專利名稱：三維培養(yǎng)條件下大作用力細(xì)胞應(yīng)變加載裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于生物力學(xué)研究的測定裝置，特別涉及一種三維培養(yǎng)條件下細(xì)胞接受機(jī)械應(yīng)力刺激的加載實(shí)驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：
近年來，隨著生命科學(xué)與其他學(xué)科之間交叉研究的日益增多，生物力學(xué)作為應(yīng)用力學(xué)原理和方法對生物體中的力學(xué)問題進(jìn)行定量研究的新興學(xué)科，逐漸成為生物學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。其中細(xì)胞對力學(xué)刺激的響應(yīng)研究是目前生物力學(xué)研究的前沿領(lǐng)域之一。然而由于人體體內(nèi)環(huán)境極其復(fù)雜，該方面的體內(nèi)研究也變的較為困難。而多種離體細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)為在細(xì)胞層面上研究力學(xué)刺激的生物學(xué)效應(yīng)提供了可能。研究表明力學(xué)刺激會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞骨架產(chǎn)生形變、引起骨架排列的變化，進(jìn)而影響細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞自身的力學(xué)性能、黏附力、增殖、分化等多個(gè)方面。
許多離體細(xì)胞力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法已經(jīng)被研究人員提出并用于生物體對力學(xué)因素的響應(yīng)等機(jī)理方面的研究，如基底拉伸、四點(diǎn)彎曲拉伸、流體靜壓力以及單獨(dú)流體剪應(yīng)力刺激、流體剪應(yīng)力組合等。同時(shí)也建立了許多力學(xué)加載的模型。公開號為CN 1847847的中國專利公開了的一種細(xì)胞力學(xué)加載系統(tǒng)，該系統(tǒng)由底部固定有硅膠膜的培養(yǎng)腔構(gòu)成，硅膠膜上可以接種細(xì)胞，硅膠膜底部有頂升氣囊，通過調(diào)整氣囊內(nèi)部氣體的多少產(chǎn)生變形，從而使硅膠膜變形產(chǎn)生平面的等雙軸周期性拉應(yīng)力或壓應(yīng)力。該裝置雖然操作簡單、體積小，但外力使氣囊產(chǎn)生的變形與其內(nèi)部氣體的初始壓力密切相關(guān)，因此難以做到十分精確的控制氣囊變形；其次該裝置中細(xì)胞接受到的形變沒有直接的檢測系統(tǒng)。公開號為CN 1425905的專利發(fā)明了一種四點(diǎn)彎曲細(xì)胞力學(xué)加載儀，該裝置通過步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)傳動(dòng)螺桿產(chǎn)生前后位移，推動(dòng)壓頭(與細(xì)胞培養(yǎng)板上下各有兩個(gè)接觸點(diǎn))加載接種有細(xì)胞的培養(yǎng)板，使培養(yǎng)板及細(xì)胞產(chǎn)生變形。該裝置可控性好，重復(fù)精度高，由于需要使用但裝置較為復(fù)雜，且由于培養(yǎng)板不同位置的形變不同，所以不能保證細(xì)胞產(chǎn)生相同的形變。公開號為CN 1932510的專利公開了一種細(xì)胞拉伸的加載裝置，它通過控制器、驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過絲桿把轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗椒较虻奈灰疲瓌?dòng)接種有細(xì)胞的培養(yǎng)膜，使細(xì)胞受到水平方向的拉伸變形，該裝置能夠使細(xì)胞受力較為均勻，可以精確控制拉伸幅度和頻率，拉伸距離也可以方便的調(diào)節(jié)，但該裝置中使用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，不可避免的帶來磁場的干擾，而磁場作為一種物理因素對細(xì)胞的影響作用目前尚不明確，對于我們研究細(xì)胞對力學(xué)刺激的響應(yīng)帶來干擾因素。
上述三個(gè)專利所公開的裝置均建立在單層細(xì)胞培養(yǎng)基礎(chǔ)上，培養(yǎng)細(xì)胞單層生長，在進(jìn)行如形態(tài)觀察、細(xì)胞染色等實(shí)驗(yàn)時(shí)較為方便，但缺乏體內(nèi)環(huán)境下細(xì)胞所處的立體空間，減弱了細(xì)胞間自分泌、旁分泌的相互影響和作用，而體細(xì)胞在受到力學(xué)刺激時(shí)的環(huán)境是三維立體的，因此在進(jìn)行該方面的研究時(shí)應(yīng)該建立三維立體條件下細(xì)胞的研究模型。公開號為CN 1567399的專利公開了一種三維培養(yǎng)條件下心肌細(xì)胞的力學(xué)刺激裝置，該裝置利用組織工程的方法構(gòu)建了細(xì)胞--膠原的復(fù)合體，形成細(xì)胞的三維培養(yǎng)環(huán)境，再通過電機(jī)、飛輪、連桿和滑塊把電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)樗椒较蛏系倪\(yùn)動(dòng)，周期性的加載細(xì)胞--膠原的復(fù)合體，使細(xì)胞受到力學(xué)刺激。該裝置雖然實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞的三維生長環(huán)境，但其驅(qū)動(dòng)仍然使用工作時(shí)產(chǎn)生磁場的電機(jī)，且對其加載幅度的調(diào)節(jié)需要停機(jī)，給操作帶來諸多不便；此外，該裝置采用過多的機(jī)械傳動(dòng)，工作時(shí)難免產(chǎn)生噪聲和熱量，也存在長期工作中的磨損問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、存在磁場、熱量等干擾因素等方面的不足，本發(fā)明提供了一種三維培養(yǎng)條件下細(xì)胞或組織應(yīng)變加載裝置，結(jié)構(gòu)簡單，可不停機(jī)改變加載振幅、頻率等參數(shù)，避免磁場干擾，產(chǎn)生熱量低，適用于三維培養(yǎng)條件下細(xì)胞的力學(xué)加載實(shí)驗(yàn)裝置。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是采用壓電陶瓷片作為驅(qū)動(dòng)源，對細(xì)胞--多孔支架構(gòu)成的三維復(fù)合體進(jìn)行力學(xué)刺激。本發(fā)明主要針對三維培養(yǎng)條件下對細(xì)胞進(jìn)行力學(xué)刺激，包括壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源、壓電陶瓷片驅(qū)動(dòng)部分、細(xì)胞培養(yǎng)單元以及激光位移傳感器形變檢測部分。壓電陶瓷片驅(qū)動(dòng)部分主要由其核心部件壓電陶瓷片、電極、陶瓷片固定裝置、傳遞柱塞、多孔固定材料構(gòu)成；細(xì)胞培養(yǎng)單元由基底和培養(yǎng)小室構(gòu)成；激光位移傳感器形變檢測部分由激光探頭和計(jì)算機(jī)組成。所述的壓電陶瓷片采用技術(shù)成熟、方便購買的壓電堆疊驅(qū)動(dòng)器，能夠?qū)崿F(xiàn)對硬度較大的細(xì)胞--多孔支架復(fù)合體的加載。電源通過驅(qū)動(dòng)線連接至壓電堆疊驅(qū)動(dòng)器的電極上，通過陶瓷片固定裝置將壓電堆疊驅(qū)動(dòng)器固定在細(xì)胞培養(yǎng)單元上，位移傳遞柱塞一端固定在壓電堆疊驅(qū)動(dòng)器的位移輸出端，另一端與連接細(xì)胞--支架構(gòu)成的三維復(fù)合體的多孔固定材料連接。細(xì)胞--支架構(gòu)成的三維復(fù)合體位于培養(yǎng)小室底部中央位置，左右分別連接多孔固定材料，一側(cè)的多孔固定材料固定在培養(yǎng)小室壁上，另一側(cè)的多孔固定材料與位移傳遞柱塞固定連接。激光探頭非接觸安裝于傳遞柱塞后端，與計(jì)算機(jī)相連，檢測傳遞柱塞的前后位移。
所述多孔固定材料為不會(huì)產(chǎn)生細(xì)胞毒性的多孔材料，如多孔聚乙烯等。
本發(fā)明中細(xì)胞培養(yǎng)單元采用有機(jī)玻璃或聚四氟乙烯材料制成，易于加工，同時(shí)也可以方便的滅菌，防止可能的污染發(fā)生。
本發(fā)明的工作原理壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源提供壓電堆疊驅(qū)動(dòng)器需要的正弦波或其他波形的電壓，壓電堆疊驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的彎曲變形或壓電堆疊驅(qū)動(dòng)器的前后位移通過位移傳遞柱塞傳遞到細(xì)胞--多孔支架復(fù)合體上，細(xì)胞--多孔支架復(fù)合體兩端分別和多孔固定材料聚合在一起，以便柱塞前后運(yùn)動(dòng)時(shí)可以產(chǎn)生壓縮或拉伸變形，進(jìn)而使細(xì)胞產(chǎn)生周期性的形變。通過與傳遞柱塞非接觸安裝的激光探頭，檢測傳遞柱塞的位移量，數(shù)據(jù)傳遞至計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)軟件的處理，實(shí)時(shí)顯示位移波形。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明可以對細(xì)胞施加正弦波或三角波等波形的形變，頻率范圍為0-100Hz，變形幅度為最大可達(dá)1mm，并且采用構(gòu)建多孔支架和細(xì)胞復(fù)合體的方法提供了細(xì)胞生長所需的三維立體環(huán)境，最大程度的模擬了細(xì)胞體內(nèi)的生長環(huán)境。該裝置采用壓電堆疊驅(qū)動(dòng)器作為加載細(xì)胞的動(dòng)力，能夠在不停機(jī)的情況下加載振幅、頻率，并可以方便的調(diào)節(jié)，同時(shí)壓電堆疊驅(qū)動(dòng)器作用力較大，能夠?qū)崿F(xiàn)對硬度較大的細(xì)胞～多孔支架復(fù)合體的加載。
本發(fā)明中的細(xì)胞力學(xué)加載實(shí)驗(yàn)裝置輸出產(chǎn)生多種形式的拉伸、壓縮應(yīng)變，具有可操作性好，重復(fù)精度高，力學(xué)加載平穩(wěn)，誤差小，避免了步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源時(shí)帶來的磁場干擾?？梢蕴峁┘?xì)胞生長需要的三維立體培養(yǎng)環(huán)境等特點(diǎn)，能夠十分精確的控制使細(xì)胞產(chǎn)生的形變，相同條件下的實(shí)驗(yàn)有良好的一致性?？梢宰鳛樯锪W(xué)中對細(xì)胞進(jìn)行力學(xué)刺激響應(yīng)研究的實(shí)驗(yàn)裝置。

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1是本發(fā)明所述的大作用力細(xì)胞三維培養(yǎng)應(yīng)變加載裝置示意圖； 圖中，1-驅(qū)動(dòng)器支架，2-電源，3-驅(qū)動(dòng)線，4-固定螺栓，5-壓電堆疊驅(qū)動(dòng)器，6-培養(yǎng)小室，7-傳遞柱塞，8-柱塞連接固定銷，9-膠原支架與細(xì)胞的復(fù)合體，10-多孔固定材料，11-激光探頭，12-計(jì)算機(jī)。
圖2是本發(fā)明所述的大作用力細(xì)胞三維培養(yǎng)單元三維示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例 參照圖1和圖2，本發(fā)明裝置包括壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源、壓電陶瓷片驅(qū)動(dòng)部分、細(xì)胞培養(yǎng)單元以及激光位移傳感器形變檢測部分。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源2通過驅(qū)動(dòng)線3為壓電陶瓷片驅(qū)動(dòng)部分提供加載電壓；壓電陶瓷片驅(qū)動(dòng)部分主要由其核心部件壓電堆疊驅(qū)動(dòng)器5、電極、陶瓷片固定裝置、傳遞柱塞7、多孔固定材料10構(gòu)成；細(xì)胞培養(yǎng)單元由基底和培養(yǎng)小室6構(gòu)成；激光位移傳感器形變檢測部分由激光探頭11和計(jì)算機(jī)12組成。其中基底選用驅(qū)動(dòng)器支架1，陶瓷片固定裝置選用固定螺栓4，多孔固定材料10使用多孔聚乙烯，驅(qū)動(dòng)器支架1、固定螺栓4、培養(yǎng)小室6均為有機(jī)玻璃材料，傳遞柱塞7材料為聚四氟乙烯。驅(qū)動(dòng)器支架1為該裝置的底座，培養(yǎng)小室6固定在驅(qū)動(dòng)器支架1上。使用壓電堆疊驅(qū)動(dòng)器5作為驅(qū)動(dòng)源，提供驅(qū)動(dòng)力。位移的傳遞通過傳遞柱塞7實(shí)現(xiàn)。將壓電堆疊驅(qū)動(dòng)器5用固定螺栓4固定在驅(qū)動(dòng)器支架1中，將傳遞柱塞7連接在壓電堆疊驅(qū)動(dòng)器5振動(dòng)輸出端。傳遞柱塞7的各部分用柱塞連接固定銷8連接。傳遞柱塞的另一端與連接膠原支架與細(xì)胞的復(fù)合體9的多孔固定材料10連接。膠原支架與細(xì)胞的復(fù)合體9位于培養(yǎng)小室底部中央位置，左右分別連接多孔固定材料10，一側(cè)的多孔固定材料10固定在培養(yǎng)小室6壁上，另一側(cè)的多孔固定材料10與傳遞柱塞7固定連接。實(shí)驗(yàn)中對細(xì)胞施加力學(xué)刺激時(shí)，首先調(diào)節(jié)電源2輸出需要的電壓信號，壓電堆疊驅(qū)動(dòng)器5輸出相應(yīng)的形變，通過傳遞柱塞7傳遞使膠原支架與細(xì)胞的復(fù)合體9產(chǎn)生變形。激光探頭11非接觸安裝在傳遞柱塞7的前方，用于收集傳遞柱塞7的形變信號，信號經(jīng)過計(jì)算機(jī)12軟件處理，得到檢測到的振動(dòng)波形和振幅等參數(shù)。
權(quán)利要求1、三維培養(yǎng)條件下大作用力細(xì)胞應(yīng)變加載裝置，包括壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源、壓電陶瓷片驅(qū)動(dòng)部分、細(xì)胞培養(yǎng)單元以及激光位移傳感器形變檢測部分，其特征在于所述壓電陶瓷片驅(qū)動(dòng)部分包括壓電陶瓷片、電極、陶瓷片固定裝置、傳遞柱塞、多孔固定材料；細(xì)胞培養(yǎng)單元由基底和培養(yǎng)小室構(gòu)成；激光位移傳感器形變檢測部分包括激光探頭和計(jì)算機(jī)；所述的壓電陶瓷片采用壓電堆疊驅(qū)動(dòng)器，電源通過驅(qū)動(dòng)線連接至壓電堆疊驅(qū)動(dòng)器的電極上，通過陶瓷片固定裝置將壓電堆疊驅(qū)動(dòng)器固定在細(xì)胞培養(yǎng)單元上，位移傳遞柱塞一端固定在壓電堆疊驅(qū)動(dòng)器的位移輸出端，另一端與連接細(xì)胞--支架構(gòu)成的三維復(fù)合體的多孔固定材料連接；細(xì)胞--支架構(gòu)成的三維復(fù)合體位于培養(yǎng)小室底部中央位置，左右分別連接多孔固定材料，一側(cè)的多孔固定材料固定在培養(yǎng)小室壁上，另一側(cè)的多孔固定材料與位移傳遞柱塞固定連接；激光探頭非接觸安裝于傳遞柱塞后端，與計(jì)算機(jī)相連，檢測傳遞柱塞的前后位移。
2、根據(jù)利用權(quán)利要求1所述的三維培養(yǎng)條件下大作用力細(xì)胞應(yīng)變加載裝置，其特征在于所述的多孔固定材料為不會(huì)產(chǎn)生細(xì)胞毒性的多孔材料。
3、根據(jù)利用權(quán)利要求1所述的三維培養(yǎng)條件下大作用力細(xì)胞應(yīng)變加載裝置，其特征在于所述的細(xì)胞培養(yǎng)單元采用有機(jī)玻璃或聚四氟乙烯材料制成。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種三維培養(yǎng)條件下大作用力細(xì)胞應(yīng)變加載裝置，將電源通過驅(qū)動(dòng)線連接至壓電陶瓷片驅(qū)動(dòng)部分的電極上，電極與壓電堆疊驅(qū)動(dòng)器相連；通過陶瓷片固定裝置將壓電堆疊驅(qū)動(dòng)器固定在基底上，位移傳遞柱塞后端與壓電堆疊驅(qū)動(dòng)器的位移輸出端固定在一起，細(xì)胞-支架構(gòu)成的三維復(fù)合體位于培養(yǎng)小室底部中央位置，左右分別連接多孔固定材料，一側(cè)的多孔固定材料固定在培養(yǎng)小室壁上，另一側(cè)的多孔固定材料與位移傳遞柱塞固定連接；激光探頭非接觸安裝于傳遞柱塞后端，與計(jì)算機(jī)相連，檢測傳遞柱塞的前后位移。本實(shí)用新型能夠在不停機(jī)的情況下加載振幅、頻率，并方便的調(diào)節(jié)；具有可操作性好，重復(fù)精度高，力學(xué)加載平穩(wěn)，誤差小，避免了磁場干擾。
文檔編號C12Q1/02GK201149590SQ2008200281
公開日2008年11月12日 申請日期2008年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月22日
發(fā)明者澎 商, 騫愛榮, 楊鵬飛, 沖 丁, 哲 王 申請人:西北工業(yè)大學(xué)