一种基于声表面波的细胞粘附力测量仪及测量方法与流程

本发明涉及一种细胞粘附力测量装置，尤其是涉及一种基于声表面波的细胞粘附力测量仪及测量方法。

背景技术：

随着科学与技术的不断深入发展，许多生物以及工程领域的研究组已经对生物力学进行了大量的研究，发现细胞力学特性的改变可能可以作为检测和甄别少量非正常细胞及致命疾病早期诊断的依据。因此，研究细胞生物力学可以为基础学科的突破和应用带来巨大价值。细胞粘附力是重要的细胞力学特性之一，指细胞与细胞，细胞与其他材料、表面、基底或者基质之间的相互粘着并产生的相互作用力。例如新细胞与老细胞之间的力学与化学耦合作用；细胞黏附作用和材料表面蛋白质结合的研究等，有利于细胞与材料表面、生物大分子与细胞、同种细胞与异种细胞之间的相互作用和变化规律的研究，从而了解细胞及生物大分子的结构和相互作用关系，对研究人类疾病产生的理论依据、生物力学、细胞工程、生物功能材料等有巨大促进作用。

如今测量细胞粘附力的方法和技术日益成熟，出现很多精良的操作方法可以对细胞的粘附力进行研究，例如，光镊，磁镊，原子力显微镜，微吸管等，这些大多属于接触式的操作方法，存在部分局限性。例如用光镊来操纵细胞时，激光容易灼热细胞，可能造成细胞的损伤或者死亡；在利用微吸管吸持的过程中，细胞膜表面和微吸管表面存在一定的摩擦力，会增加或者减小细胞对外界作用力学响应，增加了干扰因素；利用原子力显微镜测量细胞粘附力时，操作不方便，需要专业人员进行操作，且价格昂贵。然而，随着研究的深入，人们对操纵形式和精度提出了更高的要求。因此，采用非接触式的测量方法，在细胞生存条件下对细胞粘附力进行连续的精确测量显得尤为重要。

目前，根据现有专利的申请情况，细胞粘附力测量技术主要有，基于原子力显微镜的接触式测量方法，如《细胞粘附力的检测方法及细胞探针固定支架》(申请号201511020241.3)提出在原子力显微镜下利用细胞探针测量细胞粘附力，是利用探针的形变接触式间接测量细胞粘附力。该方法细胞探针制作复杂，细胞需要与探针固定，可能影响到细胞本身的机械特性，干扰因素较多，通过探针悬臂梁形变测量粘附力，对设备灵敏度要求极高，测量精度难以保证。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种基于声表面波的细胞粘附力测量仪及测量方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种基于声表面波的细胞粘附力测量仪：

本发明包括铌酸锂晶片、银制叉指电极环形阵列、pdms微流道和显微视觉伺服系统，显微视觉伺服系统包括基于pxi总线的上位机系统、多路信号发生系统和显微视觉监控系统，铌酸锂晶片上的周围置有银制叉指电极环形阵列，铌酸锂晶片与银制叉指电极环形阵列构成叉指换能器，银制叉指电极环形阵列与多路信号发生系统中的多通道高频宽带线性功放相连接，多路信号发生系统和显微视觉监控系统均连接到基于pxi总线的上位机系统。

所述的pdms微流道包括内部设有细胞培养液流道、细胞流道、鞘流流道、回收流道、测力腔体、细胞准备腔体的腔体结构，测力腔体和细胞准备腔体之间通过梯形通道连接相通；测力腔体一侧和细胞培养液流道一端连接相通，细胞准备腔体一侧和细胞流道一端连接相通，细胞准备腔体另一侧和回收流道一端连接相通，细胞流道的中部与鞘流流道一端连接相通，鞘流流道另一端向细胞流道另一端方向以与细胞流道非平行地延伸布置；腔体结构顶面开有均与微注射泵相连接的细胞培养液进液孔、细胞进液孔、鞘流进液孔以及与外界细胞回收装置连接的出液孔，细胞培养液进液孔连通细胞培养液流道并位于细胞培养液流道另一端正上方，细胞进液孔连通细胞流道并位于细胞流道另一端正上方，出液孔连通回收流道并位于回收流道另一端正上方。

所述的回收流道、测力腔体和细胞准备腔体均贯穿于腔体结构的底面。

所述的细胞培养液流道与细胞流道的流道底面处于同一平面，且高于腔体结构的底面，流道底面和各自腔体之间通过斜面过渡连接。

所述的鞘流流道用于注入不含细胞的细胞培养液，在进液过程中通过控制鞘流流道的流速使得细胞向流道中心位置聚集，防止细胞粘连流道两壁，并有效于使细胞依次线性排列进入微流道腔体。所述的细胞流道与鞘流流道之间的夹角小于90°，优选20-45度。

所述的梯形通道的大端靠近测力腔体侧，小端靠近细胞准备腔体侧。

所述的pdms微流道是由原材料加入至激光打印成型的模具中在70℃条件下加热固化1小时制成。

所述的pdms微流道的原材料采用道康宁sylgard184。

所述的pdms微流道采用氧等离子处理方式固定于铌酸锂晶片正中央。

所述的铌酸锂晶片选用128°y切型，沿x向传播的双面抛光铌酸锂。

所述的银制叉指电极环形阵列通过光刻和磁控溅射的方法在铌酸锂晶片上制备。

所述的银制叉指电极环形阵列是由沿铌酸锂晶片上表面周面均布的多个银制叉指电极组成，多个银制叉指电极具有多种共振频率，数量不小于8个；其中每个银制叉指电极的指宽和间距沿铌酸锂晶片径向由外向内逐渐递减，且叉指对数在25至30之间。因为一对指宽和间距的长度等于声表面波波长，所以一对最小的指宽和间距应不小于最大细胞直径的8倍。

所述的银制叉指电极与铌酸锂晶片构成叉指换能器。

银制叉指换能器的数量应是偶数。本发明能控制8个各自的声场分布能够在表面区域形成单一或多个的声辐射力场节点。

二、一种基于声表面波的细胞粘附力测量方法：

1)将各路微注射泵分别连接至pdms微流道的细胞培养液进液孔、细胞进液孔、鞘流进液孔，将出液孔与外界的细胞回收装置相连；

2)开启各路微注射泵，通过细胞培养液进液孔和鞘流进液孔向细胞培养液流道和鞘流流道内注射入不带有细胞的细胞培养液，同时通过细胞进液孔向细胞流道内注射入带有细胞的细胞液，通过控制鞘流流道和细胞流道中的流速使细胞沿细胞流道中心依次通过，并使进液的同时回收流道和外界的细胞回收装置相通；

3)细胞进液孔和鞘流进液孔首先停止进液，间隔特定时间后细胞培养液进液孔停止进液，待pdms微流道中测力腔体、细胞准备腔体内的溶液稳定后，用户通过显微视觉伺服系统采集细胞准备腔体内细胞液图像，并在其中选取两个目标细胞；

4)向细胞培养液进液孔开始缓慢进液，用户在通过显微视觉伺服系统实时观察监控目标细胞位姿的同时依次移动两个目标细胞到测力腔体中，将目标细胞移到测力腔体的目标位置后停止向细胞培养液进液孔进液；

5)待测力腔体内溶液稳定后，将第一个目标细胞俘获在固定位置，移动第二个目标细胞按预设速度逐渐接近第一个目标细胞，使得两个目标细胞相接触，接触时的第二个目标细胞中心位置与声表面波产生的辐射力场节点重合并记为零点；

6)两个目标细胞接触后，向远离第一个目标细胞方向移动声表面波产生的辐射力场节点，迫使第二个目标细胞与第一个目标细胞分离，在第二个目标细胞和第一个目标细胞刚分离时通过显微视觉伺服系统实时记录第二个细胞中心位置与辐射力场节点之间的距离△x，△x＝辐射力场节点相对零点距离-细胞中心相对零点距离；

7)由距离△x采用公式f＝k·△x计算获得细胞最大粘附力f，其中k为声场刚度系数；

8)从细胞培养液进液孔开始进液，直至测力腔体中的细胞流回细胞准备腔体中以进行下一次测量。

所述步骤2)中，细胞培养液流道的进液流速高于细胞流道和鞘流流道进液流速。

所述步骤4)和5)中目标细胞的移动具体是：通过控制银制叉指电极环形阵列与铌酸锂晶片组成的叉指换能器发出的声表面波，调谐声表面波的频率、幅值和相位等控制声表面波在pdms微流道中产生的辐射力场节点位置，使得辐射力场节点和目标细胞的中心重合来俘获目标细胞，并移动改变辐射力场节点来驱动目标细胞移动。

在所述步骤4)的移动目标细胞过程中，在保证俘获细胞的情况下，向细胞培养液流道缓慢注入培养液。

本发明工作原理：

本发明通过给银制叉指电极加载特定频率、幅值和相位的正弦波信号，使得叉指换能器形成声表面波，声表面波通过与pdms微流道中液体耦合形成声辐射力场，细胞在声辐射力场节点附近会受到辐射力的作用，并向辐射力场节点移动。

本发明系统通过软件预先设定算法改变声辐射力场节点位置，来对细胞形成牵引，然后计算细胞受到的辐射力来作为细胞粘附力。

本发明采用显微视觉伺服系统获取并显示当前细胞操纵视野场景，确定操纵具体任务。用户可通过显微视觉私服系统中的上位机预先根据操纵任务设定相关参数，如细胞间的接触时间、接近速度、分离速度等。

用户可通过显微视觉伺服系统获取目标细胞坐标，上位机系统根据细胞当前位置、目标位置和用户设定参数将操纵任务分解为一系列单元声操纵动作。单元声操纵实施过程中，上位机根据声场理论将单元声操纵转化为各路正弦驱动电压的频率、幅值以及初始相位，并发送至多通道程控信号发生卡，信号经多通道高频宽带线性功放放大后加载至叉指换能器，从而在pdms微流道腔体中合成预期的声场。重复上述过程直至细胞当前位置与目标位置的误差处于允许范围内。

本发明的有益效果：

本发明采用具有银制叉指电极环形阵列的叉指换能器，在pdms微流道腔体中形成稳定的声辐射力场捕获细胞，通过非接触式的并行操纵方式进行细胞粘附力测量，干扰因素少。

本发明的相比传统采用外部器件的接触式测量和光镊的非接触式测量，避免了外部器件的接触式测量和光镊的非接触式测量对细胞带来的破坏和损伤，不会对细胞造成任何影响(包括施加力破坏和发热破坏)，不会有任何损伤，不会影响细胞原有的力学性能。

因此本发明通过表面波声辐射力对细胞进行非接触式操纵，能耗低，对细胞无损伤，安全可靠，精度更高，误差小。

本发明采用显微视觉伺服系统实时反馈细胞位姿，有效提高操纵细胞精度，进而改善测量精度。

本发明具有装置简易，制作成本低，易于操作的特点。

附图说明

图1是本发明装置结构图。

图2是pdms微流道的立体结构图。

图3是pdms微流道的底面示意图。

图4是pdms微流道的内部剖视图。

图5是显微视觉伺服系统原理框图。

图中：铌酸锂晶片1、银制叉指电极环形阵列2、pdms微流道3，细胞培养液进液孔4、细胞进液孔5、鞘流进液孔6和出液孔7，包括测力腔体8、细胞准备腔体9、细胞培养液流道10、细胞流道11、鞘流流道12、梯形通道13、回收流道14、基于pxi总线的上位机系统15、显微视觉监控系统16、多路信号发生系统17。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图中：铌酸锂晶片1、银制叉指电极环形阵列2、pdms微流道3，细胞培养液进液孔4、细胞进液孔5、鞘流进液孔6和出液孔7，包括测力腔体8、细胞准备腔体9、细胞培养液流道10、细胞流道11、鞘流流道12、梯形通道13、回收流道14、基于pxi总线的上位机系统15、显微视觉监控系统16、多路信号发生系统17。

如图1所示，包括铌酸锂晶片1、银制叉指电极环形阵列2、pdms微流道3和显微视觉伺服系统，显微视觉伺服系统包括基于pxi总线的上位机系统15、多路信号发生系统17和显微视觉监控系统16，铌酸锂晶片1上的周围置有银制叉指电极环形阵列2，铌酸锂晶片1与银制叉指电极环形阵列2构成叉指换能器，银制叉指电极环形阵列2与多路信号发生系统17中的多通道高频宽带线性功放相连接，多路信号发生系统17和显微视觉监控系统16均连接到基于pxi总线的上位机系统15。

如图2-4所示，pdms微流道3包括内部设有细胞培养液流道10、细胞流道11、鞘流流道12、回收流道14、测力腔体8、细胞准备腔体9的腔体结构，测力腔体8和细胞准备腔体9之间通过梯形通道13连接相通；测力腔体8一侧和细胞培养液流道10一端连接相通，细胞准备腔体9一侧和细胞流道11一端连接相通，细胞准备腔体9另一侧和回收流道14一端连接相通，细胞流道11的中部与鞘流流道12一端连接相通，具体实施中细胞培养液流道10、细胞流道11均平行布置，细胞流道11和鞘流流道12非平行布置，鞘流流道12另一端向细胞流道11另一端方向以与细胞流道11非平行地延伸布置；腔体结构顶面开有均与微注射泵相连接的细胞培养液进液孔4、细胞进液孔5、鞘流进液孔6以及与外界细胞回收装置连接的出液孔7，细胞培养液进液孔4连通细胞培养液流道10并位于细胞培养液流道10另一端正上方，细胞进液孔5连通细胞流道11并位于细胞流道11另一端正上方，出液孔7连通回收流道14并位于回收流道14另一端正上方。

回收流道14、测力腔体8和细胞准备腔体9均贯穿于腔体结构的底面。所有流道和腔体均不贯穿于腔体结构的顶面，只有上述几个孔开设在腔体结构的顶面。

回收流道14与测力腔体8、细胞准备腔体9处于同一平面，目的在于快捷回收测量完成的细胞。且细胞培养液流道10与细胞流道11的流道底面高于腔体结构的底面，流道底面和各自腔体之间通过斜面过渡连接，目的在于防止进液过程中出现溶液回流。

梯形通道13的大端靠近测力腔体8侧，小端靠近细胞准备腔体9侧，防止细胞准备腔体9中的细胞对测力腔体8产生干扰。

pdms微流道3是由原材料加入至激光打印成型的模具中在70℃条件下加热固化1小时制成。具体实施的pdms微流道3的原材料采用道康宁sylgard184，加工出的pdms微流道为透明色，有利于显微视觉监控系统16从顶面进行监测。pdms微流道3采用氧等离子处理方式固定于铌酸锂晶片1正中央。

银制叉指电极环形阵列2是由沿铌酸锂晶片1上表面周面均布的多个银制叉指电极组成，多个银制叉指电极具有多种共振频率，数量不小于8个；其中每个银制叉指电极的指宽和间距沿铌酸锂晶片1径向由外向内逐渐递减，且叉指对数在25至30之间。

如图5所示，显微视觉伺服系统包括基于pxi总线的上位机系统15、多路信号发生系统17和显微视觉监控系统16，多路信号发生系统17和显微视觉监控系统16均连接到基于pxi总线的上位机系统15。

显微视觉监控系统16应用于细胞全局位姿测量，主要包括高帧率数码摄像机和高速图像采集卡，上位机经高速图像采集卡将指令发送至高帧率数码摄像机后，摄像机中的传感芯片根据配置参数将空间场景记录为数字信号输出至图像预处理单元进行处理，处理完成后数据经高速图像采集卡发送至上位机系统进行细胞操作的动态监控和后续计算。

多路信号发生系统17包括多通道程控信号发生卡和多通道线性功率放大器，上位机根据显微视觉监控系统16的数据计算出各路正弦驱动电压的频率、幅值及初始相位并发送至多通道程控信号发生卡，各路信号经多通道线性功率放大器放大后加载至银制叉指电极环形阵列2，从而通过叉指换能器产生声表面波。

本发明具体实施过程包括：

1)将各路微注射泵分别连接至pdms微流道的细胞培养液进液孔4、细胞进液孔5、鞘流进液孔6，将出液孔7与外界的细胞回收装置相连；

2)启动系统，用户设置测量参数，如细胞间的接触时间、接近速度、分离速度、允许误差等。开启各路微注射泵，通过细胞培养液进液孔4和鞘流进液孔6向细胞培养液流道10和鞘流流道12内注射入不带有细胞的细胞培养液，同时通过细胞进液孔5向细胞流道11内注射入带有细胞的细胞液，通过控制鞘流流道12和细胞流道11中的流速使细胞沿细胞流道11中心依次通过，并使进液的同时回收流道14和外界的细胞回收装置相通；

细胞培养液流道10的进液流速高于细胞流道11和鞘流流道12进液流速，保证细胞准备腔体中的细胞不会流入测力腔体，待pdms腔体中充溶液。

3)细胞进液孔5和鞘流进液孔6首先停止进液，间隔特定时间后细胞培养液进液孔4停止进液，待pdms微流道3中测力腔体8、细胞准备腔体9内的溶液稳定后，用户通过显微视觉伺服系统采集细胞准备腔体9内细胞液图像，并在其中选取并俘获两个目标细胞；

4)向细胞培养液进液孔4开始缓慢进液，用户在通过显微视觉伺服系统实时观察监控目标细胞位姿的同时，通过控制银制叉指电极环形阵列2与铌酸锂晶片1组成的叉指换能器发出的声表面波移动辐射力场节点位置，来移动两个目标细胞到测力腔体8中，将目标细胞移到测力腔体8的目标位置后停止向细胞培养液进液孔进液；

移动目标细胞过程中，在保证俘获细胞的情况下，向细胞培养液流道10缓慢注入培养液，防止细胞准备腔体9中的其余细胞进入测力腔体8造成干扰。

5)待测力腔体8内溶液稳定后，将第一个目标细胞俘获在固定位置，通过控制银制叉指电极环形阵列2与铌酸锂晶片1组成的叉指换能器发出的声表面波移动辐射力场节点位置，来移动第二个目标细胞按预设速度逐渐接近第一个目标细胞，使得两个目标细胞相接触，接触时的第二个目标细胞中心位置与声表面波产生的辐射力场节点重合并记为零点；

6)两个目标细胞接触后，向远离第一个目标细胞方向移动声表面波产生的辐射力场节点，迫使第二个目标细胞与第一个目标细胞分离，在第二个目标细胞和第一个目标细胞刚分离时通过显微视觉伺服系统实时记录第二个细胞中心位置与辐射力场节点之间的距离△x；

7)由距离△x采用公式f＝k·△x计算获得细胞最大粘附力f，其中k为声场刚度系数，具体实施的k是通过装置材料和目标细胞种类标定得到；

8)从细胞培养液进液孔4开始进液，直至测力腔体8中的细胞流回细胞准备腔体9中以进行下一次测量。

由此实施例可见，本发明技术效果显著，实现了细胞粘附力的连续非接触式测量，干扰因素少，操作简易。