CN111046590B - 一种诱导神经细胞定向生长的生物微支架可控型加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种诱导神经细胞定向生长的生物微支架可控型加工方法，属于机器人微加工技术领域。通过分析水凝胶在不同环境条件下的固化程度确定理论关系式，通过数字全息技术获取已加工微支架形态数据并将数据代入所述理论关系式得到环境条件，对不同环境条件数据进行所述区域划分，根据实际需求参照上述关系式确定所需环境条件，构建精准神经细胞微支架，通过前期模型的建立和计算得到后续加工所需要的环境条件，使得后续微支架加工环境控制更加精确，微支架成型过程可控，加工得到的微支架更能满足人的需求，同时可以避免加工过程中对神经细胞活性的破坏。

Description

一种诱导神经细胞定向生长的生物微支架可控型加工方法
技术领域
本发明属于机器人微加工技术领域，具体来说是一种诱导神经细胞定向生长的生物微支架可控型加工方法。
背景技术
神经细胞人造微支架在组织工程和生物医学工程中发挥着越来越重要的作用。目前已经证实有多种制备不同形态神经细胞微支架的方法，其中，以不同种类的水凝胶为基础，构建不同刚度的神经细胞外基质、改变神经细胞承载微结构的形状、分析神经细胞外基质的组成成分等方法为神经细胞微支架的制备提供了有效途径。一般情况下，对于神经细胞微支架，要求其在制造过程中表面形态保持稳定，然而，由于生物材料的特性，制备出的微支架持久性较低，产生诸如收缩等特征变化，因此，该类方法无法修改或重建出目的模型微尺度下的表面特征。
除此之外，以PEGDA水凝胶为基础，采用三维生物打印技术构建仿生支架材料的研究也较为普遍。但在该种方法制备过程中，喷涂打印原料所产生的剪切应力会影响神经细胞的活性，而这对于提供适宜的生化环境使神经细胞实现生物功能极为重要。为了实现神经细胞微支架制备过程中局部表面形态形成过程可控，需要一种更精确的新型神经细胞微支架理论加工方法。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于解决现有的神经细胞人造微支架加工难以对局部表面形态形成过程进行控制的问题。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种诱导神经细胞定向生长的生物微支架可控型加工方法，通过分析水凝胶在不同环境条件下的固化程度确定理论关系式，通过数字全息技术获取已加工微支架形态数据并将数据代入所述理论关系式得到环境条件，对不同环境条件数据进行所述区域划分，根据实际需求参照上述关系式确定所需环境条件，构建精准神经细胞微支架。
优选的，所述方法具体包括如下步骤：
S100、建模，通过分析水凝胶在不同环境条件下的固化程度确定理论关系式；
S200、全息测量，通过数字全息技术获取已加工微支架形态数据；
S300、环境分析，将已加工微支架形态数据与理论关系式配合计算得到微支架深度系数，并根据待加工微支架的几何外形加工需求计算得到光强分布情况；
S400、区域划分，对不同光强分布区域进行划分并编号；
S500、模具构建，根据待加工微支架的几何外形和光强分布情况进行水凝胶固化形成目的微支架模具。
优选的，所述步骤S100具体包括：
S110：在载物台上放置适量水凝胶，在相同曝光时间t下给定不同紫外线照射强度I1、I2、I3，水凝胶分别不同深度固化；
S120：得到光强I与水凝胶固化深度H关系曲线I-H，可求出关系式f1；
S130：在载物台上重新放置适量水凝胶，进行紫外线照射，在相同光强I下给定不同曝光时间t1、t2、t3，水凝胶分别不同深度固化；
S140：得到曝光时间t与水凝胶固化深度H关系曲线t-H，可求出关系式f2；
S150：结合f1与f2得到水凝胶固化深度H与光强I、曝光时间t的关系式f3。
优选的，所述S200具体为：
S210、建立测量系统，打开激光光源，在光源后设置物镜、针孔、光阑、凸透镜，从而将光束进行准直，聚焦至半波片，改变偏振方向；
S220、测量，透过半波片的光束经偏振分束器获得理想的两束正交线偏振光，一束透射过物体形成物光，另一束为参考光，经半波片旋转偏振方向。两束光经过分束器重叠干涉形成全息图；
S230、分析，采用高精度电荷耦合装置对全息图进行数字采样，并通过数字全息重建获得水凝胶固化深度数据，代入f3，已知曝光时间，得到光强分布。
优选的，所述步骤S400具体为将具有相同光强分布的光波区域统一定义为一个区域，并对其进行编号。
优选的，所述步骤S500具体为：
S510、计算；根据待加工微支架的几何外形加工需求，可测得各区域深度，结合建模步骤中确立的关系式f1、f2及f3确定不同区域的曝光时间及光照强度；
S520、固化，在步骤S510计算得到的曝光时间及光照强度条件下，水凝胶固化形成目的微支架模具。
优选的，所述步骤S210中的测量系统包括计算机、与计算机连接的CCD和激光光源，所述激光光源的发射方向与所述CCD的接收方向相互垂直，所述激光光源和CCD之间设有偏振分束器，所述偏振分束器将激光光源偏振形成两束正交线偏振光为光束A和光束B，所述偏振分束器与CCD之间设有偏光镜一和偏光镜二，所述偏光镜一将光束A偏光90°得到光束A1，光束A1的方向与CCD的接收方向位于同一直线，偏光镜一与所述CCD之间设有分束器，所述偏光镜二18将光束B偏光90°得到光束B1，所述光束B1的方向正对所述分束器，所述分束器在接收光束B1的背侧设有紫外线光源，所述紫外线光源的照射方向正对所述分束器。
优选的，所述激光光源与偏振分束器之间设有物镜二、针孔、光阑、凸透镜和半波片一，所述物镜二、针孔、光阑、凸透镜和半波片一沿着激光光源的光线方向依次设置。
优选的，所述偏振分束器和偏光镜二之间设有载物台，该载物台上设有水凝胶，所述载物台与所述分束器之间设有物镜三。
优选的，所述偏光镜一和所述分束器之间设有物镜一。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明的一种诱导神经细胞定向生长的生物微支架可控型加工方法，通过分析水凝胶在不同环境条件下的固化程度确定理论关系式，通过数字全息技术获取已加工微支架形态数据并将数据代入所述理论关系式得到环境条件，对不同环境条件数据进行所述区域划分，根据实际需求参照上述关系式确定所需环境条件，构建精准神经细胞微支架，通过前期模型的建立和计算得到后续加工所需要的环境条件，使得后续微支架加工环境控制更加精确，微支架成型过程可控，加工得到的微支架更能满足人的需求，同时可以避免加工过程中对神经细胞活性的破坏。
附图说明
图1为本发明的一种诱导神经细胞定向生长的生物微支架可控型加工方法的系统结构示意图。
图中：1、计算机；2、紫外线光源；3、物镜一；4、偏振分束器；5、半波片一；6、凸透镜；7、CCD；8、分束器；9、物镜三；10、水凝胶；11、载物台；12、光阑；13、针孔；14、物镜二；15、激光光源；16、半波片二；17、偏光镜一；18、偏光镜二。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
参照附图1，本实施例的一种诱导神经细胞定向生长的生物微支架可控型加工方法，通过分析水凝胶在不同环境条件下的固化程度确定理论关系式，通过数字全息技术获取已加工微支架形态数据并将数据代入所述理论关系式得到环境条件，对不同环境条件数据进行所述区域划分，根据实际需求参照上述关系式确定所需环境条件，构建精准神经细胞微支架，通过前期模型的建立和计算得到后续加工所需要的环境条件，使得后续微支架加工环境控制更加精确，微支架成型过程可控，加工得到的微支架更能满足人的需求，同时可以避免加工过程中对神经细胞活性的破坏。
本实施例的所述方法具体包括如下步骤：
S100、建模，通过分析水凝胶在不同环境条件下的固化程度确定理论关系式；
S200、全息测量，通过数字全息技术获取已加工微支架形态数据；
S300、环境分析，将已加工微支架形态数据与理论关系式配合计算得到微支架深度系数，并根据待加工微支架的几何外形加工需求计算得到光强分布情况；
S400、区域划分，对不同光强分布区域进行划分并编号；
S500、模具构建，根据待加工微支架的几何外形和光强分布情况进行水凝胶固化形成目的微支架模具。
其中，步骤S100具体包括：
S110：在载物台上放置适量水凝胶，在相同曝光时间t下给定不同紫外线照射强度I1、I2、I3，水凝胶分别不同深度固化，本实施例选择在相同曝光时间3s下给定不同紫外线照射强度1w、2w、3w，水凝胶分别不同深度固化；
S120：得到光强I与水凝胶固化深度H关系曲线I-H，可求出关系式f1；
S130：在载物台上重新放置适量水凝胶，进行紫外线照射，在相同光强3w下给定不同曝光时间3s、6s、9s，水凝胶分别不同深度固化；
S140：得到曝光时间t与水凝胶固化深度H关系曲线t-H，可求出关系式f2；
S150：结合f1与f2得到水凝胶固化深度H与光强I、曝光时间t的关系式f3。
其中，所述S200具体为：
S210、建立测量系统，打开激光光源，在光源后设置物镜、针孔、光阑、凸透镜，从而将光束进行准直，聚焦至半波片，改变偏振方向；
S220、测量，透过半波片的光束经偏振分束器获得理想的两束正交线偏振光，一束透射过物体形成物光，另一束为参考光，经半波片旋转偏振方向。两束光经过分束器重叠干涉形成全息图；
S230、分析，采用高精度电荷耦合装置(CCD)对全息图进行数字采样，并通过数字全息重建获得水凝胶固化深度数据，代入f3，已知曝光时间，得到光强分布。
其中，所述步骤S400具体为将具有相同光强分布的光波区域统一定义为一个区域，并对其进行编号。
其中，所述步骤S500具体为：
S510、计算；根据待加工微支架的几何外形加工需求，可测得各区域深度，结合建模步骤中确立的关系式f1、f2及f3确定不同区域的曝光时间及光照强度；
S520、固化，在步骤S510计算得到的曝光时间及光照强度条件下，水凝胶固化形成目的微支架模具。
其中，所述步骤S210中的测量系统包括计算机1、与计算机1连接的CCD7和激光光源15，所述激光光源15的发射方向与所述CCD7的接收方向相互垂直，所述激光光源15和CCD7之间设有偏振分束器4，所述偏振分束器4将激光光源15偏振形成两束正交线偏振光为光束A和光束B，所述偏振分束器4与CCD7之间设有偏光镜一17和偏光镜二18，所述偏光镜一17将光束A偏光90°得到光束A1，光束A1的方向与CCD7的接收方向位于同一直线，偏光镜一17与所述CCD7之间设有分束器8，所述偏光镜二18将光束B偏光90°得到光束B1，所述光束B1的方向正对所述分束器8，所述分束器8在接收光束B1的背侧设有紫外线光源2，所述紫外线光源2的照射方向正对所述分束器8。
其中，所述激光光源15与偏振分束器4之间设有物镜二14、针孔13、光阑12、凸透镜6和半波片一5，所述物镜二14、针孔13、光阑12、凸透镜6和半波片一5沿着激光光源15的光线方向依次设置。
其中，所述偏振分束器4和偏光镜二18之间设有载物台11，该载物台11上设有水凝胶10，所述载物台11与所述分束器8之间设有物镜三9，所述偏光镜一17和所述分束器8之间设有物镜一3。
系统的操作方法为打开激光光源15，在光源后设置物镜14、针孔13、光阑12、凸透镜6，从而将光束进行准直，聚焦至半波片一5，改变偏振方向。然后透过半波片一的光束经偏振分束器4获得理想的两束正交线偏振光，一束被物体反射形成物体光束，另一束为参考光束，经半波片二16旋转偏振方向。两束光经过分束器8重叠干涉形成全息图。
以上所述实施例仅表达了本发明的某种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种诱导神经细胞定向生长的生物微支架可控型加工方法，其特征在于：通过分析水凝胶在不同环境条件下的固化程度确定理论关系式，通过数字全息技术获取已加工微支架形态数据并将数据代入所述理论关系式得到环境条件，对不同环境条件数据进行区域划分，根据实际需求参照上述关系式确定所需环境条件，构建精准神经细胞微支架；
所述方法具体包括如下步骤：
S100、建模，通过分析水凝胶在不同环境条件下的固化程度确定理论关系式；
具体步骤为：
S110：在载物台上放置适量水凝胶，在相同曝光时间t下给定不同紫外线照射强度I1、I2、I3，水凝胶分别不同深度固化；
S120：得到光强I与水凝胶固化深度H关系曲线I-H，可求出关系式f1；
S130：在载物台上重新放置适量水凝胶，进行紫外线照射，在相同光强I下给定不同曝光时间t1、t2、t3，水凝胶分别不同深度固化；
S140：得到曝光时间t与水凝胶固化深度H关系曲线t-H，可求出关系式f2；
S150：结合f1与f2得到水凝胶固化深度H与光强I、曝光时间t的关系式f3；
S200、全息测量，通过数字全息技术获取已加工微支架形态数据；
S300、环境分析，将已加工微支架形态数据与理论关系式配合计算得到微支架深度系数，并根据待加工微支架的几何外形加工需求计算得到光强分布情况；
S400、区域划分，对不同光强分布区域进行划分并编号；
S500、模具构建，根据待加工微支架的几何外形和光强分布情况进行水凝胶固化形成目的微支架模具。
2.根据权利要求1所述的一种诱导神经细胞定向生长的生物微支架可控型加工方法，其特征在于，所述S200具体为：
S210、建立测量系统，打开激光光源，在光源后设置物镜、针孔、光阑、凸透镜，从而将光束进行准直，聚焦至半波片，改变偏振方向；
S220、测量，透过半波片的光束经偏振分束器获得理想的两束正交线偏振光，一束透射过物体形成物光，另一束为参考光，经半波片旋转偏振方向， 两束光经过分束器重叠干涉形成全息图；
S230、分析，采用高精度电荷耦合装置(CCD)对全息图进行数字采样，并通过数字全息重建获得水凝胶固化深度数据，代入f3，已知曝光时间，得到光强分布。
3.根据权利要求2所述的一种诱导神经细胞定向生长的生物微支架可控型加工方法，其特征在于，所述步骤S400具体为将具有相同光强分布的光波区域统一定义为一个区域，并对其进行编号。
4.根据权利要求2所述的一种诱导神经细胞定向生长的生物微支架可控型加工方法，其特征在于，所述步骤S500具体为：
S510、计算；根据待加工微支架的几何外形加工需求，可测得各区域深度，结合建模步骤中确立的关系式f1、f2及f3确定不同区域的曝光时间及光照强度；
S520、固化，在步骤S510计算得到的曝光时间及光照强度条件下，水凝胶固化形成目的微支架模具。
5.根据权利要求2所述的一种诱导神经细胞定向生长的生物微支架可控型加工方法，其特征在于，所述步骤S210中的测量系统包括计算机(1)、与计算机(1)连接的CCD(7)和激光光源(15)，所述激光光源(15)的发射方向与所述CCD(7)的接收方向相互垂直，所述激光光源(15)和CCD(7)之间设有偏振分束器(4)，所述偏振分束器(4)将激光光源(15)偏振形成两束正交线偏振光为光束A和光束B，所述偏振分束器(4)与CCD(7)之间设有偏光镜一(17)和偏光镜二(18)，所述偏光镜一(17)将光束A偏光90°得到光束A1，光束A1的方向与CCD (7)的接收方向位于同一直线，偏光镜一(17)与所述CCD(7)之间设有分束器(8)，所述偏光镜二(18)将光束B偏光90°得到光束B1，所述光束B1的方向正对所述分束器(8)，所述分束器(8)在接收光束B1的背侧设有紫外线光源(2)，所述紫外线光源(2)的照射方向正对所述分束器(8)。
6.根据权利要求5所述的一种诱导神经细胞定向生长的生物微支架可控型加工方法，其特征在于：所述激光光源(15)与偏振分束器(4)之间设有物镜二(14)、针孔(13)、光阑(12)、凸透镜(6)和半波片一(5)，所述物镜二(14)、针孔(13)、光阑(12)、凸透镜(6)和半波片一(5)沿着激光光源(15)的光线方向依次设置。
7.根据权利要求5所述的一种诱导神经细胞定向生长的生物微支架可控型加工方法，其特征在于：所述偏振分束器(4)和偏光镜二(18)之间设有载物台(11)，该载物台(11)上设有水凝胶(10)，所述载物台(11)与所述分束器(8)之间设有物镜三(9)。
8.根据权利要求5所述的一种诱导神经细胞定向生长的生物微支架可控型加工方法，其特征在于：所述偏光镜一(17)和所述分束器(8)之间设有物镜一(3)。
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