離體細胞微應力施加裝置的製作方法

2023-11-03 08:59:12 1

專利名稱：離體細胞微應力施加裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及生物力學研究中應力施加的裝置，特別是涉及一種對離體培養植物組織和細胞施加微小機械力的裝置。
背景技術：
植物細胞受到來自內部流體壓力和外部的半剛性複合細胞壁系統的束縛，傳統的工程方法難以確定在變化的應力或應變場中植物細胞分裂、發育的規律。研究者們嘗試著通過實驗建立起在機械加載條件下可以真正預測性和描述植物細胞分裂行為的理論體系。
人們提出了多種離體培養細胞的力學實驗方法，對離體培養細胞在應力改變時所產生的變化的研究已日漸增多，相應地用於研究離體培養細胞的力學裝置也有報導。這些裝置大多是針對動物或人的組織或細胞來研發的，其中只有比較少的報導和植物細胞研究有關。
微吸管吸吮技術，這是是檢測變形和黏附對單個細胞或細胞團影響的重要手段，這種裝置在哺乳動物細胞的研究中不斷改進，運用很成功，但植物細胞與動物細胞相比具有細胞壁，即使是植物原生質體也能在較短時間內形成新的細胞壁，因此在植物細胞的力學研究上使用微吸管吸吮技術有較大難度。
壓力載荷法是指在細胞離體培養過程中，模擬在體環境下組織間隙壓力，研究在壓應力作用下細胞力學特性的實驗方法。該法中的試驗裝置只能單純的施加壓應力，應力的大小及頻率控制也受到較大限制。此外運用較多的細胞力學實驗方法還有流體剪切法，其用於研究剪切力對細胞的形態功能的影響及研究血管內皮細胞的黏附力；基底拉伸法，用於模擬細胞受到的拉伸應變。而造價昂貴的原子力顯微鏡在生物學上也用來研究細胞的三維形態學變化和細胞的力學屬性。
在對應力刺激後植物生長行為的研究中，特別需要解決的問題是應力加載的定量和可重複性。為此在植物細胞工程研究中將聲波作為應力加載方式也進行了相應的研究。但聲波作為一種交變應力，其施加應力的頻率受到很大限制，與細胞在現實環境中的差異比較大。為研究機械應力對離體培養細胞生長行為的調節規律，應研製能對離體培養細胞施加機械應力的裝置。

發明內容
本發明的目的在於提供一種經濟且精度較高，在生物力學實驗中能夠對植物離體細胞施加微應力的裝置。
本發明所涉及的技術方案是提供一種離體細胞微應力施加裝置，包括基座部分、機械傳動部分、控制系統部分，基座部分由工作檯、滑塊架、固定擋板組成，機械傳動部分由步進電機、絲槓、滑塊、施壓擋板、阻尼彈簧組成，控制系統由電阻應變片、溫度補償應變片、簧片、應變儀、橋盒、微壓測控儀組成，兩組電阻應變片粘貼在簧片兩側，簧片兩端固定在工作檯和滑塊上，步進電機與絲槓連接，絲槓將推動施壓檔板軸向移動。


圖1，離體細胞微應力施加裝置示意2，微壓測控儀面板示意3，應變片組橋示意4，SPCE061A單片機最小系統組成5，SPCE061A單片機電源電路原理6，微壓測控儀顯示及按鍵部分原理7，步進電機驅動電路(其中一相)下面結合附圖對本發明所涉及的離體細胞微應力施加裝置進一步說明離體細胞微應力施加裝置由基座部分，機械傳動部分和控制系統三部分組成，(見圖1)。整個裝置機械傳動部分安裝在基座部分上，其中步進電機1安裝在工作檯13上，絲槓5與步進電機1連接，與絲槓5連接的滑塊6由固定在工作檯13上的滑塊架16支撐，在滑塊6與施壓擋板8之間由阻尼彈簧7連接，試驗樣本12放置在施壓擋板8和固定擋板11之間，控制部分通過控制線纜2與橋盒17的連接，應變儀4、微壓測控儀3及其附屬電路和步進電機1、電阻應變片9組成反饋控制電路，應變儀4、微壓測控儀3及其附屬電路不固定在工作檯13上，簧片14和橋盒17安裝在工作檯13上，電阻應變片9粘貼在簧片14上，電阻應變片9和溫度補償應變片10由線纜15與橋盒17連接，步進電機1也通過線纜18與橋盒17連接。
本裝置中步進電機1的軸向旋轉通過絲槓5轉換為軸向移動，推動施壓擋板8擠壓試驗樣本12。由於步進電機1輸出的力相對較大，通過阻尼彈簧7將力減小到植物細胞及其培養介質能夠承受的水平，一般力的範圍在在50mN～300mN之內。
為保持輸出的力大小恆定，必須精確獲取施加在試驗樣本12上力的參數，進而通過一個反饋控制迴路來調節步進電機1的運轉。控制部分以微壓測控儀3為核心，以靈敏的電阻應變片9和應變儀4組成壓力探測迴路，配以步進電機1細分驅動迴路和輸入鍵、顯示接口，(見圖2)。所有的控制功能由計算機軟體實現。
測量對試驗樣本的壓力時，我們採用應變片組成半橋電路來實現，(見圖3)。半橋電路可以滿足對試驗樣本施加壓力的值非常微小的要求，又由於應變片的溫度效應，同時受壓的半橋電路沒有溫度補償作用，因此還採用了兩片溫度補償應變片進行溫度補償。
控制部分採用片內集成10位AD轉換器的凌陽16位單片機SPCE061A，SPCE061A的最小系統組成，(見圖4)。SPCE061A的AD採樣程序如下所示void get_AD(void){unsigned int STEP=0;while(!(*P_ADC_MUX_Ctrl0x8000));//等待直至AD轉換完畢STEP=*P_ADC_LINEIN_Data; //讀數並開始下一次AD轉換AD=STEP0xFFC0;}SPCE061A的工作電壓為2.6～3.6V。本系統採用SPY0029穩壓到3.3V為MCU供電，其電源電路原理圖(見圖5)。
本裝置採用三個按鍵分別作為「ADD」「SUB」「ENT」，(見圖2)，3位七段數碼管數值顯示及電源、設定值LED指示，該部分電路原理圖(見圖6)。數值顯示程序如下所示<![CDATA[void display_Nnm(void){ //顯示百位 i=0x00F8*P_IOB_Buffer;//清零,保護鍵值 i|=0x0006;//位掃描 if(E==0)i|=0xFF00;//帶消隱功能 elsei|=num[E]; *P_IOB_Data=i; delay; //顯示十位 i=0x00F8*P_IOB_Buffer;//清零,保護鍵值 i|=0x0005;//位掃描 i|=num[T]; *P_IOB_Data=i; delay; //顯示個位,為0 i=0x00F8*P_IOB_Buffer;//清零,保護鍵值 i|=0x0003;//位掃描 i|=num
; *P_IOB_Data=i; delay;}//END void display_Nnm(void)]]>
取鍵值程序<![CDATA[key=0x0038*P_IOB_Data; //取鍵值 switch(key) {case 0x0020: //keyl　　if(m==1){SET++;m=0;}　　break;　　case 0x0010: //key2　　if(m==1){SET--;m=0;}　　break;　　case 0x0008: //key3　　if(m==1){Y=0;m=2;}//確認　　break;　　default:m=1; //按鍵已被釋放,置位標誌位　　break;　　} *P_IOB_Data=*P_IOB_Buffer;//復位key;清IOB3、IOB4、IOB5(為低);]]>鍵值處理本裝置的機械部分執行機構採用四相步進電機驅動，(見圖7)。步進電機的電壓為4.5～7.5V，為簡化系統，採用5V即和控制部分同樣的供電電壓，步進電機驅動程序如下<![CDATA[switch(stepM) //正轉,加壓{　　case 0:*P_IOA_Data=0x6FFF*P_IOA_Buffer; //DA 低有效,A為最高位。　　stepM=1;break;　　case 1:*P_IOA_Data=0xE000|*P_IOA_Buffer; //D　　stepM=2;break;　　case 2:*P_IOA_Data=0xCFFF*P_IOA_Buffer; //CD　　stepM=3;break;　　case 3:*P_IOA_Data=0xD000|*P_IOA_Buffer; //C　　stepM=4;break;　　case 4:*P_IOA_Data=0x9FFF*P_IOA_Buffer; //BC　　stepM=5;break;　　case 5:*P_IOA_Data=0xB000|*P_IOA_Buffer; //B　　stepM=6;break;　　case 6:*P_IOA_Data=0x3FFF*P_IOA_Buffer; //AB　　stepM=7;break;　　case 7:*P_IOA_Data=0x7000|*P_IOA_Buffer; //A　　stepM=0;break;　　default:stepM=0;break; //ERROR　　}//END switch(stepM)]]>本加載裝置具有結構簡單，操作方便，加載梯度小，微調精度高、無卸載現象，不受轉向限制，能實現微量、周期、自動、平穩加載的良好特性。本裝置與超高精度傳感器和測試儀表配合使用，不僅適用於植物單細胞的應力加載試驗，而且可以推廣應用動物細胞的生物力學相關實驗中去。
權利要求
1.一種離體細胞微應力施加裝置，包括基座部分、機械傳動部分、控制系統部分，基座部分由工作檯(13)、滑塊架(16)、固定擋板(11)組成，機械傳動部分由步進電機(1)、絲槓(5)、滑塊(6)、施壓擋板(8)、阻尼彈簧(7)組成，控制系統由電阻應變片(9)、溫度補償應變片(10)、簧片(14)、應變儀(4)、橋盒(17)、微壓測控儀(3)組成，其特徵在於兩組電阻應變片(9)粘貼在簧片(14)兩側，簧片(14)兩端固定在工作檯(13)和滑塊(6)上，步進電機(1)與絲槓(5)連接，絲槓(5)將推動施壓檔板(8)軸向移動。
2.根據權利要求1所述離體細胞微應力施加裝置，其特徵在於控制系統中簧片(14)兩面均貼有電阻應變片(9)和溫度補償應變片(10)，電阻應變片(9)和溫度補償應變片(10)組成半橋電路。
3.根據權利要求1所述離體細胞微應力施加裝置，其特徵在於控制系統中採用了兩塊應變片(10)作為溫度補償應變片進行溫度補償。
全文摘要
本裝置主要應用生物力學、機械設計、電路設計、單片機等學科的基本理論和方法，研製出一套能進行反饋控制連續加載的系統。該裝置可向離體培養細胞施加一個範圍在50mN～300mN之間的恆定微小壓力，同時保持細胞的活性。該裝置的主控模塊是以16位單片機SPCE061A為核心，應力大小可調節和顯示，應力變化的信號通過應變片和單通道動態應變儀來檢測和放大，並由步進電機實現應力的施加。該裝置的研製提出一種新的細胞力學試驗裝置和試驗方法。
文檔編號G01N3/00GK1834220SQ200510118968
公開日2006年9月20日 申請日期2005年10月28日 優先權日2005年7月7日
發明者王伯初, 朱蠡慶, 周菁, 王益川 申請人:重慶大學