CN109628305A - 用于体外轴突应力学响应机制研究的多通道差速牵拉装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于体外轴突应力学响应机制研究的多通道差速牵拉装置，包括培养与牵拉控制系统和机械装置，其中所述培养与牵拉控制系统包括细胞培养箱、上位机、控制器和驱动电机；所述机械装置包括第一联轴器、齿轮轴、齿轮轴座、第二联轴器、第一丝杠螺母直线滑台、第二丝杠螺母直线滑台、细胞牵拉生长装置、装置支撑架、底座；所述第一丝杠螺母直线滑台与所述第二丝杠螺母直线滑台的丝杠旋向不同。该装置能够适于实现多样本数的神经轴突牵拉生长实验，并且能够提供灵活的测试牵拉速度。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学实验领域，特别涉及一种用于体外轴突应力学响应机制研究的多通道差速牵拉装置。
背景技术
随着世界各国经济水平的发展，脊髓损伤发生率呈现逐年增高的趋势。在发达国家，脊髓损伤的发生率大约为13.3-45.9人/百万人/年。在中国，每年新增约6万脊髓损伤患者。目前临床治疗脊髓损伤方法主要包括手术、药物治疗和长期运动康复等。然而，神经组织的大量损失及再生功能的衰竭，使得当前治疗手段非常有限。
目前临床上的神经修复术主要为自体神经移植和细胞移植，可以促进被破坏或受损害神经再生修补和重塑、重建神经解剖投射通路和环路、调控和改善神经信号传导、最终实现神经功能修复。但是，两种方法各自存在相应的隐患：自体神经由于来源受限、直径细小等原因根本无法满足修复大量损坏神经的需求，而且被截取后的神经会永久的失去功能，并有形成神经瘤的风险；细胞通过损伤靶点途径移植可能对局部脑组织、脊髓组织造成受损，且多靶点移植时损伤更重，通过血液途径移植受血液内成分及体内代谢因素影响较大，还受血脑屏障的影响，细胞通过脑脊液运输，贴附在受伤处软膜的表面，除了可能渗入神经根外，还可能广泛渗入脑组织。
中国发明专利201410403385.6公开了一种神经轴突牵拉生长装置，由培养与牵拉控制系统和机械装置两部分组成。控制器连接并驱动步进电机旋转，带动联轴器一端的滚珠丝杆直线滑台产生位移，细胞牵拉生长装置固定在装置支撑架上，通过固定在直线滑台上的牵拉连接块而间接牵拉神经轴突。但该装置中只能接两组牵拉装置，且牵拉块的速度都是一致的，神经样本数量不够充足，不能很好的测试牵拉速度对神经轴突生长的影响，另外步进式的牵拉加速度大，对神经易造成损伤。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够适于实现多样本数的神经轴突牵拉生长装置，并且能够提供灵活的测试牵拉速度。
本发明的技术方案如下。
一种神经轴突牵拉生长装置，包括培养与牵拉控制系统和机械装置，其中：
所述培养与牵拉控制系统包括细胞培养箱、上位机、控制器和驱动电机；
所述机械装置包括第一联轴器、齿轮轴、齿轮轴座、第二联轴器、第一丝杠螺母直线滑台、第二丝杠螺母直线滑台、细胞牵拉生长装置、装置支撑架、底座；所述第一丝杠螺母直线滑台与所述第二丝杠螺母直线滑台的丝杠旋向不同。
优选地，所述细胞培养箱设有一个与外界相通的孔道，用于通过所述驱动电机的数据线连接控制器。
优选地，所述孔道位于所述细胞培养箱后侧，所述孔道与数据线连接处采用硅胶密封。
优选地，所述上位机能够控制牵拉过程的参数，包括细胞牵拉的位移、速度、持续时间中的一个或多个。
优选地，所述齿轮轴有多个，分别与所述第一丝杠螺母直线滑台和第二丝杠螺母直线滑台的每一个相对应；所述第一联轴器将所述驱动电机与所述齿轮轴的一个相连接；所述第二联轴器将每个齿轮轴与相对应的丝杠螺母直线滑台相连接。
优选地，所述第一丝杠螺母直线滑台和第二丝杠螺母直线滑台分别有多个，并且交替排列，相邻的两个丝杠螺母滑台相应的齿轮轴相互啮合。
优选地，所述第一丝杠螺母直线滑台和第二丝杠螺母直线滑台的每个丝杠具有不同的螺距，由此各个螺母能够产生不同的位移。
优选地，所述控制器能够接收所述上位机发出的指令，从而驱动所述驱动电机旋转；所述驱动电机能够驱动多个齿轮轴旋转，进而带动丝杠螺母直线滑台产生线性位移。
优选地，所述细胞牵拉生长装置有多个，分别与所述第一丝杠螺母直线滑台和第二丝杠螺母直线滑台的每一个相对应；所述细胞牵拉生长装置设于所述装置支撑架上，连同所述第一和第二丝杠螺母直线滑台、所述齿轮轴座固定在底座上，所述底座放置于细胞培养箱内；
所述细胞牵拉生长装置的每一个包括培养座、盖子、一体化牵拉件、牵拉膜和底膜；所述一体化牵拉块与杆能够由丝杠螺母直线滑台的螺母带动引起牵拉膜的移动，从而牵拉神经轴突。
优选地，所述培养座为一体化长方形结构；所述一体化牵拉件包括牵拉块部分和牵拉杆部分；所述牵拉块部分位于所述培养座中部，牵拉杆部分位于培养座的端部中央；所述底膜粘附于所述培养座底部槽内；所述盖子置于培养座两侧及上表面的凹槽上并固定。
本发明的优点在于：
(1)本发明构建了一个多通道、差速神经轴突牵拉装置，可以在同一培养环境下同时控制多个独立的牵拉装置，并实现等差数列式的轴突生长的长度、速度，方便实验对照，既可验证机械牵拉刺激神经生长的可行性，也能测试牵拉速度对神经轴突生长的影响。
(2)本发明可以通过力传感器采集牵拉应力数据，分析应力大小对神经轴突生长的影响，创建出体外培育功能完善的神经组织的最佳条件，用于神经损伤修复，且为实现体内移植牵拉装置进行神经修复奠定技术基调。
附图说明
图1为本发明的一种神经轴突牵拉生长装置结构示意图；
图2为本发明中细胞牵拉生长装置机械结构图；
图3为本发明中细胞牵拉生长装置无盖子俯视图；
图4为本发明中一体化牵拉块与杆的侧视图；
图5为本发明中细胞牵拉生长装置牵拉原理图；
图6为本发明中轴突牵拉生长控制结构图。
具体实施方式
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详细、清楚地介绍。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。
如图1所示，本发明涉及的一种用于体外轴突应力学响应机制研究的多通道、差速牵拉装置，主要由培养与牵拉控制系统和机械装置两部分组成。培养与牵拉控制系统包括细胞培养箱1、上位机2、控制器3和直流电机4，机械装置包括连接直流电机的第一联轴器5、齿轮轴6、连接齿轮轴的第二联轴器7、左旋丝杠螺母直线滑台8、右旋丝杠螺母直线滑台9、细胞牵拉生长装置10、装置支撑架11、底座12。
所述细胞培养箱1后侧设有一个与外界相通的孔道，所述直流电机4的数据线通过孔道连接控制器3，孔道与数据线连接处采用硅胶密封。所述细胞培养箱1为密封结构，可提供细胞生长所需的二氧化碳、温度和湿度环境。在一优选的实施方式中，所述细胞培养箱1被设置为保证37℃温度、95％相对湿度和5％二氧化碳的培养条件，这样的环境可以给细胞生长提供最佳的二氧化碳、温度和湿度环境。
所述上位机2通过编程可控制牵拉过程的参数，包括细胞牵拉的速度、位移、持续时间。所述控制器3接收上位机2的控制指令，从而驱动直流电机4旋转，采用直流电机是为了平稳持续的输出，步进电机每一次转动会产生过大的瞬时加速度，容易出现过大的牵拉力导致轴突断裂。
所述左旋丝杠螺母直线滑台8、右旋丝杠螺母直线滑台9分别有多个，并且优选为具有相等的数量。所述连接直流电机的第一联轴器5、齿轮轴6、连接齿轮轴的第二联轴器7、细胞牵拉生长装置10分别有多个，并且分别与左旋丝杠螺母直线滑台8、右旋丝杠螺母直线滑台9的每一个相对应。
所述直流电机4带动其中一个连接直流电机的第一联轴器5一端的齿轮轴6转动，由此各个齿轮轴6分别带动连接齿轮轴的第二联轴器7一端的左旋丝杠螺母直线滑台8和右旋丝杠螺母直线滑台9产生位移。由于齿轮轴间的传动，相邻两个齿轮轴的转向不一样，因此设计旋向不同的丝杠。因为每个丝杠的螺距不一样，所以螺母发生的位移不一样，从而通过固定在直线滑台螺母上的一体化牵拉块与杆14间接牵拉神经轴突，且牵拉的位移和速度不一样。
为防止机械牵拉位移过大从而使轴突断裂，每天牵拉的时间为4-5分钟，牵拉的位移为0.5mm左右。相应地，在一优选的实施方式中，对于左旋丝杠螺母直线滑台8和/或右旋丝杠螺母直线滑台9，可以根据细牙螺纹的规定选用螺距为0.5mm的丝杠，电机的转速设定为5分钟1转。这样的丝杠能够满足轴突牵拉机械牵拉的要求，又能够保证整体机械装置易于加工制造。
在一优选的实施方式中，包括左旋和右旋不同旋向的各个丝杠的螺距设置为等差数列，由此相应地各个螺母发生的位移也呈等差数列。在一更为优选的实施方式中，各个螺母发生的位移分别设置为一最小螺距的1倍、2倍、3倍、4倍，从而对应的细胞牵拉生长装置10牵拉的位移和速度也呈现相应的关系。
其中，所述的左旋丝杠螺母直线滑台8和右旋丝杠螺母直线滑台9的螺母中间有通孔，顶端有螺纹孔，用于螺母与一体化牵拉块与杆的固定。
如图2～5所示，所述的细胞牵拉生长装置10呈长方体结构，由培养座13、一体化牵拉块与杆14、支撑块15、盖子16、底膜17、牵拉膜18组成。
其中，所述的培养座13为一体化设计结构。所述支撑块15位于培养座13的左侧，两端用螺丝紧固，一体化牵拉块与杆14位于培养座13的中部凹槽上，可在培养座13的凹槽中移动。所述底膜17通过涂上硅胶粘附于培养座13的底部小槽内，用于细胞培养。为了方便观察，所述盖子16采用透明材料，并用螺钉紧固。
其中，所述的支撑块15中间通孔，既可以支撑一体化牵拉块与杆14，又能实现其运动的导向作用。支撑块15的顶部设有三个螺丝通孔，上下两个用于其固定，中间的螺丝通孔用于将一体化牵拉块与杆14固定，防止一体化牵拉块与杆14在细胞培养器件松动。
其中，所述的一体化牵拉块与杆14左侧为牵拉杆部分，右侧为牵拉块部分。所述牵拉杆部分穿过支撑块15的中间通孔，延伸至培养座13外，穿过丝杠螺母直线滑台8、9的螺母，并用螺丝紧固，使两者一体化。所述牵拉块部分上部的T型架于培养座13的中间凹槽上，所述牵拉块部分下部的弧形用于牵拉膜18的牵引，使牵拉膜延伸部位贴于底膜17。
其中，所述的牵拉膜18为长方形的透明性薄膜，用硅胶垂直粘附在一体化牵拉块与杆14的牵拉块部分。如图5所示，牵拉膜18延伸部分与底膜17紧贴，通过机械牵拉可对贴附于牵拉膜18和底膜17上生长的轴突产生机械刺激。
其中，所述细胞牵拉生长装置10的培养座13、支撑块15均采用聚四氟乙烯材料制成，所述的盖子16为有机玻璃材料，所述的一体化牵拉块与杆14采用不锈钢材料。
在本实施例中，为对神经轴突进行牵拉生长，设计了一套神经轴突牵拉生长装置。
使用时，先将牵拉膜18与底膜17装配好。装置装配完毕后，在紫外灯下放置数小时至硅胶凝固，然后加入无菌水浸泡数天，至硅胶乙酸释放完毕，方可进行细胞培养。将神经细胞或者组织放置于牵拉膜18和底膜17两侧，相距100微米以内，待两侧的神经细胞形成突触连接，即可对轴突进行机械牵拉。
在本实例中，如图6所示，由数据线将上位机2控制指令下载到控制器3，从而驱动直流电机4旋转，进而通过第一联轴器5带动齿轮轴转动，再通过第二联轴器7带动丝杠螺母直线滑台8、9的螺母产生位移，进而带动与螺母固连的一体化牵拉块与杆14移动，最后一体化牵拉块与杆14带动牵拉膜18在底膜17上移动，从而对生长在牵拉膜18和底膜17上的神经轴突产生牵拉。
在本实施例中，牵拉膜18和底膜17采用聚三氟氯乙烯薄膜，该膜生物兼容性好、透明，且抗高温高压，不易发生形变，方便灭菌、观察和牵拉。优选地，所述牵拉膜18和底膜19分别采用50μm和198μm的聚三氟氯乙烯薄膜。
在本实施例中，同时对四个独立的细胞牵拉生长装置10进行牵拉，实现了四个独立的细胞牵拉生长装置10的牵拉速度、位移不一样。进一步地，可以根据实验需求，增加细胞牵拉生长装置10的数量，同时增加齿轮轴6、第二联轴器7、左旋丝杠螺母直线滑台8、右旋丝杠螺母直线滑台9的数量，实现更多样化的细胞牵拉生长装置10的牵拉速度和位移。
本领域技术人员能够理解，虽然本实施例中的细胞牵拉生长装置和丝杠螺母直线滑台为4组，然而本发明并不局限于此。细胞牵拉生长装置和丝杠螺母直线滑台的数量可以根据实际需要的样本数进行设置，在一优选的实施方式中，左旋丝杠螺母直线滑台和右旋丝杠螺母直线滑台设置为相同的数量；在一更加优选的实施方式中，所述细胞牵拉生长装置的数量设置为4的倍数。
在一可选的实施例中(图中未示出)，牵拉膜18和底膜17上可镀上电极触点，与多通道神经信号记录刺激系统相连，用于记录神经的信号，并对神经不同位点进行选择性刺激。在牵拉膜18上可贴薄膜力传感器，用于记录牵拉的应力。
在另一可选的实施方式中，提供了一套神经轴突的电刺激方案，底膜17和牵拉膜18为一种透明状微电极阵列的柔性电路板。神经轴突牵拉生长后，可对牵拉生长的轴突进行电刺激，并记录相应的神经电生理信号。
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，都属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种神经轴突牵拉生长装置，包括培养与牵拉控制系统和机械装置，其中：
所述培养与牵拉控制系统包括细胞培养箱、上位机、控制器和驱动电机；
所述机械装置包括第一联轴器、齿轮轴、齿轮轴座、第二联轴器、第一丝杠螺母直线滑台、第二丝杠螺母直线滑台、细胞牵拉生长装置、装置支撑架、底座；
其特征在于，所述第一丝杠螺母直线滑台与所述第二丝杠螺母直线滑台的丝杠旋向不同。
2.根据权利要求1所述的神经轴突牵拉生长装置，其特征在于，所述细胞培养箱设有一个与外界相通的孔道，用于通过所述驱动电机的数据线连接控制器。
3.根据权利要求2所述的神经轴突牵拉生长装置，其特征在于，所述孔道位于所述细胞培养箱后侧，所述孔道与数据线连接处采用硅胶密封。
4.根据权利要求1所述的神经轴突牵拉生长装置，其特征在于，所述上位机能够控制牵拉过程的参数，包括细胞牵拉的位移、速度、持续时间中的一个或多个。
5.根据权利要求1所述的神经轴突牵拉生长装置，其特征在于，所述齿轮轴有多个，分别与所述第一丝杠螺母直线滑台和第二丝杠螺母直线滑台的每一个相对应；所述第一联轴器将所述驱动电机与所述齿轮轴的一个相连接；所述第二联轴器将每个齿轮轴与相对应的丝杠螺母直线滑台相连接。
6.根据权利要求5所述的神经轴突牵拉生长装置，其特征在于，所述第一丝杠螺母直线滑台和第二丝杠螺母直线滑台分别有多个，并且交替排列，相邻的两个丝杠螺母滑台相应的齿轮轴相互啮合。
7.根据权利要求6所述的神经轴突牵拉生长装置，其特征在于，所述第一丝杠螺母直线滑台和第二丝杠螺母直线滑台的每个丝杠具有不同的螺距，由此各个螺母能够产生不同的位移。
8.根据权利要求5所述的神经轴突牵拉生长装置，其特征在于，所述控制器能够接收所述上位机发出的指令，从而驱动所述驱动电机旋转；所述驱动电机能够驱动多个齿轮轴旋转，进而带动丝杠螺母直线滑台产生线性位移。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的神经轴突牵拉生长装置，其特征在于，所述细胞牵拉生长装置有多个，分别与所述第一丝杠螺母直线滑台和第二丝杠螺母直线滑台的每一个相对应；所述细胞牵拉生长装置设于所述装置支撑架上，连同所述第一和第二丝杠螺母直线滑台、所述齿轮轴座固定在底座上，所述底座放置于细胞培养箱内；
所述细胞牵拉生长装置的每一个包括培养座、盖子、一体化牵拉件、牵拉膜和底膜；所述一体化牵拉块与杆能够由丝杠螺母直线滑台的螺母带动引起牵拉膜的移动，从而牵拉神经轴突。
10.根据权利要求9所述的神经轴突牵拉生长装置，其特征在于，所述培养座为一体化长方形结构；所述一体化牵拉件包括牵拉块部分和牵拉杆部分；所述牵拉块部分位于所述培养座中部，牵拉杆部分位于培养座的端部中央；所述底膜粘附于所述培养座底部槽内；所述盖子置于培养座两侧及上表面的凹槽上并固定。
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