專利名稱：離體細(xì)胞微應(yīng)力施加裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物力學(xué)研究中應(yīng)力施加的裝置，特別是涉及一種對(duì)離體培養(yǎng)植物組織和細(xì)胞施加微小機(jī)械力的裝置。
背景技術(shù)：
植物細(xì)胞受到來(lái)自內(nèi)部流體壓力和外部的半剛性復(fù)合細(xì)胞壁系統(tǒng)的束縛，傳統(tǒng)的工程方法難以確定在變化的應(yīng)力或應(yīng)變場(chǎng)中植物細(xì)胞分裂、發(fā)育的規(guī)律。研究者們嘗試著通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立起在機(jī)械加載條件下可以真正預(yù)測(cè)性和描述植物細(xì)胞分裂行為的理論體系。
人們提出了多種離體培養(yǎng)細(xì)胞的力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)離體培養(yǎng)細(xì)胞在應(yīng)力改變時(shí)所產(chǎn)生的變化的研究已日漸增多，相應(yīng)地用于研究離體培養(yǎng)細(xì)胞的力學(xué)裝置也有報(bào)道。這些裝置大多是針對(duì)動(dòng)物或人的組織或細(xì)胞來(lái)研發(fā)的，其中只有比較少的報(bào)道和植物細(xì)胞研究有關(guān)。
微吸管吸吮技術(shù)，這是是檢測(cè)變形和黏附對(duì)單個(gè)細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)影響的重要手段，這種裝置在哺乳動(dòng)物細(xì)胞的研究中不斷改進(jìn)，運(yùn)用很成功，但植物細(xì)胞與動(dòng)物細(xì)胞相比具有細(xì)胞壁，即使是植物原生質(zhì)體也能在較短時(shí)間內(nèi)形成新的細(xì)胞壁，因此在植物細(xì)胞的力學(xué)研究上使用微吸管吸吮技術(shù)有較大難度。
壓力載荷法是指在細(xì)胞離體培養(yǎng)過(guò)程中，模擬在體環(huán)境下組織間隙壓力，研究在壓應(yīng)力作用下細(xì)胞力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)方法。該法中的試驗(yàn)裝置只能單純的施加壓應(yīng)力，應(yīng)力的大小及頻率控制也受到較大限制。此外運(yùn)用較多的細(xì)胞力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法還有流體剪切法，其用于研究剪切力對(duì)細(xì)胞的形態(tài)功能的影響及研究血管內(nèi)皮細(xì)胞的黏附力；基底拉伸法，用于模擬細(xì)胞受到的拉伸應(yīng)變。而造價(jià)昂貴的原子力顯微鏡在生物學(xué)上也用來(lái)研究細(xì)胞的三維形態(tài)學(xué)變化和細(xì)胞的力學(xué)屬性。
在對(duì)應(yīng)力刺激后植物生長(zhǎng)行為的研究中，特別需要解決的問(wèn)題是應(yīng)力加載的定量和可重復(fù)性。為此在植物細(xì)胞工程研究中將聲波作為應(yīng)力加載方式也進(jìn)行了相應(yīng)的研究。但聲波作為一種交變應(yīng)力，其施加應(yīng)力的頻率受到很大限制，與細(xì)胞在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的差異比較大。為研究機(jī)械應(yīng)力對(duì)離體培養(yǎng)細(xì)胞生長(zhǎng)行為的調(diào)節(jié)規(guī)律，應(yīng)研制能對(duì)離體培養(yǎng)細(xì)胞施加機(jī)械應(yīng)力的裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種經(jīng)濟(jì)且精度較高，在生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)中能夠?qū)χ参镫x體細(xì)胞施加微應(yīng)力的裝置。
本發(fā)明所涉及的技術(shù)方案是提供一種離體細(xì)胞微應(yīng)力施加裝置，包括基座部分、機(jī)械傳動(dòng)部分、控制系統(tǒng)部分，基座部分由工作臺(tái)、滑塊架、固定擋板組成，機(jī)械傳動(dòng)部分由步進(jìn)電機(jī)、絲杠、滑塊、施壓擋板、阻尼彈簧組成，控制系統(tǒng)由電阻應(yīng)變片、溫度補(bǔ)償應(yīng)變片、簧片、應(yīng)變儀、橋盒、微壓測(cè)控儀組成，兩組電阻應(yīng)變片粘貼在簧片兩側(cè)，簧片兩端固定在工作臺(tái)和滑塊上，步進(jìn)電機(jī)與絲杠連接，絲杠將推動(dòng)施壓檔板軸向移動(dòng)。


圖1，離體細(xì)胞微應(yīng)力施加裝置示意2，微壓測(cè)控儀面板示意3，應(yīng)變片組橋示意4，SPCE061A單片機(jī)最小系統(tǒng)組成5，SPCE061A單片機(jī)電源電路原理6，微壓測(cè)控儀顯示及按鍵部分原理7，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(其中一相)下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明所涉及的離體細(xì)胞微應(yīng)力施加裝置進(jìn)一步說(shuō)明離體細(xì)胞微應(yīng)力施加裝置由基座部分，機(jī)械傳動(dòng)部分和控制系統(tǒng)三部分組成，(見圖1)。整個(gè)裝置機(jī)械傳動(dòng)部分安裝在基座部分上，其中步進(jìn)電機(jī)1安裝在工作臺(tái)13上，絲杠5與步進(jìn)電機(jī)1連接，與絲杠5連接的滑塊6由固定在工作臺(tái)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(yàn)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(guò)控制線纜2與橋盒17的連接，應(yīng)變儀4、微壓測(cè)控儀3及其附屬電路和步進(jìn)電機(jī)1、電阻應(yīng)變片9組成反饋控制電路，應(yīng)變儀4、微壓測(cè)控儀3及其附屬電路不固定在工作臺(tái)13上，簧片14和橋盒17安裝在工作臺(tái)13上，電阻應(yīng)變片9粘貼在簧片14上，電阻應(yīng)變片9和溫度補(bǔ)償應(yīng)變片10由線纜15與橋盒17連接，步進(jìn)電機(jī)1也通過(guò)線纜18與橋盒17連接。
本裝置中步進(jìn)電機(jī)1的軸向旋轉(zhuǎn)通過(guò)絲杠5轉(zhuǎn)換為軸向移動(dòng)，推動(dòng)施壓擋板8擠壓試驗(yàn)樣本12。由于步進(jìn)電機(jī)1輸出的力相對(duì)較大，通過(guò)阻尼彈簧7將力減小到植物細(xì)胞及其培養(yǎng)介質(zhì)能夠承受的水平，一般力的范圍在在50mN～300mN之內(nèi)。
為保持輸出的力大小恒定，必須精確獲取施加在試驗(yàn)樣本12上力的參數(shù)，進(jìn)而通過(guò)一個(gè)反饋控制回路來(lái)調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)1的運(yùn)轉(zhuǎn)?？刂撇糠忠晕簻y(cè)控儀3為核心，以靈敏的電阻應(yīng)變片9和應(yīng)變儀4組成壓力探測(cè)回路，配以步進(jìn)電機(jī)1細(xì)分驅(qū)動(dòng)回路和輸入鍵、顯示接口，(見圖2)。所有的控制功能由計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)。
測(cè)量對(duì)試驗(yàn)樣本的壓力時(shí)，我們采用應(yīng)變片組成半橋電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，(見圖3)。半橋電路可以滿足對(duì)試驗(yàn)樣本施加壓力的值非常微小的要求，又由于應(yīng)變片的溫度效應(yīng)，同時(shí)受壓的半橋電路沒有溫度補(bǔ)償作用，因此還采用了兩片溫度補(bǔ)償應(yīng)變片進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
控制部分采用片內(nèi)集成10位AD轉(zhuǎn)換器的凌陽(yáng)16位單片機(jī)SPCE061A，SPCE061A的最小系統(tǒng)組成，(見圖4)。SPCE061A的AD采樣程序如下所示void get_AD(void){unsigned int STEP=0;while(!(*P_ADC_MUX_Ctrl&0x8000));//等待直至AD轉(zhuǎn)換完畢STEP=*P_ADC_LINEIN_Data; //讀數(shù)并開始下一次AD轉(zhuǎn)換AD=STEP&0xFFC0;}SPCE061A的工作電壓為2.6～3.6V。本系統(tǒng)采用SPY0029穩(wěn)壓到3.3V為MCU供電，其電源電路原理圖(見圖5)。
本裝置采用三個(gè)按鍵分別作為“ADD”“SUB”“ENT”，(見圖2)，3位七段數(shù)碼管數(shù)值顯示及電源、設(shè)定值LED指示，該部分電路原理圖(見圖6)。數(shù)值顯示程序如下所示<pre listing-type="program-listing"><![CDATA[void display_Nnm(void){ //顯示百位 i=0x00F8&amp;*P_IOB_Buffer;//清零,保護(hù)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&amp;*P_IOB_Buffer;//清零,保護(hù)鍵值 i|=0x0005;//位掃描 i|=num[T]; *P_IOB_Data=i; delay(); //顯示個(gè)位,為0 i=0x00F8&amp;*P_IOB_Buffer;//清零,保護(hù)鍵值 i|=0x0003;//位掃描 i|=num
; *P_IOB_Data=i; delay();}//END void display_Nnm(void)]]></pre>
取鍵值程序<pre listing-type="program-listing"><![CDATA[key=0x0038&amp;*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(rèn)　　break;　　default:m=1; //按鍵已被釋放,置位標(biāo)志位　　break;　　} *P_IOB_Data=*P_IOB_Buffer;//復(fù)位key;清IOB3、IOB4、IOB5(為低);]]></pre>鍵值處理<pre listing-type="program-listing"><![CDATA[ switch(SET) {　　case 0:=0;T=5;//50mN　　break;　　case 1:E=1;T=0; //100mN　　break;　　case 2:E=1;T=5; //150mN　　break　　case 3:E=2;T=0; //200mN　　break;　　case 4:E=2;T=5; //250mN　　break;　　case 5:E=3;T=0; //300mN　　break;　　case 6:E=0;T=5;SET=0; //＞300mN,溢出　　break;　　default:E=3;T=0;SET=5;//＜50mN或出錯(cuò)　　break;　　}//END switch(SET)]]></pre>本裝置的機(jī)械部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用四相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，(見圖7)。步進(jìn)電機(jī)的電壓為4.5～7.5V，為簡(jiǎn)化系統(tǒng)，采用5V即和控制部分同樣的供電電壓，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序如下<pre listing-type="program-listing"><![CDATA[switch(stepM) //正轉(zhuǎn),加壓{　　case 0:*P_IOA_Data=0x6FFF&amp;*P_IOA_Buffer; //DA 低有效,A為最高位?！　tepM=1;break;　　case 1:*P_IOA_Data=0xE000|*P_IOA_Buffer; //D　　stepM=2;break;　　case 2:*P_IOA_Data=0xCFFF&amp;*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&amp;*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&amp;*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)]]></pre>本加載裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，加載梯度小，微調(diào)精度高、無(wú)卸載現(xiàn)象，不受轉(zhuǎn)向限制，能實(shí)現(xiàn)微量、周期、自動(dòng)、平穩(wěn)加載的良好特性。本裝置與超高精度傳感器和測(cè)試儀表配合使用，不僅適用于植物單細(xì)胞的應(yīng)力加載試驗(yàn)，而且可以推廣應(yīng)用動(dòng)物細(xì)胞的生物力學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)中去。
權(quán)利要求
1.一種離體細(xì)胞微應(yīng)力施加裝置，包括基座部分、機(jī)械傳動(dòng)部分、控制系統(tǒng)部分，基座部分由工作臺(tái)(13)、滑塊架(16)、固定擋板(11)組成，機(jī)械傳動(dòng)部分由步進(jìn)電機(jī)(1)、絲杠(5)、滑塊(6)、施壓擋板(8)、阻尼彈簧(7)組成，控制系統(tǒng)由電阻應(yīng)變片(9)、溫度補(bǔ)償應(yīng)變片(10)、簧片(14)、應(yīng)變儀(4)、橋盒(17)、微壓測(cè)控儀(3)組成，其特征在于兩組電阻應(yīng)變片(9)粘貼在簧片(14)兩側(cè)，簧片(14)兩端固定在工作臺(tái)(13)和滑塊(6)上，步進(jìn)電機(jī)(1)與絲杠(5)連接，絲杠(5)將推動(dòng)施壓檔板(8)軸向移動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述離體細(xì)胞微應(yīng)力施加裝置，其特征在于控制系統(tǒng)中簧片(14)兩面均貼有電阻應(yīng)變片(9)和溫度補(bǔ)償應(yīng)變片(10)，電阻應(yīng)變片(9)和溫度補(bǔ)償應(yīng)變片(10)組成半橋電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述離體細(xì)胞微應(yīng)力施加裝置，其特征在于控制系統(tǒng)中采用了兩塊應(yīng)變片(10)作為溫度補(bǔ)償應(yīng)變片進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
全文摘要
本裝置主要應(yīng)用生物力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)等學(xué)科的基本理論和方法，研制出一套能進(jìn)行反饋控制連續(xù)加載的系統(tǒng)。該裝置可向離體培養(yǎng)細(xì)胞施加一個(gè)范圍在50mN～300mN之間的恒定微小壓力，同時(shí)保持細(xì)胞的活性。該裝置的主控模塊是以16位單片機(jī)SPCE061A為核心，應(yīng)力大小可調(diào)節(jié)和顯示，應(yīng)力變化的信號(hào)通過(guò)應(yīng)變片和單通道動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀來(lái)檢測(cè)和放大，并由步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的施加。該裝置的研制提出一種新的細(xì)胞力學(xué)試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法。
文檔編號(hào)G01N3/00GK1834220SQ200510118968
公開日2006年9月20日 申請(qǐng)日期2005年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月7日
發(fā)明者王伯初, 朱蠡慶, 周菁, 王益川 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)