CN115125122A - 单细胞三维动态力学刺激装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于细胞力学刺激技术领域，具体是一种单细胞三维动态力学刺激装置。包括拉伸单元、控制单元以及模块单元，其中拉伸单元收到控制单元产生的信号，带动模块单元产生周期性的位移运动，实现模块单元在水平位置上的来回往复运动，对模块单元进行拉伸或者压缩；控制单元通过控制拉伸单元作用力的大小、位移以及运动方向实现拉伸单元对模块单元的拉伸作用，控制单元同步反馈拉伸单元作用力的大小、位移以及运动方向。
Description
技术领域
本发明属于细胞力学刺激技术领域，具体是一种单细胞三维动态力学刺激装置。
背景技术
细胞是生物体基本的结构和功能单位，个体发育过程中无数功能及形态各异的细胞形成了不同的组织和器官。人体内的细胞由于各种器官的功能、运动和生长而受到持续的、周期性的机械应变。众所周知，细胞具有感知机械刺激并对其做出响应的能力，这个过程被称为力转导（mechanotransduction）。细胞在这个复杂的过程中不仅受到遗传物质的调控，还受到细胞外基质（extracellularmatrix,ECM）微环境中各种力学信号的调节，如基质力学特性、基质拓扑形状和基质动态应变等。为了反演组织内细胞微力学环境，生物医学、生物力学、生物材料力学等多学科的科学家们试图在体外对细胞作用生理相关的力学刺激，如周期性应变。这些细胞水平的力学刺激对于揭示胚胎发育、组织形成和疾病发生的力学生物学机制极为重要。特别是对于那些与生物力学因素密切相关的组织，如骨关节、心血管等组织，力学刺激是认识其生理学和病理学机制的重要因素。
目前，商业化和自主研发的细胞机械应变刺激装置通过在硅胶膜施加动态拉伸或压缩应变来实现对细胞的力学刺激。如常用的Flexell、STREX机械应变刺激装置可用于研究细胞对不同幅度、波形和频率的单轴和双轴拉伸的响应。尽管这些装置在细胞培养系统中引入了力学因素，而且在一定程度上提高了细胞功能和表型的维持，但与原位细胞生物学行为和功能相比，细胞会逐渐平面化、异常分化并失去分化表型。传统观念商业和自行设计的机械应变刺激装置的共同特点是群体细胞的二维平面应变刺激，无法反演组织内细胞在ECM中的三维形态动态变化。当前细胞机械应变刺激装置忽略了特定组织细胞特殊力学为环境。如膝关节软骨受生理载荷作用时，软骨细胞在组织中发生单细胞形态动态变化的过程。
近几年，单细胞形态和力学定量分析是精准深入揭示细胞感受和响应基质力学微环境的重要手段，如细胞在不同基底中的细胞牵引力分析、细胞感受基质微环境的分子机制以及细胞力感受器（integral、力敏感离子通道TRPV4和PIEZO和初级纤毛等）调控机制。然而，目前仍然缺乏能够近似反演细胞在体三维形态动态变化机械刺激装置。因此，现有机械应变刺激装置无法研究与健康和疾病相关的细胞形态变化对细胞功能和关键力感受器的调控机制。
中国专利申请CN214781906U公开了一种改良细胞静态拉伸装置，然而该方法只能用于二维静态拉伸装置中，并不能实现单个细胞的三维动态拉伸和压缩，且在增加力的过程中无法确保力的稳定性。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供一种单细胞三维动态力学刺激装置。
本发明采取以下技术方案：一种单细胞三维动态力学刺激装置，包括拉伸单元、控制单元以及模块单元，其中拉伸单元收到控制单元产生的信号，带动模块单元产生周期性的位移运动，实现模块单元在水平位置上的来回往复运动，对模块单元进行拉伸或者压缩；控制单元通过控制拉伸单元作用力的大小、位移以及运动方向实现拉伸单元对模块单元的拉伸作用，控制单元同步反馈拉伸单元作用力的大小、位移以及运动方向。
进一步的，模块单元包括外侧模板和内侧模板，其中外侧模板为长方体结构，长方体结构上侧的中心设置有凹陷区域，所述的内侧模板平铺在凹陷区域内，内侧模板上设置排列整齐的3D微环境，3D微环境内种植细胞3D。
进一步的，外侧模板的制作如下：将配制的PDMS倒入定制模具内，在烘箱中固化形成外侧模块。
进一步的，内侧模板的制作如下：采用软光刻技术，利用匀胶机在硅片表面甩涂光阻试剂光刻胶，制作成光刻掩模，把掩膜置于光阻试剂光刻胶上方，紫外光通过掩膜照射光阻试剂光刻胶，由于掩模上形状是非透明，而形状以外是透明部分，掩模透明部分下方光阻试剂光刻胶经曝光被溶解掉，而未被曝光部分就是用于制作3D微环境的形状，最后，用有机溶剂去除没有交联的光阻试剂光刻胶以此作为光刻胶底板；在离心管中，按照一定体积比混合PDMS与固化剂，经800rpm 离心5分钟后，均匀滴入硅片底板上，静置铺展后，70℃、10小时固化后，从硅片底板边缘处将其剥离硅片，此时PDMS表面印有设计的3D微环境的形状。
进一步的，3D微环境为圆柱型槽体，圆柱型槽体为细胞提供3D微环境，3D微环境横截面面积为153.9µm²，深度为8µm，在内侧模板受力发生形变过程中3D微环境体积保持1230.9µm³不变，相邻两3D微环境横向和纵向间距小于等于6µm，3D微环境形成模式图案阵列。
进一步的，拉伸单元包括直线步进电机、联轴器、滚珠丝杆以及直线导轨，直线步进电机通过联轴器和滚珠丝杠连接，滚珠丝杠前端安装有挤压台，挤压台底部安装直线导轨上，挤压台上设置多组模块单元，模块单元另一侧与固定台面接触连接，直线步进电机收到控制单元产生的信号，沿着直线导轨带动模块单元产生周期性的位移运动，实现在水平位置上的来回往复运动，对模块单元进行拉伸或者压缩。
进一步的，控制单元包括编程控制器、驱动电路以及计算机，计算机与编程控制器连接，编程控制器与驱动电路连接，驱动电路与直线步进电机连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供单细胞特定三维形态动态刺激，在单细胞水平分析细胞三维形态变化对细胞功能、表型和离子通道的研究，使研究结果更具有生理意义，促进对与健康和疾病相关的细胞形态变化对细胞功能和关键力感受器的调控机制的研究。
2、对比群体细胞的二维平面应变刺激培养，本发明不仅实现单个细胞的三维动态培养，提高了细胞功能和表型的维持，避免细胞平面化、异常分化并失去分化表型；还实现单细胞形态和力学定量分析，为精准深入揭示细胞感受和响应基质力学微环境提供重要手段。
3、本发明提供了一种单细胞三维动态力学刺激装置，反演组织内细胞微力学环境，模拟单个细胞在体三维不同力刺激状态，为生物医学、生物力学、生物材料力学等多学科科学家研究细胞水平生理相关的力学刺激；揭示胚胎发育、组织形成和疾病发生的力学生物学机制提供较高水平的仿真态模拟环境。
4、本发明可以控制拉伸循环次数和模块到大指定坐标位置，按需要灵活组合编程（可实现各种复杂运行：定位控制和非定位控制），可控范围和精度大大提高；操作界面中文化，利用电脑填表式编程或示教编程,用中文指令方便直观，操作界面更加人性化。
5、本发明采用直线步进电机和控制单元的结合，实现装置自动化和智能化，减少了装置体积，操作可靠性、安全性大大提高，增加应力稳定性，使细胞受力均匀，不易破裂。
附图说明
图1为外壳结构示意图；
图2为拉伸单元结构示意图；
图3为拉伸单元俯视图；
图4为单细胞三维动态力学刺激装置外部示意图；
图5为拉伸模块示意图；
图6为掩膜示意图；
图7为PDMS3D微环境模式化制作流程；
图8为PDMS制备的不同三维形状电镜图；
图9为PDMS制备的不同三维形状剖面电镜图；
图中，1-外壳，1.1-固定台面，2-盖板，3-模块单元，3.1-内侧模板，3.2-外侧模板，4-直线步进电机，5-联轴器，6-滚珠丝杠，7-直线导轨，8-挤压台。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明图1至图7对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，下述实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；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所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
具体技术方案如下：单细胞三维动态力学刺激装置包括：拉伸单元、控制单元以及模块单元，其中拉伸单元收到控制单元产生的信号，带动模块单元产生周期性的位移运动，实现模块单元在水平位置上的来回往复运动，对模块单元进行拉伸或者压缩；控制单元通过控制拉伸单元作用力的大小、位移以及运动方向实现拉伸单元对模块单元的拉伸作用，控制单元同步反馈拉伸单元作用力的大小、位移以及运动方向。
拉伸单元：如图2、3所示，该单元主要由直线步进电机4、联轴器5、滚珠丝杆6以及直线导轨7等组成，直线步进电机4通过联轴器5和滚珠丝杠6连接，滚珠丝杠6前端安装有挤压台8，挤压台8底部安装直线导轨7上，挤压台8上设置多组模块单元，模块单元设置在挤压台8上，随挤压台8移动，挤压台8另一侧为开口，模块单元对应开口这一侧延伸出挤压台8外侧，模块单元另一侧与固定台面1.1接触连接，挤压台8与固定台面1.1共同作用挤压模块单元。收到控制单元产生的信号后，沿着直线导轨7带动模块单元产生周期性的位移运动，实现在水平位置上的来回往复运动，对模块单元进行拉伸或者压缩，实现了单细胞特定三维形态动态刺激。
相比传统的静态培养，本装置拉伸单元实现了细胞的动态培养，更接近细胞真实生理力学微环境；采用直线步进电机，结构上更加简单，体积明显减少，精度大大提高。
直线步进电机4、联轴器5、滚珠丝杆6、直线导轨7以及挤压台8设置在外壳1内，固定台面1.1设置在外壳1上，挤压台8安装的模块单元在挤压台8与外壳1之间，挤压台8往复运动时，模块单元受到挤压台8与外壳1的挤压而发生变形。
控制单元：该单元主要由三轴联动可编程控制器、驱动电路以及人机操作界面三部分组成，三轴联动可编程控制器内含多种指令，功能强大，可同时控制三个步进驱动器或伺服驱动器，简单方便地实现三个电机的联动运动。按需要灵活组合编程（可实现各种复杂运行：定位控制和非定位控制），不懂PLC也可以快速上手。利用电脑填表式编程或示教编程，用中文指令方便直观，通过连接在装置上的软件输入作用力的大小、位移以及运动方向等工作参数即可实现拉伸单元对模块单元的拉伸作用，同时可以指定坐标位置和进行拉伸循环设定，控制应力对细胞形变的影响，拉伸模块作用结束后，这些工作参数会同步反馈到计算机上，实现实验数据的高度准确。
模块单元：本实施例共设置有四个相同模块单元，每个模块单元皆由外侧模块和内侧模板组成。
外侧模块的制作如下：将按照一定比例配制的PDMS倒入定制模具内（根据实验所要求的的基底硬度可以自行更改比例以及基底材料，制作更具灵活性），在烘箱中固化形成外侧模块。其中，拉伸模具各部分结构及尺寸参数；外侧模块长60mm宽30mm高20mm，其上侧中心为长方体凹陷区域，长30mm宽20mm高15mm。
内侧模板的制作如下：采用软光刻技术，利用匀胶机在硅片表面甩涂光阻试剂光刻胶，制作光刻掩模，把掩膜置于光阻试剂光刻胶上方。紫外光(UV)通过掩膜照射光阻试剂光刻胶，因为掩模上形状是非透明，而形状以外是透明部分（掩膜上的圆和椭圆（3D微环境形状）按照一定距离规则分布，有圆或者其他形状的部分为不透明的，其他没有圆的区域为透明的，透明部分经过曝光会被溶解，从而只剩下有形状的地方，然后在此掩膜硅板上倒入PDMS可以形成有规则的3D微环境），所以掩模透明部分下方光阻试剂光刻胶经曝光被溶解掉，而未被曝光部分就是我们将来用于制作3D微环境的形状。最后，用有机溶剂去除没有交联的光阻试剂光刻胶以此作为光刻胶底板。掩膜板为掩膜最上面部分，为带有形状的，区分透明和不透明部分区域的结构；光刻掩膜指紫外光通过掩膜照射后，留下的突起圆柱；紫外光照射后剩下的光阻试剂光刻胶+底部硅板为掩膜硅板。
在50ml 离心管中，按照一定体积比混合PDMS与固化剂（体积比根据实验要求可以更改比例（硬度）和材料，常用比例为1:10、1:20、1:50、1:70），经800rpm 离心5分钟后，均匀滴入硅片底板上，静置铺展后，70℃、10小时固化后，从硅片边缘处将其剥离硅片，此时PDMS表面印有设计的3D形状，其详细演示过程；内侧模板整体尺寸为长30mm宽20mm高低于15mm。离心管容积根据配制以及制作内侧模板所需PDMS体积确定，实验过程一般25ml即可，但离心管没有25ml规格所以使用50ml。离心转速和时间是实验经验所得，可以有效去除PDMS和固化剂混合液中的气泡并且不会使其固化，影响之后操作；70℃和10小时为固定条件，确保内侧模块凝固完整，拆模过程不会出现撕裂。
在外侧拉伸模块中心凹陷区域放置内侧模板，内侧模板上有排列整齐的3D微环境，可将细胞种植在此3D微环境内。内侧模板作为核心部分，不仅可以采用PDMS膜作为基底，还可以根据实验需求更换，为描述方便，本申请统一使用PDMS作为基底。通过多次测量软骨细胞体积，对内侧模板上的3D微环境参数进行了详细的计算。
具体参数如下：本申请中的3D微环境为圆柱体，此圆柱体为细胞提供3D微环境。3D微环境横截面面积为153.9µm²，深度为8-10µm，在内侧模板受力发生形变过程中3D微环境体积保持1230.9µm³不变，为增加软骨细胞进入3D微环境的概率，相邻两3D微环境横向和纵向间距（参考图6）不超过6µm，形成模式图案阵列。
采用上述方法制作的内侧模板使得3D微环境恰好容纳单个软骨细胞，对体积过大的非正常软骨细胞不包容；细胞和3D微环境之间不产生间隙，细胞完全贴合3D微环境生长，模拟体内生长环境；内侧模板3D微环境在受力拉升或压缩时保持体积不变，使细胞在体积不变的情况下受到力刺激，在3D微环境受力刺激时，会带动细胞整体受力产生形变，以此区分拓扑结构——在拓扑结构中，其和细胞之间非完全接触，所以在拓扑结构受力时，细胞局部受力形变，存在拓扑结构发生形变但是细胞整体没有变化的情况，不能模拟细胞在体三维受力状态，使细胞产生三维形变。在此内侧模板上的软骨细胞种植在3D微环境中，实现单细胞的培养，在此体积下的软骨细胞刚好可以种植在3D微环境内，不会和3D微环境产生间隙，3D微环境可以将细胞完全包裹，模拟软骨细胞在体内生存环境，且细胞之间不会发生相互作用和交流，可对单个软骨细胞的进行培养，模拟单个细胞在体三维不同状态。
综上所述，外侧模块在拉伸装置的应力作用下，对内侧模板产生力的作用，内侧模板将力作用在3D微环境中种植的细胞，细胞受到力刺激后产生拉伸或压缩形变。用于制作外侧模块的模具可拆分，前后均设有开口，便于倒入PDMS和用于拓印放置内侧模板的凹陷区域，实现内侧模板的拉伸区域。若实验室无菌条件足够允许，可以对单个细胞进行先随机种植后单个吸吮引导入3D微环境的方法提高细胞的着床率；若实验室条件有限，只对细胞进行随机种植，在后期的观察中，选择每个3D微环境中只有一个细胞的3D微环境进行研究即可，对于多细胞或无细胞的3D微环境不进行研究。区别于其他细胞三维动态拉伸装置，此装置不进行细胞的集体培养，也不依附于复合材料，让细胞完全进入3D微环境，对细胞进行三维培养，而不是种植在一个微小的但只是部分表面着床的环境中，实现真正意义上的三维培养，此外本装置将细胞固定在3D微环境中，对细胞形变的观察更加准确、直观和方便，连接拉伸装置即可实现单细胞的三维动态拉伸。细胞种植于PDMS模块中，可以实现多个样本的同时处理，形成对比实验，减少实验变量，增加工作效率；同时PDMS具有良好的化学稳定性、透光性、低表面能、高疏水性、高弹性模量等诸多性能优点，适用于细胞培养，对细胞形态变化的观察更加直观，此外，PDMS价格低廉易加工，可以减少经济成本，方便配制。拉伸装置直接作用在模块单元，对模块单元产生作用力，可以使细胞受力均匀，作用力大小不发生大的变化，不受容器（密度不均、力消除等）对力的影响，便于记录细胞受到作用力的实际大小，减少外界对实验的干扰，从而使细胞发生形变。
内侧模板其底部为平面结构，其体积大小固定为软骨细胞的平均体积，因为对3D微环境体积进行了严格的计算和控制，所以在此3D微环境内的细胞体积和3D微环境体积十分接近，软骨细胞会被基底完全包裹，接近软骨细胞在体内的微环境实现三维培养，在装置应力变化下，其形状发生变化，即可实现单细胞的三维动态拉伸装置。
本发明使用的3D微环境精度更高，可以使软骨细胞完全贴壁包裹在3D微环境内，而不是种植在底部的拓扑结构上，在拓扑结构内得到的是细胞图形化培养，但是本装置和拓扑结构不一样，实现的是细胞和体内一样的包裹状态，模拟软骨细胞的三维培养；同时本装置的3D微环境体积更小，为刚好容纳细胞的体积，完全限制了细胞的移动，不会和对比文件那样细胞在3D微环境和横纵沟槽内自由移动，产生多细胞聚集或者细胞簇等情况，这是一个完全独立的空间，仅有一个细胞再次3D微环境内生存。
本发明将模块单元和拉伸单元以及控制单元组成一个新的装置，在计算机的操作下，对控制单元下达命令，驱动拉伸单元对模块单元产生应力作用，便可以实现单细胞的三维动态拉伸，这是机械和生物医学工程的结合，不再仅仅是一个静态的培养装置，更促进软骨细胞单细胞形变对细胞影响的研究，反演软骨细胞体内环境。
本发明采用底座、驱动和PDMS模具三者的结合，将其分为控制单元、拉伸单元和模块单元等三个单元，实现单细胞的特定三维形态的动态培养，设计一种单细胞三维动态拉伸装置及其制作方法。该装置以单细胞形态控制培养为目标，以拉伸单元为连接，实现控制单元和模块单元的工作，利用驱动装置和电脑的连接实现对单细胞的动态拉伸，将细胞种植在按照生理环境中软骨细胞体积形态定制的PDMS基底模块单元中，通过电机驱动PDMS模块进行拉伸运动产生动态应变，使之作用于PDMS模块上的单细胞三维培养模板中的单个细胞，可以有效控制细胞受力大小和形态变化；模具倒模出模块作为细胞培养外环境，将细胞种植在另外一个具有恰好容纳单个软骨细胞的PDMS模块上，在将此PDMS模块附着在外侧模块的3D微环境中，即可实现单细胞的三维动态拉伸培养。
本发明的实际应用：
前期准备：按照试验要求制备一定硬度（PDMS和固化剂比例变化）的外侧模板和不同形状的内侧模板（模板制作方法如下所述），在超净台上将内侧模板裁剪为外侧模板中心凹陷区域大小并放入外侧模板中心凹陷区域，超净台上紫外照射杀菌待用；超净台上对整台机器进行紫外照射杀菌，转移至细胞间孵箱待用；双击下载器驱动安装，插入下载线到电脑，右击桌面我的电脑—硬件—设备管理器—端口。如出现Prolific USB-to-Serial CommPort(com4)端口,则安装成功，并记住端口号；下载线与控制器的连接：下载线背面标写GND 的插针线与控制器的GND插针对牢插入，TX对RX，RX对TX。
实验阶段：实验操作全程在无菌室内的超净台上进行。将Ⅰ型胶原滴入制作好、镶嵌内侧模板的外侧模板中，冰箱内4℃隔夜处理；第二天将Ⅰ型胶原抽走，滴入DMED（低糖培养基）清洗多余Ⅰ型胶原，清洗完后滴加一定体积DMEM在外侧模板中间凹陷区域，照射紫外两小时。两小时后抽掉DMEM，滴加培养液至外侧模板中间凹陷区域，将传代好的细胞悬浮液均匀滴加至外侧模板中间凹陷区域，使其尽可能落入内侧模板的凹槽内；将外侧模板放置在紫外照射后的装置上，关闭孵箱，对电脑进行操作使其进行循环拉伸。
电脑设置参数：根据实验需求对拉伸强度进行参数设置。
1，设定速度用模拟输入电位器调速，加速度200（电机从启动到转到最快时所需要的时间=3/加速度，单位秒）。
2，转动到指定坐标。上电时三个轴坐标都为 0，本指令需要X轴转到1.11，从原来的0转到 1.11，实际转动量1.11-0=1.11（正转 1.11 圈），同理 Y，Z 分别转 2.22，3.33。
3，上一步执行完后，坐标已不是0，而是 X1.11，Y2.22，z3.33。现第三行需要转动到 X0，Y0，Z0。也就是 X 轴需要从1.11转到0，实际转动量是0-1.11=-1.11（反转1.11圈），同理Y，Z分别转-2.22，-3.33。
4，是跳转到第一步，循环。
将上述程序程序写好后，写入控制器测试。
具体操作过程为：
1、确定初始位置：1.11*8=8.88（1.11为编辑界面中的一个单位并不是实际距离，一个单位1.11实际距离为5mm）为刚好对外侧模板（PDMS）不施加力的位置。规定为初始位置。
2、方向确定：由固定台面向挤压台方向移动为负，反之为正。如输入-1.11即挤压台向远离固定台面（底座）移动5mm。
3、操作过程：启动电源，使挤压台先移动到和固定台面贴合位置，设置第二行参数1为0，第三行参数1为-1.11，写控制器一次，读控制器七次使其到达初试位置，此时外侧模板不受力。根据实验要求输入第二行参数1和第三行参数1，即可实现循环拉伸。
Claims (7)
1.一种单细胞三维动态力学刺激装置，其特征在于：包括拉伸单元、控制单元以及模块单元，其中拉伸单元收到控制单元产生的信号，带动模块单元产生周期性的位移运动，实现模块单元在水平位置上的来回往复运动，对模块单元进行拉伸或者压缩；控制单元通过控制拉伸单元作用力的大小、位移以及运动方向实现拉伸单元对模块单元的拉伸作用，控制单元同步反馈拉伸单元作用力的大小、位移以及运动方向。
2.根据权利要求1所述的单细胞三维动态力学刺激装置，其特征在于：所述的模块单元包括外侧模板（3.1）和内侧模板（3.2），其中外侧模板（3.1）为长方体结构，长方体结构上侧的中心设置有凹陷区域，所述的内侧模板（3.2）平铺在凹陷区域内，内侧模板（3.2）上设置排列整齐的3D微环境，3D微环境内种植细胞3D。
3.根据权利要求2所述的单细胞三维动态力学刺激装置，其特征在于：所述的外侧模板的制作如下：将配制的PDMS倒入定制模具内，在烘箱中固化形成外侧模块。
4.根据权利要求2所述的单细胞三维动态力学刺激装置，其特征在于：所述的内侧模板的制作如下：采用软光刻技术，利用匀胶机在硅片表面甩涂光阻试剂光刻胶，制作成光刻掩模，把掩膜置于光阻试剂光刻胶上方，紫外光通过掩膜照射光阻试剂光刻胶，由于掩模上形状是非透明，而形状以外是透明部分，掩模透明部分下方光阻试剂光刻胶经曝光被溶解掉，而未被曝光部分就是用于制作3D微环境的形状，最后，用有机溶剂去除没有交联的光阻试剂光刻胶以此作为光刻胶底板；在离心管中，按照一定体积比混合PDMS与固化剂，经800rpm离心5分钟后，均匀滴入硅片底板上，静置铺展后，70℃、10小时固化后，从硅片底板边缘处将其剥离硅片，此时PDMS表面印有设计的3D微环境的形状。
5.根据权利要求4所述的单细胞三维动态力学刺激装置，其特征在于：所述的3D微环境为圆柱型槽体，圆柱型槽体为细胞提供3D微环境，3D微环境横截面面积为153.9µm²，深度为8-10µm，在内侧模板受力发生形变过程中3D微环境体积保持1230.9µm³不变，相邻两3D微环境横向和纵向间距小于等于6µm，3D微环境形成模式图案阵列。
6.根据权利要求1所述的单细胞三维动态力学刺激装置，其特征在于：所述的拉伸单元包括直线步进电机（4）、联轴器（5）、滚珠丝杆（6）以及直线导轨（7），直线步进电机（4）通过联轴器（5）和滚珠丝杠（6）连接，滚珠丝杠（6）前端安装有挤压台（8），挤压台（8）底部安装直线导轨（7）上，挤压台（8）上设置多组模块单元，模块单元另一侧与固定台面（1.1）接触连接，直线步进电机（4）收到控制单元产生的信号，沿着直线导轨带动模块单元产生周期性的位移运动，实现在水平位置上的来回往复运动，对模块单元进行拉伸或者压缩。
7.根据权利要求6所述的单细胞三维动态力学刺激装置，其特征在于：所述的控制单元包括编程控制器、驱动电路以及计算机，计算机与编程控制器连接，编程控制器与驱动电路连接，驱动电路与直线步进电机（4）连接。
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