CN115365102A - 一种声表面波发生装置及基于该装置的生物细胞刺激方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种声表面波发生装置，包括依次设置的支撑板、压电晶片、印刷有叉指电极的PCB(整体总称为PCB‑IDE)，将同轴电缆焊接于叉指电极(IDE)总线上；还包括一紧固件，紧固件用于调节支撑板、压电晶片、PCB板三者之间的压紧程度，压电晶片上方位于叉指电极前端还设有细胞培养装置，细胞培养装置放置有细胞培养基；PCB连接外部匹配电路。上述结构的声表面波发生装置解决了目前SAW器件由于脆性压电材料一损俱损而导致使用效率降低的问题；并且提供了基于该声表面波发生装置的生物细胞刺激方法，解决了现有的SAW器件刺激下干细胞分化效率低的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及声表面波技术领域，具体为一种声表面波发生装置及基于该装置的生物细胞刺激方法。
背景技术
声表面波(surface acoustic wave,SAW)，是弹性介质表面的机械振动，可作用于液体和细胞，使之产生运动，通过控制声波和器件的参数，实现细胞的精确操控，该技术在诸多生物医学前沿领域都有重要应用，如操控模式动物线虫、液滴操控编码、操控生物颗粒和单细胞、单液滴分选等。
声表面波SAW器件在细胞操控、分选、影响细胞活动方面具有广泛的应用，现有的传统SAW常用压电材料为铌酸锂晶片LiNbO3，其存在脆性高、导热性能差、强度低等特质，易导致器件断裂的问题；与此同时，传统MEMS光刻技术制作叉指电极包括以下工艺步骤：掩模制造、在LiNbO3上旋涂光刻胶、将紫外线光源进行图案对准掩模、形成图案、金属层沉积，最后剥离图案化外结构形成叉指电极。传统微纳加工器件方法存在耗时长、造价高及需要专用净化间等特殊制作环境、加工工艺苛刻等问题，严重制约SAW相关硬件制作及其在生物细胞领域的应用。
有鉴于此，申请人提出了一种新型基于PCB的SAW器件，即通过印刷电路板叉指电极独立加工，再经与压电基底机械组装实现完整器件制备，可为快速开展多参数实验，提供具有良好SAW实验性能的硬件实验平台，采用不同的SAW形式——行波与驻波，向细胞传递声能量，加速细胞与周围液体的物质交换速率，区别于传统多孔细胞培养板或培养瓶中进行干细胞静态培养，缺乏有效的能量介入去刺激细胞来增速增殖与分化等细胞活动，利用SAW主动刺激细胞方法，极大程度提升干细胞分化效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种声表面波发生装置及基于该装置的生物细胞刺激方法，以解决上述背景技术中提出的目前SAW器件由于脆性压电材料一损俱损而导致使用效率降低的问题，以及现有的SAW器件由于缺乏有效的能量介入去刺激细胞来增速增殖与分化等细胞活动而导致的干细胞分化效率低的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种声表面波发生装置，包括依次设置的支撑板、压电晶片、PCB，所述PCB印刷有叉指电极(整体总称为PCB-IDE)，同轴电缆与叉指电极(IDE)的总线相焊接；还包括紧固件，紧固件用于调节支撑板、压电晶片、PCB三者之间的压紧程度，压电晶片上方位于叉指电极(IDE)前端还设有细胞培养装置，细胞培养装置放置有细胞培养基；PCB连接外部匹配电路。
优选的，紧固件包括设置于所述支撑板底部的固定座，设置于所述PCB上方的压板，还包括连接所述固定座与所述压板的连接杆，所述连接杆有两根；还包括驱动装置和顶升装置，所述支撑板与所述压电晶片之间，所述压电晶片和所述PCB之间至少一处设置有压敏传感器，所述压敏传感器通过无线连接方式连接外部控制器，所述外部控制器根据所述压敏传感器采集到的压力信号控制所述驱动装置和顶升装置，来调节所述支撑板与所述压电晶片之间、所述压电晶片和所述PCB之间的压紧程度。
优选的，还包括有硅脂垫和铝压板，所述硅脂垫设置于所述PCB的上方，所述铝压板设置于所述硅脂垫的上方，所述紧固件的压板抵接所述铝压板。
优选的，还包括有功率放大电路，所述功率放大电路连接所述外部匹配电路和用于测试声表面波发生装置反射系数的网络分析仪。
优选的，压电基材由是由1280YX-LiNbO3、Z-LiNbO3与X-LiNbO3中任意一种材料制成的压电基材。
优选的，叉指电极包含多个叉指单元，各叉指单元依次交替排列，且各个叉指单元的宽度和相邻两叉指单元的间距取决于细胞刺激的目的与要求。
同时提供了基于声表面波发生装置的生物细胞刺激方法。
方法一：使用了上述的一种声表面波发生装置，基于所述声表面波发生装置生成声表面波行波，行波在所述细胞培养装置上向细胞传播，在细胞培养基中生成漏波，其声场能量与细胞交互并对干细胞神经元活动产生调控作用。
方法二：基于声表面波发生装置的生物细胞刺激方法，使用了上述的一种声表面波发生装置，基于所述声表面波发生装置生成声表面波行波，生成的两列行波在中间相遇，形成声表面驻波，驻波在细胞培养基中生成的声场能量与细胞交互并对干细胞神经元活动中产生调控作用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
该声表面波发生装置，采用模块化结构，由于PCB-IDE和压电材料为各自独立元件，因此使用中可根据应用需求灵活更换压电材料，而传统SAW器件一旦制备完成则成为一体化器件，任何调整或损坏均造成整件SAW器件报废，大大的提高了SAW器件的可维修性和通用适配性；同时提供了基于该声表面波发生装置的生物细胞刺激方法，通过控制PCB-IDE的信号发生器使得声表面波发生装置生成的声表面波在行波和驻波之间切换，给细胞创造了一个动态的培养环境，基于多个因素实现了干细胞向神经元分化的可控调节，解决了现有的SAW器件刺激下干细胞分化效率低的缺陷，其中，多个因素包括：1)基底振动直接对贴壁细胞产生影响。2)声压使培养基形成运动造成细胞的剪切应力。3)声波使细胞培养所处的容器发生形变导致液流加速。
附图说明
图1为本发明的一种声表面波发生装置的结构示意图；
图2为本发明基于印刷电路板的声表面波行波细胞刺激反应方法的示意图；
图3为本发明基于印刷电路板的声表面波驻波细胞刺激反应方法的示意图。
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种声表面波发生装置，包括依次设置的支撑板、压电晶片、PCB(柔性FPCB或者硬质PCB均可，两种基板加工的叉指电极使用同样方法也可以生成SAW)，PCB印刷有叉指电极，同轴电缆与叉指电极(IDE)的总线相焊接；还包括一紧固件，紧固件用于调节支撑板、压电晶片、PCB三者之间的压紧程度，紧固件包括设置于支撑板底部的固定座，设置于PCB上方的压板，还包括连接固定座与压板的连接杆，连接杆有两根，还包括驱动装置和顶升装置，支撑板与压电晶片之间、压电晶片和PCB之间均设置有压敏传感器(两处均设置，或者其中一处设置传感器的方案都行，只需保证检测的准确性即可)，压敏传感器通过无线连接方式连接外部控制器，外部控制器根据压敏传感器采集到的压力信号控制驱动装置和顶升装置，来调节支撑板与压电晶片之间、压电晶片和PCB之间的压紧程度。压电晶片上方位于叉指电极(IDE)前端还设有细胞培养装置，细胞培养装置放置有细胞培养基；还包括有用于测试声表面波发生装置的反射系数网络分析仪，通过网络分析仪可测试器件的反射系数，结合测试阻抗和史密斯圆图可制作匹配电路进一步提升PCB-IDE制作SAW器件能量转换性，不设置该网络分析仪会影响主要功能；PCB连接外部匹配电路。上述紧固件也可以采用更为精密的气动、液压或者电控调节装置，调节更加精确的同时也更为便于统一控制，本方案采用了较为节省成本的机械式调节装置。
优选的，还包括有硅脂垫和铝压板，硅脂垫设置于PCB的上方，铝压板设置于硅脂垫的上方，紧固件的压板抵接铝压板，还包括有功率放大电路，功率放大电路连接外部匹配电路。匹配电路的功能是将目标非标准阻抗电子器件的阻抗匹配成标准阻抗(50欧或75欧)，用来提高器件的电声转换效率，并保护电子仪器的安全使用。功率放大电路的功能是动态调节目标电子器件的输出功率以满足工作需求，此处具体是指SAW对细胞作用的强弱。
其中，叉指电极(IDE)包含多个叉指单元，各叉指单元依次交替排列，且各个叉指单元的宽度和相邻两叉指单元的间距取决于对细胞培养的需求，压电基材由是由1280YX-LiNbO3、Z-LiNbO3与X-LiNbO3中任意一种材料制成的压电基材，但是也不限于上述三种基材。
与此同时，还提供了该种基于印刷电路板PCB的SAW器件制备流程：
1)制作基于PCB的叉指电极(PCB-IDE)。硬质PCB或柔性PCB均可作为叉指电极基材，采用PCB标准工艺(对于叉指宽度大于50μm的电极通常在电极面用沉金工艺，对于小于50μm叉指宽度的电极通常使用光刻方式加工)将图案化的双层金属(Au/Ni，30nm/2μm)制成的叉指电极加工到PCB表面。PCB-IDE结构设计与传统SAW器件的电极图案设计原理相同，具体叉指宽度、间距及叉指个数由具体应用需求而定。同轴电缆焊接到PCB-IDE的总线上。
2)对于SAW压电基材由应用要求任意选择，如1280YX-LiNbO3、Z-LiNbO3与X-LiNbO3等，这里由于PCB-IDE和压电材料为各自独立元件，因此使用中可根据应用需求灵活更换压电材料，而传统SAW器件一旦制备完成则成为一体化器件，任何调整或损坏均造成整件SAW器件报废。
3)PCB-SAW器件组装。首先将压电晶片放在支撑板上，再使用压板将PCB-IDE机械压到压电晶体表面。在PCB-IDE区域，在PCB和压板间放置一个薄硅胶垫，可牢固按压使叉指状电极与压电晶片充分接触。通过调节压板两侧紧固件的松紧可调节压板与硅胶垫施加在PCB上的压力，改变各零件间的接触程度与IDT的品质因数，通过网络分析仪可测试器件的反射系数，结合测试阻抗和史密斯圆图可制作匹配电路进一步提升PCB-IDE制作SAW器件能量转换性能。PCB-IDE可通过压具灵活地用紧固件固定在任意压电衬底的任何位置，并生成所需SAW，其波长、传播方向和幅度完全可控。
相应的，提供了该声表面波发生装置在影响细胞活动方面的两种应用方案。通过控制PCB-IDE的信号发生器使得声表面波发生装置生成的声表面波在行波和驻波之间切换，产生以下两种方案：
请参阅图2，该技术方案中，基于印刷电路板的声表面波换能器生成声表面波行波，行波在基底上向细胞传播，在细胞培养基中生成漏波，其声场能量与细胞交互并对干细胞神经元活动产生调控作用。
请参阅图3，该技术方案中，两个基于印刷电路板的声表面波换能器生成的两列行波在中间相遇，形成声表面驻波。其声场能量与细胞交互并对干细胞神经元活动产生调控作用。
上述两种技术方案中，干细胞向神经元分化的可控调节来自于几个因素：
1)基底振动直接对贴壁细胞产生影响。
2)声压使培养基形成运动造成细胞的剪切应力。
3)声波使细胞培养所处的容器发生形变导致液流加速。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种声表面波发生装置，其特征在于，包括依次设置的支撑板、压电晶片、PCB，所述PCB印刷有叉指电极，同轴电缆与所述叉指电极的总线相焊接；还包括紧固件，所述紧固件用于调节所述支撑板、压电晶片、PCB三者之间的压紧程度，所述压电晶片上方位于所述叉指电极前端还设有细胞培养装置，所述细胞培养装置放置有细胞培养基；所述PCB连接外部匹配电路。
2.根据权利要求1所述的一种声表面波发生装置，其特征在于，所述紧固件包括设置于所述支撑板底部的固定座，设置于所述PCB上方的压板，还包括连接所述固定座与所述压板的连接杆，所述连接杆有两根；还包括驱动装置和顶升装置，所述支撑板与所述压电晶片之间，所述压电晶片和所述PCB之间至少一处设置有压敏传感器，所述压敏传感器通过无线连接方式连接外部控制器，所述外部控制器根据所述压敏传感器采集到的压力信号控制所述驱动装置和顶升装置，来调节所述支撑板与所述压电晶片之间、所述压电晶片和所述PCB之间的压紧程度。
3.根据权利要求2所述的一种声表面波发生装置，其特征在于，还包括有硅脂垫和铝压板，所述硅脂垫设置于所述PCB的上方，所述铝压板设置于所述硅脂垫的上方，所述紧固件的压板抵接所述铝压板。
4.根据权利要求1所述的一种声表面波发生装置，其特征在于，还包括有功率放大电路，所述功率放大电路连接所述外部匹配电路。
5.根据权利要求1所述的一种声表面波发生装置，其特征在于，所述叉指电极包含多个叉指单元，各叉指单元依次交替排列，且各个叉指单元的宽度和相邻两叉指单元的间距取决于细胞刺激的目的与要求。
6.根据权利要求1所述的一种声表面波发生装置，其特征在于，压电基材由是由1280YX-LiNbO3、Z-LiNbO3与X-LiNbO3中任意一种材料制成的压电基材。
7.根据权利要求1所述的一种声表面波发生装置，其特征在于，还包括有用于测试声表面波发生装置反射系数的网络分析仪。
8.基于声表面波发生装置的生物细胞刺激方法，使用了如权利要求1～7中任意一项所述的一种声表面波发生装置，其特征在于，基于所述声表面波发生装置生成声表面波行波，行波在所述细胞培养装置上向细胞传播，在细胞培养基中生成漏波，其声场能量与细胞交互并对干细胞神经元活动产生调控作用。
9.基于声表面波发生装置的生物细胞刺激方法，使用了如权利要求1～7中任意一项所述的一种声表面波发生装置，其特征在于，基于所述声表面波发生装置生成声表面波行波，生成的两列行波在中间相遇，形成声表面驻波，驻波在细胞培养基中生成的声场能量与细胞交互并对干细胞神经元活动中产生调控作用。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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