CN202676542U

CN202676542U - 一种多细胞的力学加载装置及模拟实验平台

Info

Publication number: CN202676542U
Application number: CN 201220300693
Authority: CN
Inventors: 张宏; 严隽陶; 林清; 张国辉; 马恵升; 赵谦; 朱清广; 齐瑞; 王勇丽; 屈庆
Original assignee: Yueyang Hospital of Integrated Traditional Chinese and Western Medicine Shanghai University of TCM
Current assignee: Yueyang Hospital of Integrated Traditional Chinese and Western Medicine Shanghai University of TCM
Priority date: 2012-06-26
Filing date: 2012-06-26
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2022-06-26

Abstract

本实用新型提供一种多细胞的力学加载装置及模拟实验平台，它包括上端设有支具的活塞和加载箱，所述的活塞的规格与加载箱内部规格一致，所述的加载箱底部设有传感器，外部设有信号采集仪。本实用新型还提供一种多细胞的力学模拟实验平台，所述的实验平台包括如上所述的多细胞力学加载装置、电脑系统和设有夹具的万能材料试验机，所述的多细胞力学加载装置固定于夹具上，所述的电脑系统与万能材料试验机连接。本实用新型优点在于：利用活塞的上下运动压缩空气以对细胞加载压力，能确保细胞受力均匀，提高测定结果的准确性；采用的是万能材料试验机控制活塞运动，可精确地模拟压力加载过程，且反应灵敏，能模拟复杂的压力变化过程；结构简单，操作简便。

Description

一种多细胞的力学加载装置及模拟实验平台

技术领域

本实用新型涉及细胞生物力学技术领域，具体地说，是一种多细胞的力学加载装置。

背景技术

细胞生物力学（mechanocytobiology）是当前生命科学发展的前沿，涉及细胞力学研究的多个方面，其中热点之一就是细胞因机械力作用所引起的损伤，以及有关力学作用对细胞生长、重整、力学信号转导和基因表达以至引起ATP合成等过程的影响。细胞生物力学的深入研究，不但对当前细胞与组织工程、分子生物力学和生物工程、各种软硬组织的生物力学、生物力学模型和生物材料等的研究起了重要的促进作用，而且对于生命科学的进一步发展和突破，将发挥着难以估量的影响。

常规的宏观力学加载方法和实验技术无法直接使用在细胞上，所以寻找合适的细胞加载方法和细胞变形及相关的生物学测量手段将是细胞生物力学所面临的首要问题。常用的细胞力学实验技术分为单细胞实验技术和多细胞实验技术，总体可分为四类：①采用显微技术和微管吸吮方法直接对单个细胞进行加载，并通过实时记录系统加以记录，利用图像处理仪和计算机进行位移测量及变形数值分析，其典型代表就是微管吸吮实验技术；②采用其它介质，利用流变学原理间接地对细胞进行加载，如流动小室、悬浮技术、微孔滤筛方法等，主要是通过流体流动产生的剪切力或者压力对细胞加载；③利用对细胞粘附的基底材料进行加载，通过对基底材料加载后使基底材料的应变传递到细胞上，如四点弯曲梁的单向应变加载和膜材料的双向应变加载方法、气体加压加载技术以及三维加载技术等；④利用直接对细胞表面受体施加磁场扭曲力的方法，测量细胞骨架刚度的变化。

上述常用的四类实验技术各自适用于所要研究的细胞类型且各有其优缺点，如不能反映细胞的生理状态、结构复杂、价格昂贵等。如中国期刊《中国组织工程研究与临床康复》，第13卷，第22期，刊出的文章“体外细胞压应力加载装置的研制与应用”，公开了一种体外细胞压应力加载装置，该装置的工作原理是：将维持细胞体外生存和生长的培养品及其培养的细胞放入细胞培养腔中，高压储气室（钢瓶）内的高压气体经两级减压装置减压到一定压力后以稳定的压力进入细胞培养腔内，当细胞培养腔内的压力达到预定值时，关闭进气电磁阀，细胞培养腔内形成稳定的密闭环境。压应力加载部分原理为利用支线步进电机驱动汽缸加压，使细胞培养腔内形成一定频率、大小的周期性气压变化，从而使细胞培养腔里的细胞受到相应的压应力作用。实验完毕，打开排气电磁阀，气体经其排出。该装置可对加载压应力的大小、作用频率及作用持续时间等进行定量控制，但是该装置存在以下缺陷：（1）细胞培养腔与气缸通过通气管连接，气体最终是通过通气管进入细胞培养腔后扩散，而该气体的扩散运动既有正前方的推进扩散，也有向四周的弥散，这就导致细胞培养腔内的细胞受力并不是均匀的，模拟实验结果存在误差；（2）需要多级减压装置、电磁阀等来控制气体频率和气压大小，部件运转反应时间长，灵敏度差，对于较为复杂的力学加载过程难以模拟，例如发明人丁季峰老中医的“扌袞法”操作动力学曲线显示：扌袞法垂直波振幅高，上升支陡峭，上升角大，波峰尖锐，下降支的回摆波振幅可高达主波（前摆波）的1/3～1/2，波峰尖锐，由于力学加载过程复杂且相邻过程之间的压力大小差距大，因而使用上述装置将难以精确模拟。综上所述，亟需一种能够精确模拟复杂的力学加载过程，压力加载均匀的装置，但是目前关于这类装置还未见报道。

生物材料试验系统（MTS），又称万能材料试验机、多轴生物力学试验及运动模拟系统，采用电子技术与机械传动相结合方式，对载荷、变形、位移的测量和控制有较高的精度和灵敏度，可进行等速加载、等速变形、等速位移的自动控制试验，并有低周载荷循环、变形循环、位移循环的功能，被广泛应用于人体组织的生物力学实验。它还可以根据要求输出可变压力，模拟推拿手法等复杂压力变化过程的动力学曲线，这为研制上述可精确模拟复杂的力学加载过程和压力加载均匀的装置提供了可能，从而为构建基于细胞生物力学的手法模拟实验平台提供了可能。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术中的不足，提供一种可精确模拟复杂的力学加载过程、压力加载均匀、结构简单、操作简便的多细胞力学加载装置。

本实用新型的另一的目的是，提供一种多细胞的力学模拟实验平台。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是：

一种多细胞的力学加载装置，所述的加载装置包括上端设有支具的活塞和加载箱，所述的活塞的规格与加载箱内部规格一致，所述的加载箱底部设有传感器，外部设有信号采集仪。

所述的活塞和加载箱均是圆柱形。

所述的加载箱是由有机玻璃制成。

所述的传感器是无线传感器。

所述的传感器是有线传感器，所述的传感器通过导线与信号采集仪连接。

为实现上述第二个目的，本实用新型采取的技术方案是：

一种多细胞的力学模拟实验平台，所述的实验平台包括如上任一所述的多细胞力学加载装置、电脑系统和设有夹具的万能材料试验机，所述的多细胞力学加载装置固定于夹具上，所述的电脑系统与万能材料试验机连接。

本实用新型优点在于：

1、本实用新型的多细胞力学加载装置利用活塞的上下运动压缩空气以对细胞加载压力，能确保细胞受力均匀，提高测定结果的准确度；

2、本实用新型的多细胞的力学模拟实验平台采用的是万能材料试验机控制活塞运动，可精确地模拟压力加载过程，且反应灵敏，能模拟复杂的压力变化过程；

3、本实用新型的多细胞的力学加载装置结构简单，可控性好，操作简便。

附图说明

附图1是本实用新型的一种多细胞的力学加载装置结构示意图。

附图2是本实用新型的一种多细胞的力学模拟实验平台结构示意图。

附图3是丁季峰中型扌袞法动态曲线图。

附图4是模拟扌袞法曲线。

附图5是模拟扌袞法曲线运行轨迹。

附图6是正弦曲线运行轨迹。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型提供的具体实施方式作详细说明。

附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：

1.加载箱 2.活塞

3.支具 4.传感器

5.信号采集仪 10.多细胞力学加载装置

20.万能材料试验机 30.电脑系统

6.夹具 61.第一夹具

62.第二夹具

实施例1 本实用新型的一种多细胞力学加载装置

请参照图1，图1是本实用新型的一种多细胞的力学加载装置结构示意图。所述的多细胞的力学加载装置设有一个加载箱1，所述的加载箱1由有机玻璃制成，呈圆柱形，外部直径13cm，内部直径10cm，高13cm，上端的一面是开口的。所述的多细胞力学加载装置还设有一个活塞2，所述的活塞2为圆柱形，直径与加载箱1的内径相同，厚度3cm。所述的活塞2的上端的中央设有支具3，所述的支具3也是一个圆柱体，由不锈钢材料制成。所述的加载箱1的底部设有通孔（图中未示出），所述的通孔中紧密地嵌合着传感器4，所述的传感器4是无线传感器，顶面与加载箱1的底面是在一个水平面上的。所述的加载箱1的外部还设有信号采集仪5。所述的信号采集仪5与传感器4通过无线信号连接。

实施例2 本实用新型的一种多细胞的力学模拟实验平台

请参照图2，图2是本实用新型的一种多细胞的力学模拟实验平台结构示意图。所述的多细胞的力学模拟实验平台设有如实施例1所述的多细胞力学加载装置10、万能材料试验机20和电脑系统30。所述的万能材料试验机20为美国MTS公司生产，型号为MTS858，设有夹具6，所述的夹具6包括第一夹具61和第二夹具62。所述的多细胞力学加载装置10被固定于第一夹具61和第二夹具62之间，即支具3与第一夹具61固定，加载箱1的底部与第二夹具62固定。所述的电脑系统30与万能材料试验机20连接，所述的电脑系统30中安装有波形编辑软件。

本实用新型的一种多细胞的力学模拟实验平台的使用方法及其工作原理是：

①将本实用新型的多细胞力学加载装置10用紫外线照射1小时，灭菌消毒；

②将细胞接种于无菌培养皿，加入细胞培养液；

③将本实用新型的多细胞力学加载装置10固定于万能材料试验机20的夹具6上，打开数据采集仪5，调节零点，向加载箱1中放入含有细胞培养液的培养皿；

④运用万能材料试验机20加载700N负荷，检查加载箱1有无漏气，数据采集仪5运行是否正常；

⑤利用电脑系统30中的波形编辑软件，编辑模拟力学加载曲线；

⑥传感器4感应加载箱1底部受力，并将受力值通过无线信号传送给信号采集仪5，调控力学输出，将波形和力学输出相结合，编辑出实验运行程序。

整个过程中，随着施加压力载荷的变化，本实用新型的多细胞力学加载装置10中的活塞2发生上下运动，通过密闭的气体传导，将压力载荷施加在加载箱1底部培养皿中的细胞上，致使细胞受力。

针对上述实施例1-2，需要说明的是，本实用新型的多细胞力学加载装置是采用活塞2向与其大小一致的加载箱1内部压缩空气加载压力，空气的运动方向是一致向下的，因此细胞所受的压力是均匀的；由于压力的加载是通过活塞2实现，而活塞2的运动只需由万能材料试验机20控制，所以可以精确地模拟压力加载过程，而且对于复杂的压力变化过程也可以精确地模拟；所述的加载箱1和活塞2的形状不仅限于圆柱形，二者形状一致、活塞2规格与加载箱1内部规格相同可确保加载箱1的密闭性即可，如设计成圆角四边形，但优选圆柱形，以方便造模；所述的加载箱1采用有机玻璃制成，其内壁光滑，能与活塞2四周紧密贴合，防止漏气；所述的活塞2可使用铝合金活塞、铸铁活塞、铸钢活塞、铝基复合材料活塞等，以耐磨和密封性能好为选择标准；为进一步确保加载箱1的密封性，可在活塞2的四周涂一层无菌甘油；所述的传感器4的顶面与加载箱1的底面要保持在一个水平面上的，保证传感器4感受的压力值与细胞是相同的；所述的传感器4也可以采用有线传感器，使用有线传感器时，传感器4和数据采集仪5之间通过导线连接传送信号；所述的万能材料试验机20不仅限于实施例2，也可以使用其他厂家的设备，以变形测量范围宽、变形示值相对误差小为选择标准。

实施例3 本实用新型的一种多细胞力学模拟实验平台模拟扌袞法曲线

1、实验方法

以临床实验中筛选的扌袞法最佳动力学参数（力量4kg、频率120次／分、时间10min）为基本参数，结合丁季峰中型扌袞法动态曲线图（见图3）和万能材料试验机20的技术要求，利用电脑系统30中的波形编辑程序，设计并调控多细胞力学加载装置10加载力的输出，具体操作步骤是：

①将紫外照射后的多细胞力学加载装置10固定于万能材料试验机20上，接通加载箱1底部的传感器4的电源，打开数据采集仪5，调节零点，将含有PBS缓冲液培养皿放入加载箱1底部；

②启动万能材料试验机20，运行Basic Test Ware 程序，设置位移保护为（10mm，－60mm），作动器方向向下为负值，选择Auto Offset 程序将MTS系统偏移调零后打开Meters窗口，在Sensitive选项中将精度设置为0.1；

③打开液压，选择手动控制程序，操纵作动器带动活塞2在加载箱1中上下移动，依据数据采集仪5的数值显示，确定所施加的力学输出与活塞2位移的对应关系，并最终由位移量程标定力学输出，实验需要的载荷区间为（－100N，－660N）/（－160N，－660N）；

④在波形编辑程序中，选择Axial Displacement和Axial Command作为控制模式，设定为输出曲线纵轴，然后在Plot Mode 中选择Time作为输出曲线横轴并将Auto Offset 偏移调零；

⑤根据实验要求，输入模拟扌袞法曲线相关参数/正弦曲线参数，曲线输出频率为2赫兹，曲线输出时间为10分钟，波形编辑程序内输出1200个循环；

⑥使用Pvc程序校正补偿因偏移等因素引起的曲线输出误差，修正曲线波形，将手动控制中的Enable选项清除，选择Interlock锁定程序，开始测试；

⑦打开示波器，将稳定的波形保存在系统中，并观察其拟合效果；

⑧测试结束后保存程序及曲线，卸除多细胞力学加载装置10，最后关闭液压，退出波形编辑程序。

2、实验结果

2.1模拟扌袞法曲线结果

模拟的扌袞法曲线如图4所示。设定万能材料试验机最大压力输出660N，最小压力输出100N，相对应的绝对位移标定为（－43.43mm，－47.50mm），模拟扌袞法曲线运行轨迹如图5所示。

2.2正弦曲线结果

正弦曲线作为模拟扌袞法曲线的对照，其万能材料试验机最大压力输出600N，最小压力输出160N，相对应的相对位移标定为（－7.00mm，7.00mm），频率120次／分，持续时间为10分钟，曲线运行轨迹如图6所示。

从上述结果可以看出，本实用新型的多细胞力学模拟实验平台可以精准地模拟压力加载过程。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种多细胞的力学加载装置，其特征在于，所述的加载装置包括上端设有支具的活塞和加载箱，所述的活塞的规格与加载箱内部规格一致，所述的加载箱底部设有传感器，外部设有信号采集仪。

2.根据权利要求1所述的多细胞的力学加载装置，其特征在于，所述的活塞和加载箱均是圆柱形。

3.根据权利要求1所述的多细胞的力学加载装置，其特征在于，所述的加载箱是由有机玻璃制成。

4.根据权利要求1-3任一所述的多细胞的力学加载装置，其特征在于，所述的传感器是无线传感器。

5.根据权利要求1-3任一所述的多细胞的力学加载装置，其特征在于，所述的传感器是有线传感器，所述的传感器通过导线与信号采集仪连接。

6.一种多细胞的力学模拟实验平台，其特征在于，所述的实验平台包括如权利要求1-3任一所述的多细胞力学加载装置、电脑系统和设有夹具的万能材料试验机，所述的多细胞力学加载装置固定于夹具上，所述的电脑系统与万能材料试验机连接。