CN1932511A - 正弦拉伸细胞加载装置 - Google Patents

Abstract

一种正弦拉伸细胞加载装置，涉及医学实验仪器中的细胞力学加载装置。本发明主要包括机架、齿轮减速调速电机、数显调速器、曲柄滑块机构及拉伸运动机构。曲柄滑块机构主要由调整螺杆、曲臂滑块、曲柄和拉杆构成；拉伸运动机构主要由滑动支架、固定支架、导向杆、前导杆块和后导杆块构成。由于本发明具有结构简单，操作简便，维护方便，成本低廉，运行平稳，性价比高，细胞受力均匀，能调节拉伸幅度和频率等特点，拉伸距离能在0～25mm范围内方便调节，能满足各种贴壁生长的细胞进行拉伸加载的力学刺激响应研究，所以本发明可广泛用作医学实验仪器中的细胞力学加载装置，特别适用于资金和专业操作人员缺乏的研究机构广泛应用。

Description

正弦拉伸细胞加载装置

技术领域

本发明属于生物力学工程技术领域，特别涉及医学实验仪器中的细胞力学正弦加载装置。

技术背景

随着组织工程和生物医学工程的发展，细胞力学、组织工程等已成为现代生物学发展的前沿学科。为了研究各种物理、生化因素对人体组织的影响，都必须解决如何对细胞进行力学加载的问题。在现有的细胞加载装置中，如公开号为CN1425905A的《四点弯曲细胞力学加载仪》专利，公开的是步进电机执行CPU的命令，从而带动冲压头运行各种运转速度、位移，冲压头使梁在左、右对称的四个支撑点间变形后而使梁表面积发生变化，从而使设置于梁四个支撑点间的培养板上贴壁生长的细胞发生形变。该加载仪的优点在于控制操作由CPU来完成，通过步进电机来实现对细胞进行不同形式的拉伸或压缩，但是，该加载仪存在的主要问题是：1.梁在四个支撑点间的变形是不均匀的，不可避免将导致培养板上贴壁生长的细胞形变不均匀。2.四个支撑点间的变形是由冲压头的位移量决定并经过梁中间转换，这样使细胞变形不直观而且会带来误差。3.该加载仪不能实现细胞在拉伸或压缩状态下显微观察。

发明内容

本发明的目的是针对现有细胞加载装置的不足之处，提供一种正弦拉伸细胞加载装置，具有结构简单，操作简便，成本低廉，工作可靠，运行平稳，性价比高，细胞受力均匀，能调节标准正弦拉伸幅度和频率等特点。

本发明的目的是这样实现的：一种正弦拉伸细胞加载装置，主要包括机架、齿轮减速调速电机、数显调速器、曲柄滑块机构及拉伸运动机构。齿轮减速调速电机和数显调速器设置在机架的后端，曲柄滑块机构及拉伸运动机构设置在机架的前端，其间通过机架安装板隔开。齿轮减速调速电机通过导线与装置外的室内220伏电源连接，其输出轴穿过机架安装板上的孔固定连接在曲柄滑块机构的曲柄后端的盲孔内，使曲柄随齿轮减速调速电机一起旋转而为装置提供动力。数显调速器通过导线与齿轮减速调速电机连接，实时显示出齿轮减速调速电机的转速，并通过拧转数显调速器上的调速钮所输出的电信号来调节齿轮减速调速电机的转速。风扇设置在机架后端部的盖板上，通过导线与装置外的室内220伏电源连接，对齿轮减速调速电机和数显调速器进行散热。曲柄滑块机构主要由调整螺杆、曲臂滑块、曲柄和拉杆构成，将齿轮减速调速电机的旋转动力传递给滑动支架作标准正弦直线运动，并且对正弦拉伸幅度进行调节，以便对细胞进行正弦加载拉伸。在曲柄的中端部设置一通孔，调整螺杆穿过通孔活动连接在曲柄上，曲臂滑块的后端在曲柄中端部的通孔处与调整螺杆连接，曲臂滑块中端的方孔穿在曲柄前端的方梁上滑动连接，拧转调整螺杆可以调节曲臂滑块在曲柄上的偏心位置，从而实现调节正弦拉伸的幅度。曲臂滑块前端的轴颈穿过拉杆右端的长孔与拉杆滑动连接，拉杆另一端穿过定位衬套通过销轴与滑动支架固定连接。拉伸运动机构主要由滑动支架、固定支架、导向杆、前导杆块和后导杆块构成，对附着有细胞的培养膜进行拉伸。滑动支架的两端分别通过止动螺钉与左、右两导向杆的一端锁紧连接，并能在两导向杆上自由滑动。固定支架的两端分别通过止动螺钉与左、右两导向杆的另一端锁紧连接，并通过止动螺钉能在两导向杆上移动定位。左、右两根导向杆的两端分别通过螺钉固接在前、后导杆块上，前、后导杆块的两端分别通过固定螺钉与机架固定连接。因此两支架和两导向杆及两导杆块与机架构成稳固的刚性基础，能保证拉伸过程的平稳。附着有细胞的培养膜的一端通过夹板压紧在固定支架的下端，另一端通过夹板压紧在滑动支架的下端，在培养膜下方的机架上放置有培养皿。附着有细胞的培养膜通过滑动支架，在齿轮减速调速电机的作用下进行单向拉伸，并通过拧下固定螺钉可方便地从机架上拆下拉伸运动机构进行显微观察。

本发明采用上述技术方案后，具有结构简单，操作简便，运行平稳，性价比高，细胞受力均匀等特点，能调节正弦拉伸幅度和频率，其拉伸距离能在0～25mm范围内方便调节，能满足各种贴壁生长的细胞进行拉伸加载的力学刺激响应研究。本加载装置可以方便地通过数显调速器调节正弦拉伸频率，以及根据曲柄上的刻度调节曲臂滑块在曲柄上的偏心距离来调节正弦拉伸幅度，使操纵过程简单、调节简便，操作人员无需经过编程等专业培训通过手动操作调节正弦拉伸的幅度和频率。本加载装置采用正弦拉伸加载方式，在对生物组织和细胞进行力学刺激响应研究中，这是最基础也是最常用的加载方式，通过采用曲柄滑块机构将旋转运动转换为标准正弦直线运动，排除了电子转换方式受到电磁干扰的危险，使装置工作更加可靠，工作过程直观，运转中的异常情况能及时排除，维护方便。本加载装置在实验过程中进行动态观察时，能通过固定螺钉直接将拉伸运动机构从机架上整体拆移至显微镜下观察，使细胞未脱离培养液，极大的减少了培养膜及细胞被污染的可能性。本加载装置受环境干扰小，成本低廉，可广泛用作医学实验仪器中的细胞力学加载装置，特别适用于缺乏资金和专业操作人员的研究机构广泛应用。

附图说明

图1为本发明的结构图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明放大的曲柄滑块机构的结构图；

图4为图3在A-A处的剖视图。

图中：1—齿轮减速调速电机，2—数显调速器，3—风扇，4—盖板，5—机架，6—调整螺杆，7—曲柄，8—曲臂滑块，9——拉杆，10—前导杆块，11—销轴，12—滑动支架，13—导向杆，14—培养膜，15—培养皿，16—夹板，17—固定支架，18—止动螺钉，19—后导杆块，20—固定螺钉，21—定位衬套，22—机架安装板。

具体实施方式

下面结合具体实施方式进一步说明本发明。

如图1～4所示，一种正弦拉伸细胞加载装置，主要包括机架5、齿轮减速调速电机1、数显调速器2、曲柄滑块机构及拉伸运动机构。齿轮减速调速电机1和数显调速器2分别通过螺钉固接在机架5的后端，曲柄滑块机构及拉伸运动机构设置在机架5的前端，其间通过机架安装板22隔开。齿轮减速调速电机1的功率为15W，通过导线与装置外的室内220伏电源连接，其输出轴穿过机架安装板22上的孔通过键固定连接在曲柄滑块机构的曲柄7后端的盲孔内，使曲柄7随齿轮减速调速电机1一起旋转而为装置提供动力。数显调速器2通过导线与齿轮减速调速电机1连接，实时显示出齿轮减速调速电机1的转速，并通过拧转数显调速器2上的调速钮所输出的电信号来调节齿轮减速调速电机1的转速。风扇3通过螺钉固接在机架5后端部的盖板4上，通过导线与装置外的室内220伏电源连接，对齿轮减速调速电机1和数显调速器2进行散热。曲柄滑块机构主要由调整螺杆6、曲柄7、曲臂滑块8和拉杆9构成，将齿轮减速调速电机1的旋转动力传递给滑动支架12作正弦直线运动，并且对正弦拉伸幅度进行调节，以便对细胞进行正弦加载拉伸。在曲柄7的中端部设置一通孔，调整螺杆6穿过通孔通过卡子活动连接在曲柄7上，曲臂滑块8的后端在曲柄7中端部的通孔处与调整螺杆6的螺纹副连接，曲臂滑块8中端的方孔穿在曲柄7前端的方梁上滑动连接，拧转调整螺杆6可以调节曲臂滑块8在曲柄7上的偏心位置，从而实现调节正弦拉伸的幅度。曲臂滑块8前端的轴颈穿过拉杆9右端的长孔与拉杆9滑动连接，拉杆9另一端穿过定位衬套21通过销轴11与滑动支架12固定连接。拉伸运动机构主要由滑动支架12、固定支架17、导向杆13、前导杆块10和后导杆块19构成，对附着有细胞的培养膜14进行拉伸。滑动支架12的两端分别通过止动螺钉18与左、右两导向杆13的一端锁紧连接，并能在两导向杆13上自由滑动。固定支架17的两端分别通过止动螺钉18与左、右两导向杆13的另一端锁紧连接，并通过止动螺钉18能在两导向杆13上移动定位。左、右两根导向杆13的两端分别通过螺钉固定在前导杆块10、后导杆块19上，前导杆块10、后导杆块19的两端分别通过固定螺钉20与机架5固定连接。因此滑动支架12、固定支架17和两导向杆13及前导杆块10、后导杆块19与机架5构成稳固的刚性基础，能保证拉伸过程的稳定。附着有细胞的培养膜14通过夹板16，其一端压紧在固定支架17的下端，另一端压紧在滑动支架12的下端，而在培养膜14下方的机架5上放置有培养皿15。附着有细胞的培养膜14通过滑动支架12，在齿轮减速调速电机1的作用下进行单向拉伸，并通过拧下固定螺钉20可方便地从机架5上拆下拉伸运动机构进行显微观察。

正弦拉伸细胞加载装置的工作过程：转动数显调速器2上的调速钮调节正弦拉伸频率，数显调速器2输出相应电信号给齿轮减速调速电机1，齿轮减速调速电机1带动曲柄7一起旋转，曲柄7旋转带动其上的曲臂滑块8偏心旋转，曲柄7上的曲臂滑块8通过转动调整螺杆6调节偏心距离，从而实现调节拉伸幅度，曲臂滑块8偏心旋转推动拉杆9作正弦直线运动，拉杆9通过销轴11牵引滑动支架12沿着导向杆13运动，培养膜14一端随滑动支架12运动，另一端则随固定支架17锁紧在导向杆13上不动，这样附着在培养膜14上的细胞就被拉伸作正弦直线运动。

实验结果及分析：正弦拉伸细胞加载装置在重庆大学生物工程学院实验室，用作群体肝癌细胞和单个癌细胞的取向研究。正弦拉伸细胞加载装置安装之前清洗干净，与培养液接触的零件用75％乙醇溶液浸泡12h，取出后用三蒸水洗净，紫外线照射3h，其他零部件用75％乙醇溶液擦拭，组装完毕后再紫外线照射1h。之后将PU膜安装在两支架间张紧后接种HEPG-2肝癌细胞，然后加培养液超过PU膜2～3mm，放入5％CO₂孵箱中，24h后观察贴壁情况。细胞贴附生长好之后，对接种于PU膜上的癌细胞施以拉伸幅度10％，频率0.5Hz的周期正弦拉伸。之后不定时的对实验进行观察。

通过实验过程对比发现，群体肝癌细胞初始状态下较圆的生长灶在应变的响应上逐渐变为长形，其新的取向与拉伸应力方向垂直。单个癌细胞在周期应变的影响下，都发生形状与方位的重新调整，细胞变得更长，细胞取向与施加的应力方向几乎垂直，细胞取向调整到与主应变力垂直后便保持垂直方向。

Claims (2)

1.一种正弦拉伸细胞加载装置，主要包括机架(5)，其特征在于还有齿轮减速调速电机(1)和数显调速器(2)设置在机架(5)的后端，曲柄滑块机构及拉伸运动机构设置在机架(5)的前端，其间通过机架安装板(22)隔开，齿轮减速调速电机(1)通过导线与装置外的室内220伏电源连接，其输出轴穿过机架安装板(22)上的孔固定连接在曲柄滑块机构的曲柄(7)后端的盲孔内，数显调速器(2)通过导线与齿轮减速调速电机(1)连接，风扇(3)设置在机架(5)后端部的盖板(4)上，通过导线与装置外的室内220伏电源连接，曲柄滑块机构主要由调整螺杆(6)、曲臂滑块(8)、曲柄(7)和拉杆(9)构成，在曲柄(7)的中端部设置一通孔，调整螺杆(6)穿过通孔活动连接在曲柄(7)上，曲臂滑块(8)的后端在曲柄(7)中端部的通孔处与调整螺杆(6)连接，曲臂滑块(8)中端的方孔穿在曲柄(7)前端的方梁上滑动连接，曲臂滑块(8)前端的轴颈穿过拉杆(9)右端的长孔与拉杆(9)滑动连接，拉杆(9)另一端穿过定位衬套(21)通过销轴(11)与滑动支架(12)固定连接，拉伸运动机构主要由滑动支架(12)、固定支架(17)、导向杆(13)、前导杆块(10)和后导杆块(19)构成，滑动支架(12)的两端分别通过止动螺钉(18)与左、右两导向杆(13)的一端锁紧连接，固定支架(17)的两端分别通过止动螺钉(18)与左、右两导向杆(13)的另一端锁紧连接，并通过止动螺钉(18)能在两导向杆(13)上移动定位，左、右两根导向杆(13)的两端分别通过螺钉固接在前导杆块(10)、后导杆块(19)上，前、后导杆块(10、19)的两端分别通过固定螺钉(20)与机架(5)固定连接，附着有细胞的培养膜(14)的一端通过夹板(16)压紧在固定支架(17)的下端，另一端通过夹板(16)压紧在滑动支架(12)的下端，在培养膜(14)下方的机架(5)上放置有培养皿(15)。

2.按照权利1所述的正弦拉伸细胞加载装置，其特征在于一种正弦拉伸细胞加载装置，主要包括机架(5)、齿轮减速调速电机(1)、数显调速器(2)、曲柄滑块机构及拉伸运动机构，齿轮减速调速电机(1)和数显调速器(2)分别通过螺钉固接在机架(5)的后端，曲柄滑块机构及拉伸运动机构设置在机架(5)的前端，其间通过机架安装板(22)隔开，齿轮减速调速电机(1)的功率为15W，通过导线与装置外的室内220伏电源连接，其输出轴穿过机架安装板(22)上的孔通过键固定连接在曲柄滑块机构的曲柄(7)后端的盲孔内，数显调速器(2)通过导线与齿轮减速调速电机(1)连接，风扇(3)通过螺钉固接在机架(5)后端部的盖板(4)上，通过导线与装置外的室内220伏电源连接，曲柄滑块机构主要由调整螺杆(6)、曲柄(7)、曲臂滑块(8)和拉杆(9)构成，在曲柄(7)的中端部设置一通孔，调整螺杆(6)穿过通孔通过卡子活动连接在曲柄(7)上，曲臂滑块(8)的后端在曲柄(7)中端部的通孔处与调整螺杆(6)螺纹副连接，曲臂滑块(8)中端的方孔穿在曲柄(7)前端的方梁上滑动连接，曲臂滑块(8)前端的轴颈穿过拉杆(9)右端的长孔与拉杆(9)滑动连接，拉杆(9)另一端穿过定位衬套(21)通过销轴(11)与滑动支架(12)固定连接，拉伸运动机构主要由滑动支架(12)、固定支架(17)、导向杆(13)、前导杆块(10)和后导杆块(19)构成，滑动支架(12)的两端分别通过止动螺钉(18)与左、右两导向杆(13)的一端锁紧连接，固定支架(17)的两端分别通过止动螺钉(18)与左、右两导向杆(13)的另一端锁紧连接，并通过止动螺钉(18)能在两导向杆(13)上移动定位，左、右两根导向杆(13)的两端分别通过螺钉固定在前导杆块(10)、后导杆块(19)上，前导杆块(10)、后导杆块(19)的两端分别通过固定螺钉(20)与机架(5)固定连接，附着有细胞的培养膜(14)通过夹板(16)，其一端压紧在固定支架(17)的下端，另一端压紧在滑动支架(12)的下端，而在培养膜(14)下方的机架(5)上放置有培养皿(15)。

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