动态压剪耦合加载系统及其方法

1.本发明涉及力学性能测试技术，尤其涉及一种动态压剪耦合加载系统及其方法。


背景技术：

2.在发育、分化、生理和疾病过程中，细胞不仅接收化学信号，还接收来自细胞外基质和周围环境的机械信号。机械力是有经验的，可能被解释为在细胞中产生生物反应。细胞中的这些表型和功能变化包括一系列途径，如基因表达级联、蛋白质合成、增殖和运动，这些途径暂时甚至永久改变细胞状态。从力学的角度来看，细胞是一种特殊的材料，尽管细胞比金属和玻璃等普通材料复杂得多。在大多数病理过程中，细胞的力学性质并不稳定，如转移、哮喘、镰状细胞贫血和凋亡。因此，了解细胞的力学行为可以提供一个独特的视角来描述疾病的机制和生物材料的基本机制，因为细胞是生命的基本单位。
3.在探索细胞力学和建立细胞的应力-应变关系时，面临的挑战是如何在组织/单层/细胞上适当施加可控力，并在单细胞尺度下捕获其实时应变场。基于这些追求，提出了各种合理的假设，主要基于研究规模视角，以及相应的机械方法，包括机械方法和生物方法。
4.借助图像处理算法，原子力显微镜(afm)、微吸管抽吸(ma)和微流控平台是向细胞施加压缩/拉伸或剪切应力的最常用和有效的机械工具。此外，为了提高准确性和收集更多信息，还设计了一些改进的技术和方法，如磁扭转细胞仪(mtc)、单轴拉伸流变仪(usr)等。通过这些静态或准静态力学实验，可以认为细胞的力学行为可能是粘弹性材料。然而，那些探索分离活细胞的应力-应变关系的实验还没有达到动态条件或更高的应变率。通常，材料(包括活细胞)的动态加载过程与静态或准静态情况有很大不同。一个生动的例子是，准静态变形情况是一系列平衡状态，其中材料力学方程是生效的。相反，动态加载过程可以被视为应力波以声速在物体中传播。一旦外部以很高的速率传递变形，导致物体的一部分受到应力，其他部分还没有受到影响。因为细胞具有感知机械行为的能力，并能快速反应以适应这种机械环境。受动态加载过程影响的细胞可能表现出不同的力学行为，而不是粘弹性材料。此外，动态过程下的应力应变关系是单细胞本构方程的重要组成部分。因此，开发在细胞上施加动态应力的方法将对细胞力学研究领域做出重大贡献。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种动态压剪耦合加载系统及其方法，以解决现有技术存在的无法测定细胞动态范围的应力应变的问题。
6.根据本发明实施例提出一种动态压剪耦合加载系统，用于测定微米级超软材料在动态压剪耦合加载下的应力应变本构力学行为，所述系统包括：摆锤、导轨、活塞、平板腔、活细胞、耗散箱；其中，所述导轨和所述平板腔相对设置，所述导轨内设置有子弹；所述活塞设置在所述平板腔的第一端；所述耗散箱的底部固定有活细胞；所述平板腔的第二端与所述耗散箱的内部相连通，使得所述平板腔和所述耗散箱内的溶液能够相互流动；其中，所述
摆锤撞击所述子弹，所述子弹在所述导轨内前进并撞击所述活塞产生弱激波，所述弱激波在所述平板腔中传播至所述耗散箱中耗散，所述弱激波在所述平板腔传播时对所述活细胞施加动态压缩和剪切力。
7.其中，所述系统还包括：高频压力传感器和高频数据采集系统，所述高频压力传感器设置在靠近所述活细胞的位置且所述高频压力传感器与所述高频数据采集系统连接。
8.其中，所述系统还包括：拍摄装置，用于采集活细胞在侧面和底面两个视角下的形变场数据。
9.其中，所述子弹的口径小于所述活塞的口径。
10.其中，所述平板腔内充满溶液。
11.根据本发明实施例还提出一种动态压剪耦合加载方法，用于测定微米级超软材料在动态压剪耦合加载下的应力应变本构力学行为，所述方法包括：相对设置导轨和平板腔，在所述导轨内设置子弹；在所述平板腔的第一端设置活塞，将所述平板腔的第二端与耗散箱的内部相连通，使得所述平板腔和所述耗散箱内的溶液相互流动；其中所述耗散箱的底部固定有活细胞；使所述子弹在所述导轨内前进并撞击所述活塞产生弱激波，所述弱激波在所述平板腔中传播至所述耗散箱中耗散，所述弱激波在所述平板腔传播时对所述活细胞施加动态压缩和剪切力。
12.其中，所述方法还包括：在靠近所述活细胞的位置设置高频压力传感器；通过所述高频压力传感器采集压缩应力的实时数据，并发送至高频数据采集系统。
13.其中，所述方法还包括：在活细胞的侧面和底面分别设置高速摄像机，采集活细胞在侧面和底面两个视角下的形变场数据。
14.其中，所述子弹的口径小于所述活塞的口径。
15.其中，所述平板腔内充满溶液。
16.根据本发明的技术方案，通过压力传感器获取实时的应力数据，通过高速摄像机获取了两个视角下的形变数据可用于重构三维形变模型，并计算获取到包括活细胞在内的微米级超软材料在动态下的应力应变力学行为关系。
附图说明
17.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
18.图1是根据本发明一个系统实施例的示意图；
19.图2是根据本发明另一个系统实施例的示意图；
20.图3是根据本发明一个方法实施例的流程图。
具体实施方式
21.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
6在动态压剪耦合作用下的形变场数据，该数据由图像数据采集系统13实时记录。
30.根据本技术实施例还提供一种动态压剪耦合加载方法，用于测定微米级超软材料在动态压剪耦合加载下的应力应变本构力学特性。参考图3，该方法包括以下步骤：
31.步骤s302，相对设置导轨和平板腔，在所述导轨内设置子弹；
32.步骤s304，在所述平板腔的第一端设置活塞，将所述平板腔的第二端与耗散箱的内部相连通，使得所述平板腔和所述耗散箱内的溶液相互流动；其中所述耗散箱的底部固定有活细胞；在进行实验时，在耗散箱的底部壁面种植活细胞，贴壁细胞会在约一小时左右静置后自己贴附在壁面。
33.步骤s306，使所述子弹在所述导轨内前进并撞击所述活塞产生弱激波，所述弱激波在所述平板腔中传播至所述耗散箱中耗散，所述弱激波在所述平板腔传播时对所述活细胞施加动态压缩和剪切力。
34.其中，所述方法还包括：在靠近所述活细胞的位置设置高频压力传感器；通过所述高频压力传感器采集压缩应力的实时数据，并发送至高频数据采集系统。
35.其中，所述方法还包括：在活细胞的侧面和底面分别设置高速摄像机，采集活细胞在侧面和底面两个视角下的形变场数据。
36.本发明的方法的操作步骤与系统的结构特征对应，可以相互参照，不再一一赘述。
37.本发明利用弱激波在粘性液体中传播会对壁面施加动态的压缩和剪切应力的理论特性，同时，液体加载可以规避包括活细胞在内的微米级超软材料的尺寸过小、波阻抗过低和难夹持等的困难点。摆锤的加载方法简易且方便改变初始动能，便于模拟更多的压力场景。在保证溶液和活细胞在内的微米级超软材料可以正常共存的要求下，可以通过直接更换粘性不同的溶液来单独调节动态剪切应力的数据。此外，通过压力传感器获取了实时的应力数据，通过高速摄像机获取了两个视角下的形变数据可用于重构三维形变模型等，最后计算获取到包括活细胞在内的微米级超软材料在动态下的应力应变力学行为关系。
38.尽管已经参考本技术的特定实施例详细地描述本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离实施例的精神和范围的情况下可以在其中进行各种改变和修改。因此，本技术旨在覆盖本技术的修改和变化，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求以及其等效物的范围之内。
39.此外，在以上描述或权利要求书或附图中公开、以其特定形式或根据用于执行所公开功能的方式或用于获得所公开结果的方法或过程表达的特征视情况可以单独地或以这些特征的任何组合来用于以它们的不同形式实现本技术。具体来说，本技术所描述的任一个实施例的一个或多个特征可以与本技术所描述的任何其它实施例的一个或多个特征组合。
40.还可以为结合本技术引用和/或通过引用合并的任何一个或多个公开文件中公开的任何特征寻求保护。