CN110376123A - 一种生物样品的拉伸测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物科技研究领域，一种生物样品的拉伸测试装置，包括外壳以及位于外壳内的驱动器、活动夹具、活动臂I、调节杆I、磁铁I、竖直夹具I、竖直夹具II、衬底、活动臂II、调节杆II、磁铁II、固定夹具、储液池、支撑台、位移台、显微镜、导轨I和导轨II，具有特殊的驱动机构及夹具结构，能够对亚细胞尺度的活细胞原位成像，能够同时进行动态拉伸，结合特殊的驱动机构及磁力可调的夹具结构来对样品进行单轴的拉伸，能够在对亚细胞尺度的活细胞原位成像的同时进行动态拉伸，并通过原位成像来研究细胞特性，拉伸的频率及幅度的可调范围较大，拉伸可调的幅度范围较大，且不易造成衬底撕裂。
Description
技术领域
本发明涉及生物科技研究领域，尤其是一种能够对亚细胞尺度的活细胞原位成像的、能够同时进行动态拉伸的一种生物样品的拉伸测试装置。
背景技术
在细胞的组织发育及修复过程中，机械拉伸能够作为一种重要的手段来调节细胞的状态及功能，现有技术中有多种方法来对细胞进行机械刺激，但是，大多数采用机械驱动拉伸装置的现有技术并不适用于亚细胞尺度的活细胞原位成像，而且，少数的能够进行实时地亚细胞尺度的活细胞成像的现有技术中，对细胞的动态拉伸受限，且其可调频率范围、可调拉伸幅度范围均无法满足实验要求，所述一种生物样品的拉伸测试装置能够解决问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明装置结合特殊的驱动机构及磁力可调的夹具结构来对样品进行单轴的拉伸，能够在对亚细胞尺度的活细胞原位成像的同时进行动态拉伸，拉伸的频率及幅度的可调范围较大。
本发明所采用的技术方案是：
所述一种生物样品的拉伸测试装置包括外壳以及位于外壳内的驱动器、活动夹具、活动臂I、调节杆I、磁铁I、竖直夹具I、竖直夹具II、衬底、活动臂II、调节杆II、磁铁II、固定夹具、储液池、支撑台、位移台、显微镜、导轨I和导轨II，xyz为三维坐标系，外壳具有若干操作窗口，储液池中装有适应于细胞培养环境的保护液体，显微镜通过电缆连接有计算机，位移台、两根平行的导轨I和两根平行的导轨II均固定于外壳内，导轨I和导轨II空间垂直，支撑台位于位移台的上面，位移台能够使得支撑台三维移动，储液池固定于支撑台的上面；活动夹具包括水平臂部分和托盘部分，活动夹具的水平臂部分与导轨II滑动连接，以将活动夹具的移动限制在z方向，活动夹具的托盘部分连接于其水平臂部分的侧下方，活动夹具的托盘部分为xz水平面内的正方形并伸入储液池内；活动臂I的一端铰接于活动夹具水平臂部分的上面、另一端与竖直夹具I的顶端通过螺丝连接，磁铁I固定于活动夹具水平臂部分的上面，调节杆I螺纹连接贯穿于活动臂I，并相对于活动臂I在y方向的位置能够上下调节，能够使得调节杆I的下端位于磁铁I上方的5毫米到10毫米的范围处；固定夹具固定于支撑台的一侧，固定夹具包括水平臂部分和托盘部分，固定夹具的托盘部分连接于其水平臂部分的侧下方，固定夹具的托盘部分为xz水平面内的正方形并伸入储液池内，活动臂II的一端铰接于固定夹具水平臂部分的上面、另一端与竖直夹具II的顶端通过螺丝连接，磁铁II固定于固定夹具水平臂部分的上面，调节杆II螺纹连接贯穿于活动臂II，并相对于活动臂II在y方向的位置能够上下调节，能够使得活动臂II的下端位于磁铁II上方的5毫米到10毫米的范围处；衬底是长方形硅氧烷薄膜，衬底的一端通过竖直夹具I的下端压接于活动夹具的托盘部分上面、另一端通过竖直夹具II的下端压接于固定夹具的托盘部分上面，竖直夹具I和竖直夹具II均为片状结构；显微镜的位置能够调节并能够在计算机上显示并记录采集得到的图像；驱动器包括偏心凸轮、旋转马达、推杆、轴承、连接块I、弹簧、连接块II和滑块，偏心凸轮、推杆、轴承和连接块I为凸轮-推杆结构，偏心凸轮和轴承分别与推杆的两侧滑动接触，偏心凸轮是直径为20毫米的圆盘，偏心凸轮的旋转轴偏离其圆心为5毫米，通过旋转马达带动偏心凸轮绕其旋转轴旋转，旋转马达的旋转频率能够在0.1Hz到10Hz范围调节；连接块I的一端连接有能够自由旋转的轴承、另一端与活动夹具固定连接；推杆的一端铰接于连接块II且与连接块II之间连接有弹簧，弹簧的弹性系数可调节，连接块II的一端铰接于滑块，滑块与导轨I滑动连接，以将滑块的移动方向限制在x方向；外壳为长方体形状的金属腔体；活动夹具由钛制成，活动夹具托盘部分的边长为10毫米，固定夹具由钛制成，固定夹具托盘部分的边长为10毫米；竖直夹具I和竖直夹具II均由特氟龙材料制成；衬底的长度为20毫米、宽度为10毫米；弹簧的弹性系数范围为10牛/米到50牛/米。
利用所述一种生物样品的拉伸测试装置进行实验的步骤为：
步骤一，将待测的细胞样品沉积于衬底的上表面，并通过竖直夹具I和竖直夹具II将衬底的两端分别压接于活动夹具和固定夹具的托盘部分的上面；
步骤二，将活动夹具和固定夹具的托盘部分浸入储液池中的保护液体的液面以下，衬底及待测的细胞样品浸入液面以下；
步骤三，将显微镜移动至衬底正上方的150毫米位置处，并对待测的细胞样品进行成像，并记录在计算机中；
步骤四，开启旋转马达，偏心凸轮作用于推杆的一侧，衬底的张力通过活动夹具、连接块I和轴承作用于推杆的另一侧，活动夹具在z方向进行往复运动，以对衬底及其表面的待测的细胞样品进行拉伸；
步骤五，通过显微镜对待测的细胞样品进行成像，并记录在计算机中；
步骤六，根据需要改变旋转马达的旋转频率，以调节对衬底及其表面的待测的细胞样品进行拉伸的频率；
步骤七，根据需要调节弹簧的弹性系数，以改变对衬底及其表面的待测的细胞样品进行拉伸的幅度；
步骤八，通过对计算机中记录的待测的细胞样品的成像信息，分析出待测的细胞样品的状态和功能。
本发明的有益效果是：
本发明装置能够对亚细胞尺度的生物细胞样品进行单轴的动态拉伸，拉伸的频率可调范围较大，拉伸可调的幅度范围较大，且不易造成衬底撕裂。
附图说明
下面结合本发明的图形进一步说明：
图1是本发明示意图；
图2是驱动器和活动夹具的俯视放大示意图。
图中，1.外壳，2.驱动器，2-1，偏心凸轮，2-2，旋转马达，2-3.推杆，2-4.轴承，2-5.连接块I，2-6.弹簧，2-7.连接块II，2-8.滑块，3.活动夹具，4.活动臂I，5.调节杆I，6.磁铁I，7.竖直夹具I，8.竖直夹具II，9.衬底，10.活动臂II，11.调节杆II，12.磁铁II，13.固定夹具，14.储液池，15.支撑台，16.位移台，17.显微镜，18.导轨I，19.导轨II。
具体实施方式
如图1是本发明示意图，包括外壳1以及位于外壳1内的驱动器2、活动夹具3、活动臂I 4、调节杆I 5、磁铁I 6、竖直夹具I 7、竖直夹具II 8、衬底9、活动臂II 10、调节杆II11、磁铁II 12、固定夹具13、储液池14、支撑台15、位移台16、显微镜17、导轨I 18和导轨II19，xyz为三维坐标系，外壳1为长方体形状的金属腔体，外壳1具有若干操作窗口，储液池14中装有适应于细胞培养环境的保护液体，显微镜17通过电缆连接有计算机，位移台16、两根平行的导轨I 18和两根平行的导轨II 19均固定于外壳1内，导轨I 18和导轨II 19空间垂直，支撑台15位于位移台16的上面，位移台16能够使得支撑台15三维移动，储液池14固定于支撑台15的上面；活动夹具3包括水平臂部分和托盘部分，活动夹具3由钛制成，活动夹具3的水平臂部分与导轨II 19滑动连接，以将活动夹具3的移动限制在z方向，活动夹具3的托盘部分连接于其水平臂部分的侧下方，活动夹具3的托盘部分为xz水平面内的正方形并伸入储液池14内，活动夹具3托盘部分的边长为10毫米；活动臂I 4的一端铰接于活动夹具3水平臂部分的上面、另一端与竖直夹具I 7的顶端通过螺丝连接，磁铁I 6固定于活动夹具3水平臂部分的上面，调节杆I 5螺纹连接贯穿于活动臂I 4，并相对于活动臂I 4在y方向的位置能够上下调节，能够使得调节杆I 5的下端位于磁铁I 6上方的5毫米到10毫米的范围处；固定夹具13固定于支撑台15的一侧，固定夹具13包括水平臂部分和托盘部分，固定夹具13托盘部分的边长为10毫米，固定夹具13由钛制成，固定夹具13的托盘部分连接于其水平臂部分的侧下方，固定夹具13的托盘部分为xz水平面内的正方形并伸入储液池14内，活动臂II 10的一端铰接于固定夹具13水平臂部分的上面、另一端与竖直夹具II 8的顶端通过螺丝连接，磁铁II 12固定于固定夹具13水平臂部分的上面，调节杆II 11螺纹连接贯穿于活动臂II 10，并相对于活动臂II 10在y方向的位置能够上下调节，能够使得活动臂II 10的下端位于磁铁II 12上方的5毫米到10毫米的范围处；衬底9是长方形硅氧烷薄膜，衬底9的长度为20毫米、宽度为10毫米，衬底9的一端通过竖直夹具I 7的下端压接于活动夹具3的托盘部分上面、另一端通过竖直夹具II 8的下端压接于固定夹具13的托盘部分上面，竖直夹具I 7和竖直夹具II 8均为片状结构，竖直夹具I 7和竖直夹具II 8均由特氟龙材料制成；显微镜17的位置能够调节并能够在计算机上显示并记录采集得到的图像。
如图2是驱动器和活动夹具的俯视放大示意图，xyz为三维坐标系，驱动器2包括偏心凸轮2-1、旋转马达2-2、推杆2-3、轴承2-4、连接块I 2-5、弹簧2-6、连接块II 2-7和滑块2-8，偏心凸轮2-1、推杆2-3、轴承2-4和连接块I 2-5为凸轮-推杆结构，偏心凸轮2-1和轴承2-4分别与推杆2-3的两侧滑动接触，偏心凸轮2-1是直径为20毫米的圆盘，偏心凸轮2-1的旋转轴偏离其圆心为5毫米，通过旋转马达2-2带动偏心凸轮2-1绕其旋转轴旋转，旋转马达2-2的旋转频率能够在0.1Hz到10Hz范围调节；连接块I 2-5的一端连接有能够自由旋转的轴承2-4、另一端与活动夹具3固定连接；推杆2-3的一端铰接于连接块II 2-7且与连接块II2-7之间连接有弹簧2-6，弹簧2-6的弹性系数可调节，弹簧2-6的弹性系数范围为10牛/米到50牛/米，连接块II 2-7的一端铰接于滑块2-8，滑块2-8与导轨I 18滑动连接，以将滑块2-8的移动方向限制在x方向。
本发明装置进行细胞拉伸实验的原理：将待测的细胞样品沉积于衬底9上表面，并通过竖直夹具I 7及竖直夹具II 8将衬底9的两端分别压在活动夹具3及固定夹具13的托盘部分上面，通过调节调节杆I 5的位置来改变其与磁铁I 6之间的吸引力，通过调节调节杆II 11的位置来改变其与磁铁II 12之间的吸引力，以此来分别调节竖直夹具I 7和竖直夹具II 8对衬底9的压力，这样设计的优点是避免压力过大而撕裂衬底9；将活动夹具3及固定夹具13的托盘部分浸入储液池14中的保护液体的液面以下，将显微镜17移动至衬底9正上方150毫米位置，通过其对待测的细胞样品进行成像，并显示在计算机中，开启旋转马达2-2，使得偏心凸轮2-1绕其旋转轴旋转，从而导致推杆2-3运动，并通过推杆2-3带动连接块I2-5及活动夹具3在z方向进行往复运动，以此来对衬底9进行拉伸，由于沉积在衬底9表面的待测细胞样品受到衬底9表面的张力作用，因此也被拉伸。
调节拉伸的频率以及拉伸幅度的原理：通过改变旋转马达2-2的旋转频率来调节偏心凸轮2-1的转速，从而改变活动夹具3在z方向进行往复运动的频率，即对衬底9及其表面的待测的细胞样品进行拉伸的频率，通过调节弹簧2-6的弹性系数，能够改变在偏心凸轮2-1旋转的过程中推杆2-3末端的位移量，从而改变连接块I 2-5及活动夹具3在z方向进行往复运动的位移量，以此来改变对衬底9及其表面的待测的细胞样品进行拉伸的幅度。
所述一种生物样品的拉伸测试装置包括外壳1以及位于外壳1内的驱动器2、活动夹具3、活动臂I 4、调节杆I 5、磁铁I 6、竖直夹具I 7、竖直夹具II 8、衬底9、活动臂II 10、调节杆II 11、磁铁II 12、固定夹具13、储液池14、支撑台15、位移台16、显微镜17、导轨I 18和导轨II 19，xyz为三维坐标系，外壳1具有若干操作窗口，储液池14中装有适应于细胞培养环境的保护液体，显微镜17通过电缆连接有计算机，位移台16、两根平行的导轨I 18和两根平行的导轨II 19均固定于外壳1内，导轨I 18和导轨II 19空间垂直，支撑台15位于位移台16的上面，位移台16能够使得支撑台15三维移动，储液池14固定于支撑台15的上面；活动夹具3包括水平臂部分和托盘部分，活动夹具3的水平臂部分与导轨II 19滑动连接，以将活动夹具3的移动限制在z方向，活动夹具3的托盘部分连接于其水平臂部分的侧下方，活动夹具3的托盘部分为xz水平面内的正方形并伸入储液池14内；活动臂I 4的一端铰接于活动夹具3水平臂部分的上面、另一端与竖直夹具I 7的顶端通过螺丝连接，磁铁I 6固定于活动夹具3水平臂部分的上面，调节杆I 5螺纹连接贯穿于活动臂I 4，并相对于活动臂I 4在y方向的位置能够上下调节，能够使得调节杆I 5的下端位于磁铁I 6上方的5毫米到10毫米的范围处；固定夹具13固定于支撑台15的一侧，固定夹具13包括水平臂部分和托盘部分，固定夹具13的托盘部分连接于其水平臂部分的侧下方，固定夹具13的托盘部分为xz水平面内的正方形并伸入储液池14内，活动臂II 10的一端铰接于固定夹具13水平臂部分的上面、另一端与竖直夹具II 8的顶端通过螺丝连接，磁铁II 12固定于固定夹具13水平臂部分的上面，调节杆II 11螺纹连接贯穿于活动臂II 10，并相对于活动臂II 10在y方向的位置能够上下调节，能够使得活动臂II 10的下端位于磁铁II 12上方的5毫米到10毫米的范围处；衬底9是长方形硅氧烷薄膜，衬底9的一端通过竖直夹具I 7的下端压接于活动夹具3的托盘部分上面、另一端通过竖直夹具II 8的下端压接于固定夹具13的托盘部分上面，竖直夹具I 7和竖直夹具II 8均为片状结构；显微镜17的位置能够调节并能够在计算机上显示并记录采集得到的图像；驱动器2包括偏心凸轮2-1、旋转马达2-2、推杆2-3、轴承2-4、连接块I 2-5、弹簧2-6、连接块II 2-7和滑块2-8，偏心凸轮2-1、推杆2-3、轴承2-4和连接块I 2-5为凸轮-推杆结构，偏心凸轮2-1和轴承2-4分别与推杆2-3的两侧滑动接触，偏心凸轮2-1是直径为20毫米的圆盘，偏心凸轮2-1的旋转轴偏离其圆心为5毫米，通过旋转马达2-2带动偏心凸轮2-1绕其旋转轴旋转，旋转马达2-2的旋转频率能够在0.1Hz到10Hz范围调节；连接块I 2-5的一端连接有能够自由旋转的轴承2-4、另一端与活动夹具3固定连接；推杆2-3的一端铰接于连接块II 2-7且与连接块II 2-7之间连接有弹簧2-6，弹簧2-6的弹性系数可调节，连接块II2-7的一端铰接于滑块2-8，滑块2-8与导轨I 18滑动连接，以将滑块2-8的移动方向限制在x方向；外壳1为长方体形状的金属腔体；活动夹具3由钛制成，活动夹具3托盘部分的边长为10毫米，固定夹具13由钛制成，固定夹具13托盘部分的边长为10毫米；竖直夹具I 7和竖直夹具118均由特氟龙材料制成；衬底9的长度为20毫米、宽度为10毫米；弹簧2-6的弹性系数范围为10牛/米到50牛/米。
本发明装置具有特殊的驱动机构及夹具结构，能够对亚细胞尺度的生物细胞样品进行单轴的动态拉伸，并通过原位成像来研究细胞特性，拉伸频率及拉伸幅度的可调范围较大。
Claims (6)
1.一种生物样品的拉伸测试装置，包括外壳(1)以及位于外壳(1)内的驱动器(2)、活动夹具(3)、活动臂I(4)、调节杆I(5)、磁铁I(6)、竖直夹具I(7)、竖直夹具II(8)、衬底(9)、活动臂II(10)、调节杆II(11)、磁铁II(12)、固定夹具(13)、储液池(14)、支撑台(15)、位移台(16)、显微镜(17)、导轨I(18)和导轨II(19)，xyz为三维坐标系，外壳(1)具有若干操作窗口，储液池(14)中装有适应于细胞培养环境的保护液体，显微镜(17)通过电缆连接有计算机，
其特征是：位移台(16)、两根平行的导轨I(18)和两根平行的导轨II(19)均固定于外壳(1)内，导轨I(18)和导轨II(19)空间垂直，支撑台(15)位于位移台(16)的上面，位移台(16)能够使得支撑台(15)三维移动，储液池(14)固定于支撑台(15)的上面；活动夹具(3)包括水平臂部分和托盘部分，活动夹具(3)的水平臂部分与导轨II(19)滑动连接，以将活动夹具(3)的移动限制在z方向，活动夹具(3)的托盘部分连接于其水平臂部分的侧下方，活动夹具(3)的托盘部分为xz水平面内的正方形并伸入储液池(14)内；活动臂I(4)的一端铰接于活动夹具(3)水平臂部分的上面、另一端与竖直夹具I(7)的顶端通过螺丝连接，磁铁I(6)固定于活动夹具(3)水平臂部分的上面，调节杆I(5)螺纹连接贯穿于活动臂I(4)，并相对于活动臂I(4)在y方向的位置能够上下调节，能够使得调节杆I(5)的下端位于磁铁I(6)上方的5毫米到10毫米的范围处；固定夹具(13)固定于支撑台(15)的一侧，固定夹具(13)包括水平臂部分和托盘部分，固定夹具(13)的托盘部分连接于其水平臂部分的侧下方，固定夹具(13)的托盘部分为xz水平面内的正方形并伸入储液池(14)内，活动臂II(10)的一端铰接于固定夹具(13)水平臂部分的上面、另一端与竖直夹具II(8)的顶端通过螺丝连接，磁铁II(12)固定于固定夹具(13)水平臂部分的上面，调节杆II(11)螺纹连接贯穿于活动臂II(10)，并相对于活动臂II(10)在y方向的位置能够上下调节，能够使得活动臂II(10)的下端位于磁铁II(12)上方的5毫米到10毫米的范围处；衬底(9)是长方形硅氧烷薄膜，衬底(9)的一端通过竖直夹具I(7)的下端压接于活动夹具(3)的托盘部分上面、另一端通过竖直夹具II(8)的下端压接于固定夹具(13)的托盘部分上面，竖直夹具I(7)和竖直夹具II(8)均为片状结构；显微镜(17)的位置能够调节并能够在计算机上显示并记录采集得到的图像；
驱动器(2)包括偏心凸轮(2-1)、旋转马达(2-2)、推杆(2-3)、轴承(2-4)、连接块I(2-5)、弹簧(2-6)、连接块II(2-7)和滑块(2-8)，偏心凸轮(2-1)、推杆(2-3)、轴承(2-4)和连接块I(2-5)为凸轮-推杆结构，偏心凸轮(2-1)和轴承(2-4)分别与推杆(2-3)的两侧滑动接触，偏心凸轮(2-1)是直径为20毫米的圆盘，偏心凸轮(2-1)的旋转轴偏离其圆心为5毫米，通过旋转马达(2-2)带动偏心凸轮(2-1)绕其旋转轴旋转，旋转马达(2-2)的旋转频率能够在0.1Hz到10Hz范围调节；连接块I(2-5)的一端连接有能够自由旋转的轴承(2-4)、另一端与活动夹具(3)固定连接；推杆(2-3)的一端铰接于连接块II(2-7)且与连接块II(2-7)之间连接有弹簧(2-6)，弹簧(2-6)的弹性系数可调节，连接块II(2-7)的一端铰接于滑块(2-8)，滑块(2-8)与导轨I(18)滑动连接，以将滑块(2-8)的移动方向限制在x方向。
2.根据权利要求1所述的一种生物样品的拉伸测试装置，其特征是：外壳(1)为长方体形状的金属腔体。
3.根据权利要求1所述的一种生物样品的拉伸测试装置，其特征是：活动夹具(3)由钛制成，活动夹具(3)托盘部分的边长为10毫米，固定夹具(13)由钛制成，固定夹具(13)托盘部分的边长为10毫米。
4.根据权利要求1所述的一种生物样品的拉伸测试装置，其特征是：竖直夹具I(7)和竖直夹具II(8)均由特氟龙材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种生物样品的拉伸测试装置，其特征是：衬底(9)的长度为20毫米、宽度为10毫米。
6.根据权利要求1所述的一种生物样品的拉伸测试装置，其特征是：弹簧(2-6)的弹性系数范围为10牛/米到50牛/米。
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