专利名称：一种多通道细胞牵张应力加载控制仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多通道细胞牵张应力加载控制仪，属于实验仪器技术领域。
背景技术：
细胞和组织的生长发育是分子水平上的细胞生物学现象，而应力作为一种细胞分子调控的刺激因子，是影响细胞结构和功能的重要的外界信息。在生物体内，细胞的生长、 增殖、分泌等生物学行为与它们所处的力学环境是分不开的。细胞在正常的生理力学环境中能正常发挥其功能，但是，当细胞周围力学环境发生变化后，细胞的各种功能也随之发生变化。很多学者应用细胞力学实验方法，通过机械装置对体外培养的组织细胞施加模拟体内环境的应力应变刺激，结合形态学、分子生物学测试技术，进行了大量的细胞在各种应力环境下生长、代谢以及细胞内蛋白质、细胞因子表达变化等方面的研究。目前细胞力学实验的研究是现代生物力学近几年来发展十分迅速的前沿领域，是国内外正在兴起的一个研究热点。它涉及到细胞在载荷作用下的生长增殖、细胞因子的分泌、细胞外基质的代谢、细胞膜和细胞骨架的变形、粘附力的变化等方面的研究。细胞力学研究的基础和关键是细胞加载技术。人体细胞的大小是以微米为单位的，宏观实验技术和力学加载方法无法直接应用到细胞水平的研究。所以建立合适的加载培养模型和寻找合适的细胞变形后相关的生物测量手段是细胞力学面临的首要问题。早在 1939年，Glucksmarm在体外培养细胞的力学加载方法上，进行了开拓性的研究。他将鸡胚胎的胫骨内膜细胞培养在成对的肋间肌基质上，当肌肉萎缩牵引肋骨相互靠近时，离体培养的细胞即受到了压力的作用。可以说这是最早的细胞力学加载模型。经过不断的改进和发展，人们提出了多种离体培养细胞的力学实验方法，研制出不同类型和功能的实验装置， 在定性分析的基础上，发展为能定量研究细胞的力学特性。通过体外细胞培养技术、应用细胞力学加载装置进行对离体细胞的应力加载，成为细胞力学重要的研究手段。每一种细胞所生存的应力环境，电生理环境以及体液环境大相径庭，每一种细胞对应力的反应亦不可能完全一样，所以应力作用于体外培养的细胞，不同的加力方式，不同的细胞得到的结果可能并不一样，即使是同一种细胞，比如牙周膜细胞，当该细胞回位到体内环境时，所得出的效应也不可能完全一样，也有可能单纯的体外实验所得出的结论与体内不相符，不同的应力方式、作用幅度，对细胞所造成的影响也可能是不一样的，有时可能是完全相反的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种多通道细胞牵张应力加载控制仪。多通道细胞牵张应力加载控制仪，包括细胞培养单元、动力加载单元、控制检测单元；所述细胞培养单元包括真空室和放置在真空室上并与真空室密封在一起的弹性膜培养板，弹性膜作为真空室的一腔壁；所述动力加载单元为真空泵，用于根据设定将真空室抽真空；控制检测单元用于根据设定控制细胞培养单元气路通道上的电磁阀、放气三通电磁阀以及真空泵的开启和关闭，控制细胞培养单元真空室压力而得到需要的形变率，达到控制细胞培养单元弹性膜形变量的目的。所述的多通道细胞牵张应力加载控制仪，所述控制检测单元包括压力传感器、信号放大与调理电路、A/D转换电路和单片机，压力传感器将细胞培养单元真空室内的压力变化转换成电压信号，通过信号调理电路进行放大、滤波处理后，由A/D转换电路转换为单片机可以处理的真空室压力采样信号；单片机对当前的真空室压力采样信号与系统设定的真空室压力进行比较，根据比较结果控制气路通道上的电磁阀、放气三通电磁阀以及真空泵的开启和关闭。本发明的多通道细胞牵张应力加载仪，可以同时进行三通道不同形变率的对比实验；而且体积小，便于携带，形变率、频率可以精确调节，操作简单，可以提供 21%范围的形变率，应变频率在0 0. 5Hz范围内可调。系统运行稳定，完全达到了设计要求，提供了对贴壁生长的组织细胞施加基底膜牵张应力的体外实验方法。
图1为控制检测单元结构原理图；图2为三通阀、电磁阀连接示意图。
具体实施例方式以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。细胞牵张应力加载控制仪包括细胞培养单元、动力加载单元、控制检测单元；其中，所述细胞培养单元包括真空室(有机玻璃材质)和放置在真空室上并与真空室密封在一起的弹性膜6孔培养板，弹性膜作为真空室的一腔壁。其中，所述动力加载单元为真空泵，用于根据设定将细胞培养单元内的真空室抽真空；当真空泵工作，抽取真空室内的空气时，由于真空室形成负压，位于真空室上方的培养板的弹性膜就会向真空室内部凹陷，向下拉伸变形，接种于弹性膜培养板内的细胞随弹性膜的变形受到拉伸作用，产生形变。控制检测单元结构框图如图1所示，控制检测单元用于根据设定控制细胞培养单元(三个)气路通道上的电磁阀、放气三通电磁阀以及真空泵的开启和关闭，控制细胞培养单元真空室压力而得到需要的形变率，达到控制细胞培养单元弹性膜形变量的目的。如图1所示，压力传感器将细胞培养单元真空室内的压力变化转换成电压信号， 通过信号调理电路放大、滤波等环节处理后，由A/D转换电路转换为单片机可以处理的真空室压力采样信号；单片机根据当前的真空室压力采样信号与系统设定的真空室压力(该值由人工输入设定，并且可以在系统工作时随时调整。设定值被保存在非易失存储器中，系统开机时直接调用，避免每次使用都要人工设定实验参数。)进行比较，根据比较结果控制气路通道上的电磁阀、放气三通电磁阀以及真空泵的开启和关闭。根据细胞培养单元真空室压力变化范围在0 25kPa之间，选择M1451压力传感器标准量程范围为0 5psi (lpsi 6. 897kPa)的型号。
放大与信号调理电路M1451压力传感器的输出模拟电压信号经过放大、滤波等环节处理，才能达到A/D转换电路的输入要求。A/D转换电路MAX1292为12位模拟-数字转换电路，用于将传感器产生的模拟信号转换为计算机可以处理的数字信号。细胞培养单元弹性膜形变率与细胞培养单元真空室压力之间的关系是y = 0. 0306x2+0. 4307x+0. 0175，(1)式中Y为形变率，单位％ ;X为表压压力值，单位kPa。在系统上电并设定实验参数后，单片机根据此式将形变率转换成对应的压力值，并放在其内部数据存储器中。实验开始后，单片机随时将该值与检测到的细胞培养单元真空室压力值进行比较，并根据比较结果控制相应的电磁阀动作。从而达到通过控制细胞培养单元真空室压力而得到需要的形变率的目的。所述的真空室压力是以表压形式反映的，而M1451压力传感器的输出电压反映的是检测到的绝对压力，因此必须把这个绝对压力转换为表压。在压力测量中，常有绝对压力、表压力之分，所谓绝对压力是指被测介质作用在容器单位面积上的全部压力，用Pj表示。地面上的空气柱所产生的平均压力称为大气压力，用Pq表示。绝对压力与大气压力之差，称为表压力，简称表压，用1 表示即1 = Pj-Pq0按照表压与绝对压力之间的转换公 Sf3b = Pj-Pq,可以将M1451压力传感器检测的绝对压力转换为系统需要处理的表压压力。 式中1 为表压压力，Pj是压力传感器检测的绝对压力值，Pq为当前的大气压值，这是一个绝对压力。参考图2，对细胞培养单元真空室压力控制的逻辑是(一)四个电磁阀加电。电磁阀1-3均接通，三通电磁阀AC关断，AB接通，从而使三个细胞培养单元真空室均与压力传感器和真空泵接通。(二)启动真空泵。真空泵的抽气动作会使细胞培养单元真空室内的负压发生由小到大的变化。(三)当管道中的负压达到三个细胞培养单元真空室内压力设定值最小的一个时，与该细胞培养单元相连的电磁阀将关闭；随着管道中的负压值增大， 依次达到较大和最大压力设定值时，相应的电磁阀也会依次关闭。细胞培养单元真空室将保持在负压状态。(四)当三个细胞培养单元真空室内压力均达到各自设定值，三个电磁阀 1-3均关闭后，真空泵停止工作，三通电磁阀释放。(五)细胞培养单元按系统设定时间保持负压状态，然后打开电磁阀1-3，使细胞培养单元真空室内压力恢复到环境大气压压力状态，柔性薄膜恢复原态。(六)保持设定时间后，再次重复循环(一)到(五)的步骤。本系统设计中不需要建立形变率与压力之间的数据表，而是在系统工作前，根据人工设定的各个通道对应的细胞培养单元形变率的参数，通过压力传感器输出信号与柔性薄膜形变率的关系(式(1))将形变率参数转换为表压所对应的数值，然后与AD采样的结果(实时检测到的负压值)进行比较，并根据结果控制相应的电磁阀和真空泵的工作状态。应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换， 而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种多通道细胞牵张应力加载控制仪，其特征在于，包括细胞培养单元、动力加载单元、控制检测单元；所述细胞培养单元包括真空室和放置在真空室上并与真空室密封在一起的弹性膜培养板，弹性膜作为真空室的一腔壁；所述动力加载单元为真空泵，用于根据设定将真空室抽真空；控制检测单元用于根据设定控制细胞培养单元气路通道上的电磁阀、 放气三通电磁阀以及真空泵的开启和关闭，控制细胞培养单元真空室压力而得到需要的形变率，达到控制细胞培养单元弹性膜形变量的目的。
2.根据权利要求1所述的多通道细胞牵张应力加载控制仪，其特征在于，所述控制检测单元包括压力传感器、信号放大与调理电路、A/D转换电路和单片机，压力传感器将细胞培养单元真空室内的压力变化转换成电压信号，通过信号调理电路进行放大、滤波处理后， 由A/D转换电路转换为单片机可以处理的真空室压力采样信号；单片机对当前的真空室压力采样信号与系统设定的真空室压力进行比较，根据比较结果控制气路通道上的电磁阀、 放气三通电磁阀以及真空泵的开启和关闭。
全文摘要
本发明公开了多通道细胞牵张应力加载控制仪，包括细胞培养单元、动力加载单元、控制检测单元；所述细胞培养单元包括真空室和放置在真空室上并与真空室密封在一起的弹性膜培养板，弹性膜作为真空室的一腔壁；所述动力加载单元为真空泵，用于根据设定将真空室抽真空；控制检测单元用于根据设定控制细胞培养单元气路通道上的电磁阀、放气三通电磁阀以及真空泵的开启和关闭，控制细胞培养单元真空室压力而得到需要的形变率，达到控制细胞培养单元弹性膜形变量的目的。
文档编号C12M1/36GK102517209SQ201110377269
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月24日 优先权日2011年11月24日
发明者于霄, 张杨, 李永明, 焦腾, 王 华 申请人:中国人民解放军第四军医大学