CN204495650U - 细胞基底张应力加载装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种细胞基底张应力加载装置，由电源模块、控制模块、传动模块、数据采集模块组成，控制模块中的可编程逻辑控制器通过交流伺服驱动器连接伺服电机，用于实现电机旋转角度和转动速度的高精度控制；数据采集模块由采集卡和计算机组成，采集卡连接计算机，用于将S型拉压力传感器和光电编码器采集弹性基底上张应力和张应变的变化电信号数字化后输入计算机并显示；弹性基底一端固定在弹性基底固定架上，另一端连接在直线滑块上，伺服电机通过滚珠丝杆连接直线滑块，直线滑块与平行直线导轨配合滑动连接。本实用新型能够模拟出人体生理环境要求的张应力、张应变范围，并能实现张应力值、张应变值在大小、频率和加载时间方面的有效控制。

Description

细胞基底张应力加载装置

技术领域

本实用新型涉及一种模拟生理环境下的细胞基底张应力加载装置，以期为体外研究张应力对于细胞的形态、增殖及内部蛋白表达等方面的影响提供实验平台。

背景技术

根据世界卫生组织WHO的报道，心血管疾病致死率最高，每年死于心血管疾病的人数多于任何其它死因。据统计，2008年，死于心血管疾病的人数为1730万，占全球死亡总数的30％。心血管疾病（主要是心脏病和中风）的死亡人数，到2030年将增加至2330万人。心血管疾病将被继续认为是全球的单个首要死因。心血管疾病已严重威胁到正常机体的生命活动，因此，研究心血管疾病的发病机理、预防措施、诊断鉴别、治疗手段等至关重要。

在体细胞通常处于复杂的张应力环境，在心血管系统中，由于心脏有节律的收缩和舒张引起动脉管壁周期性运动，血管平滑肌细胞、内皮细胞等受到脉动式交变张应力作用。已有研究表明：血管壁细胞能识别人体细胞所受的应力，并且这些力学信号将传至细胞内部从而刺激细胞的生长、代谢、表型分化、基因表达、自分泌、旁分泌等生理过程的改变,细胞内部的这些改变与高血压、动脉粥样硬化及血管移植后再狭窄等的血管重建现象密切相关。因此，为了解心血管疾病（AS、血栓等）的成因和临床上的预防及治疗，需深入了解内压作用下血管壁中的应力分布情况。而对于管壁应力的研究，研制离体细胞拉伸加载实验装置，已成为力学生物学研究的关键问题。目前，国内外对于正应力、切应力的研究较多，对于张应力的研究相对较少。因此，有必要建立张应力体外加载装置，研究张应力应力环境下细胞的力学行为。

体外张应力加载装置的研制，主要采用的是基底应变加载技术。应变加载技术的原理是以弹性膜为基底材料，利用模板、液体或气体对基底膜施加可控的位移或压力作用，引起培养膜发生弹性变形，从而使膜上的细胞受到相应的

张应变作用。经过多年的发展，国内外已经研制出多种对体外细胞张应力加载装置，主要有矩形基底拉伸法、圆形基底变型法和4 点弯曲梁加载法3 种。矩形基底拉伸法属于单轴拉伸法，模仿生理条件下基质的形变，通过不同方法牵拉培养基膜，使黏附在基膜上的细胞被动拉伸。由于该方法简便，控制形变程度精确，在平面培养体系中可以最大限度接近体内力学环境，目前被认为是一种最佳应变加载方式。圆形基底加载属于等双轴拉伸，虽能够很好的反映体内如肺泡的扩张、血管的脉动等真实情况，但该种加载过程中膜的应变是辐射对称的。4 点弯曲梁加载法能够提供的应变范围很小，加载时间有限，应变调节比较困难。本实用新型要实现的是所构造的体外应力环境更接近人体血管的生理状况，实现较为均匀的应变，因此选用矩形基底拉伸法。

发明内容

本实用新型是要提供一种细胞基底张应力加载装置，所要达到的是装置能够模拟出人体生理环境要求的张应力、张应变范围，并能实现张应力值、张应变值在大小、频率和加载时间方面的有效控制，能够为体外进行细胞实验研究提供实验平台。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：采用机电一体化设计，利用伺服电机的高精度的特点来实现对于参数的准确控制和实现。采用矩形基底拉伸方法，其基本原理为模仿生理条件下基质的形变进而使细胞发生形变的方法，通过一定方式使弹性基底（硅胶片）产生形变，从而使黏附在弹性基底（硅胶片）上的细胞产生被动拉伸。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：一种细胞基底张应力加载装置，由电源模块、控制模块、传动模块和数据采集模块四个模块组成，电源模块、控制模块和数据采集模块置于电器安装板上，

所述控制模块由交流伺服驱动器，可编程逻辑控制器，电器元件，接近开关，光电编码器和S型拉压力传感器组成，可编程逻辑控制器通过交流伺服驱动器连接伺服电机，用于实现对于电机旋转角度和转动速度的高精度控制，所述接近开关与可编程逻辑控制器直接相连，用于控制电机停转以达到拉伸限位的目的，所述电器元件与可编程逻辑控制器直接相连，用于可编程逻辑控制器控制交流伺服驱动器使伺服电机转动的信号采集；

所述数据采集模块由采集卡和计算机组成 ，所述采集卡连接计算机，用于将S型拉压力传感器和光电编码器采集弹性基底上张应力和张应变的变化电信号数字化后输入计算机并显示；

所述传动模块由底座，伺服电机，弹性基底，弹性基底固定架，弹性基底移动夹持块，第一、二拉力块，直线滑块，滚珠丝杆和丝杆固定轴承座组成，所述弹性基底一端固定在弹性基底固定架上，另一端连接在直线滑块上，伺服电机通过滚珠丝杆连接直线滑块，直线滑块置于平行直线导轨，并与平行直线导轨配合滑动连接。

所述电源模块由220V市级电源和开关电源组成，开关电源连接220V市级电源，用于将220V市级电源的交流电转换为24V直流电，为采集卡、可编程逻辑控制器、S型拉压力传感器提供电量。

本实用新型的有益效果：

（1）装置的体外应力环境更接近人体血管的生理状况：装置的设计要实现装置要能够在实验所设定的参数范围内运行；

（2）既可以实现弹性基底的静态载荷，又可实现动态载荷：静态载荷即硅胶片上进行的是单个周期的拉伸，动态载荷即硅胶片上进行的是多个周期的拉伸； 

（3）可单独研究张应力对细胞的影响（单因素作用）：在体动脉同时承受着正应力、切应力和张应力的作用，此发明重点在于为研究张应力对细胞的影响作用提供实验平台。

附图说明

图1是本实用新型的实验装置的立体示意图；

图2是本实用新型的传动模块部分俯视图；

图3是本实用新型的传动模块部分侧视图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图1至图3所示，一种细胞基底张应力加载装置，由电源模块、控制模块、传动模块和数据采集模块四个模块组成，电源模块有220V市级电源和开关电源3组成。主要包括电器安装版1、交流伺服驱动器2、开关电源3、可编程逻辑控制器4、采集卡5、电器元件6、底座7、接近开关8、伺服电机9、光电编码器10、S型拉压力传感器11、弹性基底（硅胶片）12、弹性基底固定架13、弹性基底移动夹持块14、第一、二拉力块15、17、直线滑块16、滚珠丝杆18、丝杆固定轴承座19等。

开关电源将220V交流电转换为24V直流电，为电路中采集卡5、可编程逻辑控制器4、S型拉压力传感器11等提供电量，作为控制供电，220V市级电直接给交流伺服驱动器2提供动力电。

控制模块由交流伺服驱动器2，可编程逻辑控制器4，电器元件6，光电编码器10，接近开关8，和S型拉压力传感器11组成，可编程逻辑控制器4发脉冲给交流伺服驱动器2，之后，由交流伺服驱动器2控制伺服电机9按照一定的速度运转，由电机尾部的光电编码器10将速度信息等反馈给交流伺服驱动器2，交流伺服驱动器2将反馈值与目标值相比较之后再次控制电机转子的转动，由此形成闭环控制，实现了电机旋转角度和转动速度的高精度控制。接近开关8与可编程逻辑控制器4直接相连，当伺服电机9带动滚珠丝杆18传动，直线滑块16（金属）靠近接近开关8，接近开关8熄灭，将信息反馈给可编程逻辑控制器4，控制电机停转以达到拉伸限位的目的。电器元件6与可编程逻辑控制器4直接相连，当可编程逻辑控制器4控制交流伺服驱动器2使伺服电机9转动时，进行信号采集。

数据采集模块为数据的采集与处理部分，由采集卡5和计算机组成。S型拉压力传感器11采集到弹性基底（硅胶片）12上张应力和张应变的变化并转化为电信号，采集卡5采集到这些模拟信号并将其数字化后导入计算机并显示。

传动模块由底座7，伺服电机9，S型拉压力传感器11，弹性基底（硅胶片）12，弹性基底固定架13，弹性基底移动夹持块14，第一、二拉力块15、17，直线滑块16，滚珠丝杆18和丝杆固定轴承座19组成。

如图2，3所示，传动模块的工作原理是：弹性基底（硅胶片）12一端固定在弹性基底固定架13上，另一端连至直线滑块16，伺服电机9与滚珠丝杆18连接，伺服电机9转动带动滚珠丝杆18和直线滑块16在平行直线导轨上左右平动，从而对弹性基底（硅胶片）12起到拉伸作用。

Claims (2)

1.一种细胞基底张应力加载装置，由电源模块、控制模块、传动模块和数据采集模块四个模块组成，电源模块、控制模块和数据采集模块置于电器安装板（1）上，其特征在于：

所述控制模块由交流伺服驱动器（2），可编程逻辑控制器（4），电器元件（6），接近开关（8），光电编码器（10）和S型拉压力传感器（11）组成，可编程逻辑控制器（4）通过交流伺服驱动器（2）连接伺服电机（9），用于实现对于电机旋转角度和转动速度的高精度控制，所述接近开关（8）与可编程逻辑控制器（4）直接相连，用于控制电机停转以达到拉伸限位的目的，所述电器元件（6）与可编程逻辑控制器（4）直接相连，用于可编程逻辑控制器（4）控制交流伺服驱动器（2）使伺服电机（8）转动的信号采集；

所述数据采集模块由采集卡（5）和计算机组成 ，所述采集卡（5）连接计算机，用于将S型拉压力传感器（11）和光电编码器（10）采集弹性基底（12）上张应力和张应变的变化的电信号数字化后输入计算机并显示；

所述传动模块由底座（7），伺服电机（9），弹性基底（12），弹性基底固定架（13），弹性基底移动夹持块（14），第一、二拉力块（15、17），直线滑块（16），滚珠丝杆（18）和丝杆固定轴承座（19）组成，所述弹性基底（12）一端固定在弹性基底固定架（13）上，另一端连接在直线滑块（16）上，伺服电机（9）通过滚珠丝杆（18）连接直线滑块（16），直线滑块（16）置于平行直线导轨，并与平行直线导轨配合滑动连接。

2.根据权利要求1所述的细胞基底张应力加载装置，其特征在于：所述电源模块由220V市级电源和开关电源（3）组成，开关电源（3）连接220V市级电源，用于将220V市级电源的交流电转换为24V直流电，为采集卡（5）、可编程逻辑控制器（4）、S型拉压力传感器（11）提供电量。