可实时在位观测的匀速对称单轴拉伸细胞力学装置的制作方法

发明涉及一种力加载装置，具体涉及一种可实时在位观测的匀速对称单轴拉伸细胞力学装置，属于生物力学、力学生物学领域。

背景技术：

细胞是生命体的基本单位，而细胞的运动、生长过程都少不了力学刺激的参与。随着对力学调控细胞生长、分裂、迁移、凋亡等研究的深入，发现力学刺激可以显著影响细胞的个体和群体行为，从微观尺度的蛋白表达，信号转导，到亚细胞结构的排列，到细胞尺度的细胞分裂、增殖、分化、凋亡、排列、极化、迁移、伤口愈合，再到宏观尺度的组织形态和形成。

现有的对细胞进行拉伸加载的装置，除了对单细胞进行拉伸的光镊、磁镊，还有不少是对细胞所粘附的基底膜进行拉伸，如通过抽真空和膜下面的几何实体配合，实现单轴或准双轴拉伸，这种装置下面的几何实体和底板都不透明，不能实时观察。还有一些装置，其基底膜一端固定，另一端移动，这些装置的基底膜时刻都在变形中，没有能实时观测的位置，且装置不够紧凑简洁。还有一些装置，采用凸轮传动，对基底膜进行拉伸，但其拉伸速度不是匀速的，且拉伸长度依赖于凸轮几何形状，可调范围较窄。以上所有装置，都不能实现在显微镜上长期培养和实时在位观测。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种可实时在位观测的匀速对称单轴拉伸细胞力学装置，该装置对称拉伸，拉伸速度和拉伸长度可调范围广，设定速度后，拉伸过程完全匀速，可安装于显微镜载物台上进行实时在位观测。

所述的可实时在位观测的匀速对称单轴拉伸细胞力学装置，包括：动力单元、双向丝杠、拉伸臂、滑动单元、透明拉伸皿和装夹平台；所述双向丝杠将设置在固定架上的所述动力单元的旋转运动转换为直线运动；所述双向丝杠的左旋螺纹和右旋螺纹上各套接一个螺母，每个所述螺母上固接一个拉伸臂，用于培养细胞的所述透明拉伸皿的两端分别固接在两个拉伸臂上，通过两个拉伸臂对所述透明拉伸皿进行匀速对称单轴拉伸；同时所述螺母连接滑动单元，通过所述滑动单元保证两个拉伸臂沿双向丝杠的轴向平稳移动；所述装夹平台与固定架固接在一起，装夹平台放置于显微镜载物台上。

在所述透明拉伸皿外罩有柔性可伸缩气囊；使用时，所述柔性可伸缩气囊内充入5％二氧化碳和水蒸气，外部流通设定温度的空气。

所述滑动单元包括直线滑轨和能够沿所述直线滑轨移动的滑块，所述直线滑轨设置在固定架上，每个所述螺母连接一个滑块。

还包括用于限制所述拉伸臂沿双向丝杠轴向移动距离的限位机构。

有益效果：

(1)采用本发明能够对生长了细胞的拉伸皿进行匀速对称单轴拉伸，可以在显微镜载物台上进行实时在位观测。且本装置的拉伸速度和拉伸长度可调范围广，设定速度后，拉伸过程完全匀速。由于是对称拉伸，拉伸皿中间部分保持位置不变可以在显微镜上实时在位观察。

(2)在拉伸皿外设置气囊，配合局部细胞培养环境，可以在显微镜载物台上进行实时在位长期观测。

(3)由于装夹平台可放置于显微镜载物台上，故可以随载物台移动，配合电动载物台以及显微镜软件中的多点拍摄模块，可以实现拉伸前和拉伸变形恢复后的多点对比观测。

(4)采用双向滚珠丝杠传动，传动平稳，机构是对称拉伸，在对基底施加相同长度的拉伸时，长度方向上机构结构更简洁紧凑。

附图说明

图1为本发明的匀速对称单轴基底拉伸细胞力学加载装置的结构示意图；

图2为拉伸装置长期在位培养观测细胞的具体实施方案。

其中：1-步进电机、2-电机支架、3-联轴器、4-滑轨固定架、5-直线滑轨、6-螺尾圆柱销、7-透明拉伸皿、8-装夹平台、9-双向丝杠、10-拉伸臂、11-拉伸臂固定座、12-螺母座、13-螺母滑块连接件、14-滑块、15-气囊

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供一种可安装于显微镜载物台上进行实时在位长期观测的匀速对称单轴基底拉伸细胞力学加载装置。

如图1所示，该力学加载装置包括：动力单元、运动执行单元、透明拉伸皿7、装夹平台8和柔性可伸缩气囊。其中动力单元包括步进电机1及其控制器、驱动器以及电机的联轴器3和电机支架2；运动执行单元包括：两个滑块14、直线滑轨5、双向丝杠9、螺母座12、拉伸臂10、拉伸臂固定座11和螺母滑块连接件13。

其连接关系为：步进电机1安装于电机支架2上，电机支架2和直线滑轨5都安装在滑轨固定架4上。步进电机1的输出轴通过联轴器3与双向丝杠9连接，双向丝杠9用于把步进电机1的旋转运动转换为与丝杠配合的部件匀速靠近或远离直线运动。双向丝杠9的两端各套接一个螺母座12，每个螺母座12上固接一个拉伸臂固定座11和一个螺母滑块连接件13，每个螺母滑块连接件13上连接一个滑块14，两个所述滑块14与直线滑轨5配合，能够沿着直线滑轨5移动，所述滑块14的滑动方向与双向丝杠9的轴向一致。在步进电机1的控制器内设置有软限位器开关，限制两个滑块14的左右运动极限位置，以保证装置的运行安全。两个拉伸臂10分别连接在两个拉伸臂固定座11上；每个拉伸臂10的端部装配着两个螺尾圆柱销6，用来安装透明拉伸皿7，即透明拉伸皿7通过四个螺尾圆柱销6装配在两个拉伸臂10的端部。所述透明拉伸皿7用于培养贴壁细胞以及施加拉力，拉伸皿两端有安装孔，可方便地套在拉伸臂上的螺尾圆柱销6上。采用该种结构形式的运动执行单元能够保证拉伸臂10沿双向丝杠9的轴向平稳进动，由此通过双向丝杠9的传动，两个拉伸臂10对透明拉伸皿7进行匀速对称的单轴拉伸。装夹平台8加工成适合显微镜载物台的尺寸，可以平稳放置于显微镜载物台上，滑轨固定架4与装夹平台8固定在一起。装夹平台8可放置于显微镜载物台上，故可随显微镜载物台移动，配合电动载物台以及显微镜软件中的多点拍摄模块，可以实现拉伸前和拉伸变形恢复后的多点对比观测。

为实现对透明拉伸皿7内细胞的长期观察，在透明拉伸皿7外罩有柔性可伸缩的气囊15，并向气囊15内充入5％二氧化碳和水蒸气，气囊15外流通37度空气，从而给透明拉伸皿7周围营造了适合细胞生存的环境，保证细胞多天连续加载、培养和在位观测。

采用双向丝杠9传动，传动平稳，是对称拉伸，在对基底施加相同长度的拉伸时，长度方向上机构结构更简洁紧凑。本实施例中双向丝杠9采用小导程的精密磨制滚珠丝杠，传动效率高，精度高，运行平稳；若考虑经济性，双向丝杠9可采用滑动丝杠传动，但传动效率略低。

动力单元中采用步进电机1进行驱动，通过调节细分能够满足对基底拉伸的精度要求，动力单元也可以采用伺服电机，精度更高，不会丢步，可以带动更大的负载；还可以采用伺服电机，配合光栅，实现对运动的闭环精确控制。直线滑轨5可以采用精密直线滑轨，保证滑块运动的平衡；也可以采用光杆与滑台配合的方式，但该种方式宽度方向上的结构不如采用直线滑轨紧凑。

本实施例中对两个滑块的限位采用的为控制器里的软限位器，限制拉伸臂左右运动的极限位置，也可以选用外置的光电限位器。

本实施例中透明拉伸皿7采用PDMS(聚二甲基硅氧烷)作为材料，通过向专门设计的拉伸皿模具中浇筑而成，得到生物安全的弹性透明拉伸皿；也可以采用其他生物安全的透明弹性材料。

本发明的工作原理为：步进电机的转动经过双向丝杠转换为沿双向丝杠轴向的直线运动，从而实现对培养了细胞的透明拉伸皿的匀速对称单轴拉伸，通过改变步进电机的转速和电机正反转的时长，可以在很宽的范围内，改变拉伸速度和拉伸长度。并可同时对透明拉伸皿内的细胞进行实时在位长期观测。透明拉伸皿中部在拉伸过程中位置恒定不变，透明拉伸皿外侧罩着柔性气囊，配合温度、湿度、二氧化碳供给，能够实现实时在位、数天的长期观察。通过该装置可以实时在位长期观测和研究力学拉伸刺激对细胞的蛋白表达、亚细胞尺度结构特征、细胞分裂、增殖、分化、凋亡、排列、极化、迁移、伤口愈合的影响等科学问题。同时配合电动载物台，还可以实现对预先标定好的多个观测点在拉伸前和拉伸变形恢复后的多点对比观测。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。