学耦合测试系统及方法，其特点是通过下光路系统、上光路系统、生化培养系统对材料试样与生物样品界面进行高分辨率原位即时测量，得到界面力学信号及同步的生物学信号，并可通过对信号的合成与处理分析获得生物力学或力生物学信息。本发明可以针对任意基底的材料试样与最大为厘米尺寸的任意生物样品，包括任意粘附密度的细胞或微生物样品构成的材料试样与生物样品界面，实现对力学及同步的生物学信号进行高分辨率的原位、即时测量。

本发明所提供的力学生物学耦合测试系统包括：下光路系统、上光路系统、生化培养系统；所述下光路系统用于在测试过程中获得材料试样与生物样品界面的力学信号；所述上光路系统用于在测试过程中对生物样品进行原位即时观察，获得同步的生物样品的形貌的生物学信号；所述生化培养系统用于产生和保持生物样品正常培养环境，并保证所述培养环境在测试时始终稳定。

优选的是，所述下光路系统包括：光学应变传感器、光束转折器及光路校准系统；所述光学应变传感器提供激光光束并通过光束转折器的转折对材料试样进行照射，经光路校准系统调整和校准后，对材料试样反射后返回的光束进行捕捉，获得原位、即时的力学信号。

进一步优选的是，所述光学应变传感器包括激光发生器与CCD相机；所述激光发生器产生的激光束发射后经材料试样抛光面反射，返回光学应变传感器；所述CCD相机捕捉返回的激光束以便获得原位、即时的力学信号。

进一步优选的是，所述光路校准系统包括支架、培养舱托盘、培养皿托盘、定位装置，光路可通过光束转折器、培养舱托盘及支架间距离及角度进行调整并且光束转折器、培养舱托盘及支架间的距离和角度在调整后固定，固定后可通过定位装置对材料试样位置进行微调。

优选的是，所述上光路系统包括可见光成像系统和荧光成像系统，用于获得生物样品的形貌的生物学信号。

进一步优选的是，所述荧光成像系统包括荧光显微镜。

优选的是，所述生化培养系统包括培养气氛气源、增湿器、培养皿、培养舱、温度控制系统、进样系统。

进一步优选的是，所述生化培养系统使所述培养舱内保持稳定的温度、相对湿度以及培养气氛水平。

进一步优选的是，所述培养舱和荧光成像系统通过柔性透明材料连接和密封，并且荧光成像系统镜头可自由伸缩，培养舱与外部环境隔离。

进一步优选的是，所述进样系统包括微量注射泵、注射器或进样器,用于控制生物样品或培养基滴加量。

本发明还提供了一种力学生物学耦合测试方法，其中，通过生化培养系统产生和保持生物样品正常培养或生长的环境；利用下光路系统提供激光光束对材料试样抛光面进行照射，并对经材料试样抛光面反射后返回的光束进行捕捉，生成原位、即时的力学信号；通过上光路系统获得同步的生物样品的形貌的生物学信号；对耦合的力学信号及生物学信号进行合成和处理分析，以得到生物力学或力生物学信息。

优选的是，在本方法中，提供具有稳定的温度，相对湿度以及培养气氛水平的所述生物样品正常培养或生长环境。

本申请的优点包括：应用于任意表面形貌的任意基底材料试样、任意生物样品任意粘附密度条件下的材料试样与生物样品界面的力学和生物学信号测量；可对宏观尺度(最大尺寸为厘米级)的大量生物样品群体或组织进行研究；并能在模拟的生理条件下，对材料试样和生物样品的界面进行高分辨率原位即时测量，获得力学及同步的生物学信号；下光路系统保证系统可对材料试样与生物样品界面进行高分辨原位力学测试；上光路系统保证系统对材料试样与生物样品界面进行即时生物学测试，对生物样品的形貌及其它生物学信号进行表征；可获得原位同步的力学与生物学信号，通过分析特定时间范围内的数据、图像，得到材料试样与生物样品的状态及相互作用的方式和信息；可对生物样品下进行连续即时的测试，生物样品培养与外部环境隔离，实现生理条件下的培养；并通过拓展下光路系统中的光路校准系统及生化培养系统中的进样系统，提高测试的效率、准确性、稳定性和易操作性。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例所述力学生物学耦合测试系统结构原理图。

图2是本发明实施例所述力学生物学耦合测试系统的下光路系统示意图。

图3是本发明实施例所述力学生物学耦合测试系统的培养舱托盘示意图。

图4是本发明实施例所述力学生物学耦合测试系统的培养皿托盘示意图。

图5是本发明实施例所述力学生物学耦合测试系统的定位装置示意图。

图6是本发明实施例所述力学生物学耦合测试系统的进样系统。

图7(1)至图7(2)是通过本发明实施例所述力学生物学耦合测试系统获得的实验结果示例。

[具体实施方式]

作为本发明优选的具体实施方式，提供了一种力学生物学耦合测试系统，如图1-6所示。图1为该力学生物学耦合测试系统结构原理图。该系统由下光路系统A、上光路系统B、生化培养系统C组成。下光路系统A用于在测试过程中获得界面力学信号；上光路系统B在测试过程中对材料试样进行原位即时观察，获得同步的生物样品的形貌的生物学信号；生化培养系统C用于产生和保持生物样品正常培养或生长环境。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，下光路系统A具体包括：光学应变传感器1、光束转折器2及光路校准系统3。光学应变传感器1带有激光发生器，通过光路系统提供光束对材料试样进行照射，并对经材料试样反射后返回的光束进行捕捉，获得原位、即时的力学信号；光束转折器2为平面镜；光路校准系统3包括支架10、培养舱托盘11、培养皿托盘、定位装置，光路可通过光束转折器、培养舱托盘及支架间距离及角度进行调整并且光束转折器、培养舱托盘及支架间的距离和角度在调整后固定，固定后可通过定位装置对材料试样位置进行微调。培养舱托盘如图3所示，由两个C型铝合金器件构成，可调整器件间距离及支架间距离放置不同型号无菌培养舱。所述支架由含沟槽的导轨组装。如图4所示，培养皿托盘由高导热率铝合金制成，保证培养舱内温度均匀恒定。光路可通过光束转折器、培养舱托盘及支架间距离及角度进行调整。距离及角度经调整后固定，每次测试时仅需更换材料试样而无需再次进行光路校准，简化检测流程，提高效率。如图5所示，定位装置安装在支架上，用以固定培养舱托盘，并通过装置与培养舱托盘间的弹簧12(1)至12(7)及旋钮13(1)至13(3)微调X、Y方向上的位置。

上光路系统B包括：可见光成像系统和荧光成像系统4，其中荧光成像系统4包括荧光显微镜。如图1、图3所示，上光路系统的可见光成像系统和荧光成像系统4对材料试样与生物样品的界面进行即时生物学测试，获得同步的生物样品生物学信号。

生化培养系统C包括培养气氛气源5、增湿器6、培养皿、培养舱7、温度控制系统8、进样系统9，可提供稳定的生物样品培养条件：稳定的温度、相对湿度和气氛水平，确保生物样品的正常培养和生长环境。其中培养舱和荧光成像系统通过柔性透明材料连接和密封，荧光成像系统镜头可自由伸缩，培养舱所提供的生物样品生长环境不会发生改变，且与外部环境隔离，实现无菌培养。进样系统9如图6所示，包括微量注射泵14、注射器或加样器15。微量注射泵通过在进样时推进固定距离控制生物样品滴加量。

图7是本实验获得的实验结果示例。其中图7(1)是下光路系统获得的界面力学信号，7(2)是上光路系统获得的同步的生物学信号。

图7(1)中，X轴是时间/s，Y轴是名义应变/应力变化：

在0ˉ3700s，系统空载运行；

在3700s，滴加生物样品；

在4100s，可以发现正应力(应变)信号，表明材料试样受到生物样品的相互作用；

在4250s，正应力(应变)达到最大值，开始反转；

在4300s，出现负应力(应变)信号，表明材料试样受到生物样品的相互作用发生了改变；

在4400s后，应力(应变)信号逐渐恢复到零，表明材料试样受到生物样品的相互作用逐渐消失。

图7(2)分别是上光路系统在4100s和4300s时获得的生物学信号。

应用于任意表面形貌的任意基底材料试样、任意生物样品任意粘附密度条件下的材料试样与生物样品界面的力学和生物学信号测量；可对宏观尺度(最大尺寸为厘米级)的大量生物样品群体或组织进行研究；并能在模拟的生理条件下，对材料试样和生物样品的界面进行高分辨率原位即时测量，获得力学及同步的生物学信号；下光路系统保证系统可对材料试样与生物样品界面进行高分辨原位力学测试；上光路系统保证系统对材料试样与生物样品界面进行即时生物学测试，对生物样品的形貌及其它生物学信号进行表征；可获得原位同步的力学与生物学信号，通过分析特定时间范围内的数据、图像，得到材料试样与生物样品的状态及相互作用的方式和信息；可对生物样品下进行连续即时的测试，生物样品培养与外部环境隔离，实现生理条件下的培养；并通过拓展出下光路系统中的光路校准系统及生化培养系统中的进样系统，提高测试的效率、准确性、稳定性和易操作性。

以上实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种力学生物学耦合测试系统，其特征在于，包括：下光路系统、上光路系统、生化培养系统；

所述下光路系统包括：光学应变传感器、光束转折器、光路校准系统，用于在测试过程中获得材料试样与生物样品界面的原位、即时的力学信号，所述光学应变传感器提供激光光束并通过光束转折器的转折对材料试样抛光面进行照射，经光路校准系统调整和校准后，对经材料试样抛光面反射后返回的光束进行捕捉，获得原位、即时的力学信号，光路校准系统用于调整和校准光路以适应试样位置，所述光路校准系统包括支架、培养舱托盘、培养皿托盘、定位装置；

所述上光路系统包括可见光成像系统和荧光成像系统，用于在测试过程中对生物样品进行原位即时观察，获得同步的生物样品的形貌的生物学信号；

所述生化培养系统包括培养气氛气源、增湿器、培养皿、培养舱、温度控制系统、进样系统，所述培养舱位于培养舱托盘上，培养气氛气源通过增湿器与培养舱相连以控制培养舱的湿度，温度控制系统与培养舱相连以控制培养舱的温度，进样系统用于向培养皿内推进生物样品，所述生化培养系统用于产生和保持生物样品正常培养环境，并保证所述培养环境在测试时始终稳定。

2.根据权利要求1所述的力学生物学耦合测试系统，其特征在于，所述光学应变传感器包括激光发生器与CCD相机；所述激光发生器产生的激光束发射后经试样抛光面反射，返回光学应变传感器；所述CCD相机捕捉返回的激光束以便获得原位、即时的试样界面的力学信号。

3.根据权利要求1所述的力学生物学耦合测试系统，其特征在于，所述光路可通过光束转折器、培养舱托盘及支架间距离及角度进行调整并且光束转折器、培养舱托盘及支架间的距离和角度在调整后固定，固定后可通过定位装置对试样位置进行微调。

4.根据权利要求1所述的力学生物学耦合测试系统，其特征在于，所述荧光成像系统包括荧光显微镜。

5.根据权利要求1所述的力学生物学耦合测试系统，其特征在于，所述生化培养系统使所述培养舱内能够保持稳定的温度、相对湿度以及培养气氛水平。

6.根据权利要求1所述的力学生物学耦合测试系统，其特征在于，所述进样系统包括微量注射泵、注射器或进样器，用于控制生物样品或培养基滴加量。

7.一种力学生物学耦合测试方法，通过生化培养系统产生和保持生物样品正常培养或生长的环境；利用下光路系统提供激光光束对材料试样抛光面进行照射，并利用光学应变传感器对经材料试样抛光面反射后返回的光束进行捕捉，生成原位、即时的力学信号；通过上光路系统进行可见光成像和荧光成像，获得同步的生物样品的形貌的生物学信号；对耦合的力学信号及生物学信号进行合成和处理分析，以得到生物力学或力生物学信息；

所述下光路系统包括：光学应变传感器、光束转折器、光路校准系统，所述光学应变传感器提供激光光束并通过光束转折器的转折对材料试样抛光面进行照射，经光路校准系统调整和校准后，对经材料试样抛光面反射后返回的光束进行捕捉，获得原位、即时的力学信号，光路校准系统用于调整和校准光路以适应试样位置，所述光路校准系统包括支架、培养舱托盘、培养皿托盘、定位装置；

所述上光路系统包括可见光成像系统和荧光成像系统，用于在测试过程中对生物样品进行原位即时观察，获得同步的生物样品的形貌的生物学信号；

所述生化培养系统包括培养气氛气源、增湿器、培养皿、培养舱、温度控制系统、进样系统，所述培养舱位于培养舱托盘上，培养气氛气源通过增湿器与培养舱相连以控制培养舱的湿度，温度控制系统与培养舱相连以控制培养舱的温度，进样系统用于向培养皿内推进生物样品，所述生化培养系统用于产生和保持生物样品正常培养环境，并保证所述培养环境在测试时始终稳定。