CN115287186A - 一种三维超声声场装置及进行细胞3d排列的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维超声声场装置及进行细胞3D排列的方法，三维超声声场装置包括：声场发生装置，具有容纳细胞培养池的腔室，腔室的四周内壁及底壁上分别设置有压电陶瓷，每个压电陶瓷的两极与信号发生器相连接；细胞培养池，可分离设置在腔室内，用于放置需排列的实验样品；装置底座，用于固定声场发生装置；信号发生器，产生不同频率和幅值的正弦波信号分别独立地施加到每个压电陶瓷上，不同的压电陶瓷根据接受到的不同幅值的正弦波信号产生不同的干涉样式，使细胞培养池中的细胞产生不同的排列方式。本发明的三维超声声场装置使用了三维方向上的多波干涉，实现了三维空间上的声场模式，能够满足悬浮细胞在空间中的多种构型。

Description

一种三维超声声场装置及进行细胞3D排列的方法

技术领域

本发明涉及组织工程技术领域，尤其涉及一种三维超声声场装置及进行细胞3D排列的方法。

背景技术

将细胞和其他生物样品排列成所需的模式在许多生物学和生物医学研究中发挥着重要的作用，如细胞与细胞间相互作用、组织工程和再生医学等。

通过多束超声波相互干涉形成声势阱将细胞固定在声势阱中，细胞的排列模式根据声场模型的变化而变化，已经成为一种比较常见的细胞操控方式。例如，公开号为CN110643486A的中国专利文献公开了一种超声声场装置及数字PCR液滴阵列芯片制作方法，所述装置通过信号发生器给具有相同共振频率的压电陶瓷器件施加正弦波，声波产生的辐射力可以将乳液中的液滴捕获住，使其在特定位置上产生二维的排列。又例如公开号为CN202010061217.9的中国专利文献公开了一种用于细胞排列与组装的六边形表面波声镊芯片，该芯片包括六边形声镊和微流腔体，二者通过等离子键合连接到一起；其中：微流腔体用于容纳细胞溶液，微流腔体的底部设置有微流沟道，微流腔体上还设置有至少一个细胞溶液样本入口和至少一个细胞溶液样本出口；六边形声镊用于产生相干波束，且六边形声镊设置在微流腔体的四周；六边形声镊包括Z切铌酸锂基底，以及设置在Z切铌酸锂基底上的六个叉指换能器；每个叉指换能器的两极均通过导线引出，导线与功率放大器、信号源依次相连；当需要进行细胞组装排列时，信号源产生射频信号经过功率放大器放大到特定功率然后施加到特定的叉指换能器上，根据不同的信号配置，不同的换能器被激活或者调制相位，每个换能器产生的声表面波传输到微流腔体中并进行干涉产生不同的声场样式；细胞溶液样本中的细胞在声场中受到声力作用被聚集到声势阱当中，从而产生对应的结构图案，实现细胞的组装排列。

传统的用于细胞操控的声镊大多采用表面波的方式，只能有限的操控基底上的细胞，使用两对相互垂直的压电陶瓷来产生驻波场，通过驻波长形成四方格子声场的方式来操控细胞或者其他微粒的也仅限于在基底表面的微粒，并未涉及在三维空间内对细胞进行排列组装，让细胞空间维度上用于一定的构型，难以满足悬浮细胞在三维空间内排列的需求。

发明内容

本发明针对现有的超声声场装置不能实现细胞在三维空间内排列的不足，提供了一种用于细胞3D排列的三维超声声场装置，该声场装置不仅能够使细胞能够在空间内进行排列，而且能够通过对不同压电陶瓷进行幅值调制使细胞能够有不同的排列样式。

本发明的技术方案如下：

一种用于细胞3D排列的三维超声声场装置，包括：

声场发生装置，具有容纳细胞培养池的腔室，所述腔室的四周内壁及底壁上分别设置有压电陶瓷，每个压电陶瓷的两极与信号发生器相连接，五个压电陶瓷产生相干超声波束，在腔室中产生三维超声声场；

细胞培养池，可分离设置在所述的腔室内，用于放置需排列的实验样品；

装置底座，与声场发生装置可拆卸连接，用于固定声场发生装置；

信号发生器，根据细胞排列的需要，产生不同频率和幅值的正弦波信号分别独立地施加到每个压电陶瓷上，不同的压电陶瓷根据接受到的不同幅值的正弦波信号产生不同的干涉样式，使细胞培养池中的细胞产生不同的排列方式。

本发明的声场发生装置底面的压电陶瓷产生的声波入射到细胞培养池内的溶液中后，再入射到空气中，由于气液界面是一个良好的声波反射层，因此在细胞培养池的Z轴方向上能够通过底部的一片压电陶瓷产生驻波声场。本发明的三维超声声场装置在细胞培养池的四周及底面均放置了压电陶瓷，能够实现细胞在细胞培养池内进行三维排列。

当需要对细胞进行排列时，信号发生器产生一定频率和幅值的正弦波信号施加到压电陶瓷上，不同的压电陶瓷根据接受到的不同幅值的信号能够产生不同的干涉样式，从而使细胞培养池中的细胞产生不同的排列方式。

设腔室的四周内壁上的压电陶瓷分别为P1-P4，腔室的底壁上的压电陶瓷为P5，则：

当P1-P5的幅值同时为最大值时，细胞在细胞培养池内进行三维点阵状排列；

当P1-P4的幅值为最大值、P5的幅值为0时，细胞在细胞培养池内将获得与Z轴方向平行的线条状排列；

当P5的幅值为最大值、其余幅值为0时，细胞在细胞培养池内将获得与xoy面平行的面状排列；xoy面与P5平行；

在多个平行的xoy平面内排列，平面间距为P5压电陶瓷所产生声波的半波长；

当P1和P2的幅值为最大值、其余幅值为0时，细胞在细胞培养池内将获得以P1和P2所形成的夹角方向的角平分线平行的方向上的面状排列；

当P1和P3的幅值为最大值、其余幅值为0时，细胞在细胞培养池内将获得与xoz面平行的面状排列；xoz面与P1、P3平行。

优选的，声场发生装置和装置底座的材质为树脂材料。

优选的，细胞培养池的材质为透明材质。

进一步的，细胞培养池的材质为石英玻璃。

优选的，所述的腔室底部设置有限位槽对排列培养池限位。

进一步优选的，所述的限位槽包括至少两个L形限位支架。

L型限位支架和细胞培养池最好为紧密配合，即两者之间需要一定的摩擦力防止细胞培养池晃动影响细胞排列效果。

细胞培养池放入声场发生装置的腔室后，细胞培养池的四壁应与腔室的四个内壁平行，并在腔室内壁与细胞培养池之间的空间加满纯水以保证超声波的正常传导。

采用本发明的三维超声声场装置进行细胞3D排列的方法，包括以下步骤：

(1)将声场发生装置放置在装置底座上，再将细胞培养池放置到声场发生装置的腔室中，在腔室加入纯净水；

(2)将细胞分散液加入到细胞培养池中；

(3)根据细胞排列所需要的声场样式，对相应的压电陶瓷进行相应的幅值调制，使产生的声波在细胞培养池内的空间产生不同的干涉声波，从而对细胞进行3D排列。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的三维超声声场装置首次使用了三维方向上的多波干涉，实现了三维空间上的声场模式，能够满足悬浮细胞在空间中的多种构型，具有巨大的应用前景。

附图说明

图1为本发明三维超声声场装置的等轴爆炸结构示意图；

图2为声场发生装置的结构示意图；其中(a)为俯视图，(b)为(a)的A-A向剖视图；

图3为装置底座的结构图；其中(a)为主视图，(b)为俯视图；

图4为细胞培养池的结构图；

图5为当P1-P5的幅值同时为最大值时，细胞在三维空间内获得点阵状排列；其中(a)为xoz面，(b)为yoz面，(c)为xoy面；

图6为当P1-P4的幅值为最大值，P5的幅值为0时，将获得与Z轴方向平行的线条状排列，其中(a)为xoz面，(b)为yoz面，(c)为xoy面；

图7为当P5的幅值为最大值，其余幅值为0时，将获得与xoy平面平行的面状排列；其中(a)为xoz面，(b)为yoz面，(c)为xoy面；

图8为当P1和P2的幅值为最大值，其余幅值为0时，将获得以P1和P2所形成的夹角方向的角平分线平行的方向上的面状排列；其中(a)为xoz面，(b)为yoz面，(c)为xoy面；

图9为当P1和P3的幅值为最大值，其余幅值为0时，将获得与xoz平面平行的面状排列；其中(a)为xoz面，(b)为yoz面，(c)为xoy面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

一种用于细胞3D排列的超声声场装置，如图1-4所示，由声场发生装置1、装置底座2和细胞培养池3三个部分组成。声场发生装置四周有尺寸与所用压电陶瓷尺寸相当的开槽用于粘贴压电陶瓷，中间有一个方形开槽，槽的四角部分为L型支架用于固定细胞培养池3，声场发生装置1底部还有一尺寸稍大于所用压电陶瓷的方形槽，用于粘贴放置底部的压电陶瓷。装置底座2左右两边设有挡板，用于限制声场发生装置1的位置，上表面有一贯穿前后的开槽，槽的厚度为1.5mm，该槽的作用是让声场发生装置1放置在装置底座上时能够平整放置，不会产生倾斜或晃动。将声场发生装置1放置在装置底座2上时，装置底座2能够容纳下底部压电陶瓷的焊点，并且连接底部压电陶瓷的导线也可以从装置底座2的开槽中连通到信号发生器。

细胞培养池3用于放置细胞溶液，使用时将其放置在声场发生装置1中，使用移液枪将细胞溶液加入到细胞培养池3中即可。

声场发生装置1和装置底座2由树脂材料打印而成，细胞培养池3由石英玻璃烧结而成。五片压电陶瓷尺寸为12.6mm×12.6mm×0.66mm，分别如图1所示粘贴在对应的凹槽中。

图3所示的装置底座2中部有一贯通的凹槽是用于容纳底部的压电陶瓷的焊点及连接的导线的。装置底座1的作用为能将声场发生装置1平稳的放置，避免因导线和焊点造成倾斜。

组装整个装置的时候，将粘贴好压电陶瓷的声场发生装置1放置在装置底座2上，然后放入细胞培养池3，再在细胞培养池3与声场发生装置1之间的空隙加满纯水。将五片压电陶瓷各自连接上信号发生器，将信号发生器设置好对应的压电陶瓷共振频率，根据需要设置对应压电陶瓷的幅值。往细胞培养池中加入细胞溶液，用信号发生器进行正弦波信号输出，即可获得对应的排列。

P1-P4分别为细胞培养池3四周的4个压电陶瓷，P5为细胞培养池3底部的压电陶瓷。P1与P3粘贴方向与yoz平面平行，P2与P4粘贴方向与xoz平面平行，P5粘贴方向与xoy平面平行。

本发明的声场发生装置1在六面体的五个面上均放置了压电陶瓷，能够实现细胞在立方体棱角上进行排列。本发明的声场发生装置1底面的压电陶瓷产生的声波入射到细胞培养池的溶液中后，再入射到空气中，由于气液界面是一个良好的声波反射层，因此在Z轴方向上能够通过一片压电陶瓷产生驻波声场。

当进行细胞排列时，信号发生器产生一定频率和幅值的正弦波信号施加到压电陶瓷上，不同的压电陶瓷根据接受到的不同幅值的信号能够产生不同的干涉样式，从而使细胞培养池中的细胞产生不同的排列方式。

如图5所示，当P1-P5的幅值同时为最大值时，将在三维空间内获得点阵状排列；

如图6所示，当P1-P4的幅值为最大值，P5的幅值为0时，将获得与Z轴方向平行的线条状排列；

如图7所示，当P5的幅值为最大值，其余幅值为0时，将获得与xoy平面平行的面状排列；

如图8所示，当P1和P2的幅值为最大值，其余幅值为0时，将获得以P1和P2所形成的夹角方向的角平分线平行的方向上的面状排列，与其他面状排列的区别在于不同位置的平面面积不同；

如图9所示，当P1和P3的幅值为最大值，其余幅值为0时，将获得与xoz平面平行的面状排列。

采用本发明的超声声场装置进行细胞3D排列的方法包括以下步骤：

步骤1：将声场发生装置放置在装置底座上，保证整个装置的平稳。再将细胞培养液放置在声场发生装置中，在其四周加入纯净水保证声波能正常入射到细胞培养池中。

步骤2：通过移液器将细胞溶液加入到细胞培养池中。

步骤3：根据需要的声场样式，对相应的压电陶瓷进行相应的幅值调制，使产生的声波在细胞培养池空间内产生不同的干涉声波，使用相应的干涉声波进行细胞排列。

本发明的超声声场装置首次使用了三维方向上的多波干涉，实现了三维空间上的声场模式，能够满足悬浮细胞在空间中的多种构型，具有巨大的应用前景。以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于细胞3D排列的三维超声声场装置，其特征在于，包括：

声场发生装置，具有容纳细胞培养池的腔室，所述腔室的四周内壁及底壁上分别设置有压电陶瓷，每个压电陶瓷的两极与信号发生器相连接，五个压电陶瓷产生相干超声波束，在腔室中产生三维超声声场；

细胞培养池，可分离设置在所述的腔室内，用于放置需排列的实验样品；

装置底座，与声场发生装置可拆卸连接，用于固定声场发生装置；

信号发生器，根据细胞排列的需要，产生不同频率和幅值的正弦波信号分别独立地施加到每个压电陶瓷上，不同的压电陶瓷根据接受到的不同幅值的正弦波信号产生不同的干涉样式，使细胞培养池中的细胞产生不同的排列方式。

2.根据权利要求1所述的用于细胞3D排列的三维超声声场装置，其特征在于，设腔室的四周内壁上的压电陶瓷分别为P1-P4，腔室的底壁上的压电陶瓷为P5，则：

当P1-P5的幅值同时为最大值时，细胞在细胞培养池内进行三维点阵状排列；

当P1-P4的幅值为最大值、P5的幅值为0时，细胞在细胞培养池内将获得与Z轴方向平行的线条状排列；

当P5的幅值为最大值、其余幅值为0时，细胞在细胞培养池内将获得与xoy面平行的面状排列；xoy面与P5平行；

当P1和P2的幅值为最大值、其余幅值为0时，细胞在细胞培养池内将获得以P1和P2所形成的夹角方向的角平分线平行的方向上的面状排列；

当P1和P3的幅值为最大值、其余幅值为0时，细胞在细胞培养池内将获得与xoz面平行的面状排列；xoz面与P1、P3平行。

3.根据权利要求1所述的用于细胞3D排列的三维超声声场装置，其特征在于，声场发生装置和装置底座的材质为树脂材料。

4.根据权利要求1所述的用于细胞3D排列的三维超声声场装置，其特征在于，细胞培养池的材质为透明材质。

5.根据权利要求4所述的用于细胞3D排列的三维超声声场装置，其特征在于，细胞培养池的材质为石英玻璃。

6.根据权利要求1所述的用于细胞3D排列的三维超声声场装置，其特征在于，所述的腔室底部设置有限位槽对排列培养池限位。

7.根据权利要求6所述的用于细胞3D排列的三维超声声场装置，其特征在于，所述的限位槽包括至少两个L形限位支架。

8.一种采用如权利要求1-7任一项所述的三维超声声场装置进行细胞3D排列的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将声场发生装置放置在装置底座上，再将细胞培养池放置到声场发生装置的腔室中，在腔室加入纯净水；

(2)将细胞分散液加入到细胞培养池中；

(3)根据细胞排列所需要的声场样式，对相应的压电陶瓷进行相应的幅值调制，使产生的声波在细胞培养池内的空间产生不同的干涉声波，从而对细胞进行3D排列。

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