细胞三维动态体积调控装置

1.本发明涉及生物医学工程领域，特别是涉及一种细胞三维动态体积调控装置。


背景技术：

2.细胞在体内存在于复杂的三维基质微环境中，其通过感受和响应生物化学和机械应力等多种刺激来调节细胞增殖、分化和功能。近几年，人们逐渐深入发现细胞外基质微环境作为细胞直接接触的区域不仅对细胞力学和生物学行为有着重要的调控作用，而且基质微环境物理特性的变化与生长、发育和疾病发生有着密切的联系。基质微环境物理特性包含基质弹性、黏弹性、单细胞几何形状以及动态拉伸和压缩应变刺激等。
3.随着细胞力学生物学研究的不断深入，人们逐渐意识到研究单细胞在其三维基质微环境中的细胞行为更具有生理和现实意义。于此同时，大量研究证明单细胞体积通过特定的信号通路直接影响细胞行为和命运，其中包括细胞迁移、分化和凋亡。如细胞水外流导致细胞体积减小而引起的细胞硬度增加，并最终诱导干细胞成为前骨细胞。此外细胞体积调节不仅影响细胞功能，而且影响其基因表达、代谢活动和退行性病变，如软骨细胞肥大等。因此，工程化构建三维动态调控单细胞体积的细胞培养平台或装置对于揭示基质动态体积变化调控细胞行为、功能和命运的分子机制至关重要。
4.目前的细胞拉伸、压缩装置大多局限在群体细胞的二维平面应变上，没有综合考虑过细胞拉伸、压缩方式的多样性，单细胞三维体积调控的重要性以及基于细胞动态应变实际研究意义下显微镜观察的实时性。随着生物医学工程的发展，仅仅把目光集中在群体细胞的轴向拉伸、压缩上已经远远不够。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种细胞三维动态体积调控装置，旨在解决或改善上述技术问题中的至少之一。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种细胞三维动态体积调控装置，包括：
7.模具单元，所述模具单元包括用于浇筑成型试样的浇筑模具，所述试样内圈具有细胞存放槽，所述细胞存放槽内具有若干个单细胞槽，所述试样外圈周向设有若干个插孔；
8.拉伸单元，所述拉伸单元包括安装组件，所述安装组件内活动连接有若干个弧形的转动叶片，若干个所述转动叶片呈光圈状设置，所述转动叶片的内圈端底面固接有拉伸杆，若干个所述拉伸杆与若干个所述插孔一一对应设置并固接；
9.控制驱动单元，所述控制驱动单元包括电机和控制组件，所述电机与所述控制组件电性连接，所述电机的输出轴通过传动组件与所述安装组件传动连接。
10.优选的，所述浇筑模具包括一端敞开的外筒，所述外筒远离其敞开端的内端面中心处活动连接有存放槽成型块，所述存放槽成型块与所述细胞存放槽位置对应设置，所述存放槽成型块的顶面设有光刻硅板，所述光刻硅板表面的若干个凸起与若干个单细胞槽一
一对应设置。
11.优选的，所述外筒远离其敞开端的内端面周向固接有若干个插孔成型杆，若干个所述插孔成型杆位于所述存放槽成型块外侧，若干个所述插孔成型杆远离所述存放槽成型块的一端伸出所述外筒的敞开端，且若干个所述插孔成型杆与若干个所述插孔位置一一对应设置。
12.优选的，所述外筒的敞开端可拆卸连接有封盖，所述封盖的中心处开设有浇注口，所述浇注口与所述存放槽成型块之间具有间隙，所述封盖的外圈周向开设有若干个通孔，若干个所述通孔与若干个所述插孔成型杆一一对应设置并插接。
13.优选的，所述安装组件包括内环和外环，若干个所述转动叶片的外圈端与所述外环固接，所述内环底面周向铰接有若干个连杆，若干个所述连杆与若干个所述转动叶片一一对应设置，且所述连杆远离所述内环的一端与所述转动叶片的顶面铰接。
14.优选的，所述传动组件包括摆臂，所述摆臂一端与所述内环固接，所述摆臂另一端铰接有曲柄的一端，所述曲柄的另一端固接有偏心轮的顶面，所述偏心轮的底面与所述电机的输出轴固接。
15.优选的，所述控制组件包括控制器，所述控制器与所述电机电性连接，所述控制器上具有开关按钮、无极调速旋钮和暂停按钮。
16.本发明公开了以下技术效果：
17.本发明通过使用浇筑模具对试样进行浇筑成型，使试样中的细胞存放槽形成若干个单细胞槽，用于对各单细胞单一存放，待得细胞贴壁后，通过电机驱动传动组件使若干个转动叶片转动，带动拉伸杆挤压下方试样各项均匀变形，并使得细胞存放槽内的单细胞槽发生体积均匀扩张。
18.同样地，先通过电机驱动传动组件使若干个转动叶片转动至所需角度，带动拉伸杆挤压下方试样各项均匀变形，使得细胞存放槽内的单细胞槽发生体积均匀扩张。此时将细胞种进细胞存放槽内的单细胞槽，待得细胞贴壁后，回转电机驱动传动组件使若干个转动叶片回转，继而下方试样恢复原形，细胞存放槽内的单细胞槽发生体积均匀压缩。
19.从而实现共聚焦显微镜实时观察下，单细胞槽内各个单细胞的三维体积调控。并且本发明可以直接应用于免疫细胞染色和钙成像等实验，并通过共聚焦显微镜实时观察，实现对动态刺激过程中三维细胞形态、黏着斑蛋白、蛋白分布、功能因子荧光强度和钙震荡的精准定量分析。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明最小状态的立体结构示意图；
22.图2为本发明最大状态的立体结构示意图；
23.图3为本发明浇筑模具的立体结构示意图；
24.图4为本发明浇筑模具内部的立体结构示意图；
25.图5为本发明光刻硅板的结构示意图；
26.图中：1、试样；2、浇筑模具；3、细胞存放槽；5、插孔；6、转动叶片；7、拉伸杆；8、电机；9、内环；10、外环；11、连杆；12、摆臂；13、曲柄；14、偏心轮；15、控制器；16、开关按钮；17、无极调速旋钮；18、暂停按钮；21、外筒；22、存放槽成型块；23、光刻硅板；24、插孔成型杆；25、封盖；26、浇注口；27、通孔。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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。
28.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
29.实施例一
30.参照图1-5所示，本实施例提供一种细胞三维动态体积调控装置，包括：
31.模具单元，模具单元包括用于浇筑成型试样1的浇筑模具2，试样1内圈具有细胞存放槽3，细胞存放槽3内具有若干个单细胞槽，试样1外圈周向设有若干个插孔5；
32.拉伸单元，拉伸单元包括安装组件，安装组件内活动连接有若干个弧形的转动叶片6，若干个转动叶片6呈光圈状设置，转动叶片6的内圈端底面固接有拉伸杆7，若干个拉伸杆7与若干个插孔5一一对应设置并固接；
33.控制驱动单元，控制驱动单元包括电机8和控制组件，电机8与控制组件电性连接，电机8的输出轴通过传动组件与安装组件传动连接。
34.本发明通过使用浇筑模具2对试样1进行浇筑成型，使试样1中的细胞存放槽3形成若干个单细胞槽，用于对各单细胞单一存放，待得细胞贴壁后，通过电机8驱动传动组件使若干个转动叶片6转动，带动拉伸杆7挤压下方试样1各项均匀变形，并使得细胞存放槽3内的单细胞槽发生体积均匀扩张。
35.同样地，先通过电机8驱动传动组件使若干个转动叶片6转动至所需角度，带动拉伸杆7挤压下方试样1各项均匀变形，使得细胞存放槽3内的单细胞槽发生体积均匀扩张。此时将细胞种进细胞存放槽3内的单细胞槽，待细胞贴壁后，回转电机8驱动传动组件使若干个转动叶片6回转，继而下方试样1恢复原形，细胞存放槽3内的单细胞槽发生体积均匀压缩。
36.从而实现共聚焦显微镜实时观察下，单细胞槽内各个单细胞的三维体积调控。
37.进一步的，电机8扭矩为25kg
·
m，能实现1r/min-10r/min匀速转动，也可以转到某个地方停止。
38.进一步的，转动叶片6的数量优选为16个，提高各项拉伸的均匀性。
39.进一步的，本发明试样1中的细胞存放槽3优选为达到直径整体扩大20mm的效果。
40.进一步优化方案，浇筑模具2包括一端敞开的外筒21，外筒21远离其敞开端的内端面中心处活动连接有存放槽成型块22，存放槽成型块22与细胞存放槽3位置对应设置，存放槽成型块22的顶面设有光刻硅板23，光刻硅板23表面的若干个凸起与若干个单细胞槽一一
对应设置；外筒21远离其敞开端的内端面周向固接有若干个插孔成型杆24，若干个插孔成型杆24位于存放槽成型块22外侧，若干个插孔成型杆24远离存放槽成型块22的一端伸出外筒21的敞开端，且若干个插孔成型杆24与若干个插孔5位置一一对应设置。
41.通过设置细胞存放槽3、光刻硅板23和若干个插孔成型杆24使浇筑模具2所浇筑成型的试样具有细胞存放槽3、单细胞槽和插孔5。
42.进一步的，光刻硅板23的凸起大小仅可容纳单个细胞，尺寸为微米级，光刻硅板23优先选用粘贴的方式可拆卸连接在存放槽成型块22上。
43.进一步的，外筒21远离其敞开端的端壁中心开设有一与存放槽成型块22尺寸相适配的凹槽(未在图中显示)，且此凹槽的中心处开设一贯穿孔(未在图中显示)，存放槽成型块22远离光刻硅板23的端面固接有固定杆，在将存放槽成型块22与外筒21连接时，将固定杆贯穿出贯穿孔并将存放槽成型块22放置在凹槽内，即可使存放槽成型块22稳定在外筒21内。
44.进一步优化方案，外筒21的敞开端可拆卸连接有封盖25，封盖25的中心处开设有浇注口26，浇注口26与存放槽成型块22之间具有间隙，封盖25的外圈周向开设有若干个通孔27，若干个通孔27与若干个插孔成型杆24一一对应设置并插接。
45.通过设置浇注口26便于对浇筑模具2内进行浇筑，且通过设置通孔27便于在浇筑时将封盖25与外筒21相连接。
46.进一步的，试样1为pdms材质，浇筑时在浇注口26倒入比例为1：20的pdms胶，其弹性模量和密度均通过选取较为平整的试样1，并根据拉伸压缩实验测得。
47.进一步优化方案，安装组件包括内环9和外环10，若干个转动叶片6的外圈端与外环10固接，内环9底面周向铰接有若干个连杆11，若干个连杆11与若干个转动叶片6一一对应设置，且连杆11远离内环9的一端与转动叶片6的顶面铰接。
48.通过传动组件带动内环9转动，并由外环10固定若干个转动叶片6的外圈端，即可实现由内环9带动连杆11使转动叶片6转动，进而实现若干个拉伸杆7对试样1的拉伸或缩紧控制。
49.进一步的，外环10通过支架与电机8固接，用于固定外环10的位置。
50.进一步优化方案，传动组件包括摆臂12，摆臂12一端与内环9固接，摆臂12另一端铰接有曲柄13的一端，曲柄13的另一端固接有偏心轮14的顶面，偏心轮14的底面与电机8的输出轴固接。
51.通过电机8的输出轴带动摆臂偏心轮14转动使曲柄13带动摆臂12移动，进而实现摆臂12带动内环9的转动。
52.进一步优化方案，控制组件包括控制器15，控制器15与电机8电性连接，控制器15上具有开关按钮16、无极调速旋钮17和暂停按钮18。
53.无极调速旋钮17的作用是能改变电机8输出轴转速，而暂停按钮18的作用是方便静态观察某种应变状态下的细胞状态。
54.进一步的，本装置的尺寸均根据徕卡共聚焦显微镜尺寸设计，能达到实时观察的效果。
55.使用方法：
56.浇注成型，本发明中的浇筑模具2中间安装存放槽成型块22，存放槽成型块22表面
紧贴一块光刻硅板23，在浇注口26倒入比例为1：20的pdms胶后，脱模可形成带有细胞存放槽3和单细胞槽的试样1，单细胞槽可容纳单个细胞，实现单细胞培养；
57.接种细胞，对本装置进行无菌处理，在成型的试样1的单细胞槽内接种细胞，并放入培养箱中培养；
58.实验时，将电机8与控制器15相连，把本装置整体移动到leica共聚焦显微镜下，摆放在合适的地方，保证镜头能够对准试样1内的细胞存放槽3，以观察细胞；
59.通过控制器15控制电机8使电机输出轴转动，带动偏心轮14使曲柄13摆动，并通过摆臂12进一步使内环9转动。内环9再通过连杆11使转动叶片6转动，从而带动拉伸杆7驱使下方试样1从最小状态形变到最大状态，从而实现细胞存放槽3内细胞的各向均匀拉伸。此时，实验人员可在共聚焦显微镜下实时观察细胞体积扩张时的动态。
60.同样地，先通过控制器15控制电机8使电机输出轴转动，带动偏心轮14使曲柄13摆动，并通过摆臂12进一步使内环9转动。内环9再通过连杆11使转动叶片6转动至所需角度，带动拉伸杆7挤压下方试样1各项均匀变形，使得细胞存放槽3内的单细胞槽发生体积均匀扩张。此时将细胞种进细胞存放槽3内的单细胞槽，待得细胞贴壁后，回转电机8驱动传动组件使若干个转动叶片6回转，继而下方试样1恢复原形，细胞存放槽3内的单细胞槽发生体积均匀压缩。实验人员可在共聚焦显微镜下实时观察细胞体积压缩时的动态。
61.此外，本发明的电机8可实现以某种速率往复运动，按下暂停按钮18可以在任意位置停止。
62.实施例二
63.本实施例与实施例一的不同之处在于，在进行试样1浇筑成型时，取消在存放槽成型块22表面紧贴一块光刻硅板23，使试样1成型后细胞存放槽3内不具备单细胞槽，从而能够在细胞存放槽3内进行群体细胞培养，进而实现带动拉伸杆7挤压下方试样1发生均匀应变，实现共聚焦显微镜实时观察下，槽内群体细胞的平面各项均匀应变。
64.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
65.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。