全 文 ：2008年第2期
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN·综述与专论·
收稿日期:2007-09-26
作者简介:梅翀(1977-),男,硕士研究生,研究方向:细胞生物学;E-mail:mcandxdf@yahoo.com.cn
细胞力学是现代生物力学的前言领域,了解力
学因素对细胞行为的影响的基础和关键是找到对
细胞加载力的合理方法,经过多年的改进和发展已
经研制出了多种体外培养细胞的加力装置,目前在
细胞培养方面有研究培养细胞对拉伸应力 (应变)
响应的装置有真空(负压)加载装置[1,2],液体(正
压)加压装置[3],双轴等应变加载装置[4],四点弯曲
梁加载装置[5],双向应变加载装置[6],这些装置虽然
方式有差异,但都能很好的实现对细胞的力学加
载。
随着对细胞力学的深入研究,需要对细胞内的
一些对力信号可能存在响应的蛋白做定量的研究
时,现有的装置都表现出由于现有加载装置基底膜
面积较小不能实现大面积细胞培养导致需要多次
取样的缺陷,本装置提供一种适于大面积细胞培养
拉伸以及能很好的对应变的大小、方向、频率、时间
进行控制的细胞力学加载装置。下面就本装置的设
计思路和结构介绍如下 (装置专利申请已经批复,
申请号:200720123317X)。
1 结构和原理
装置的设计思路是通过将细胞种植于弹性膜
上,由装置产生可控制的运动使得弹性膜发生形
变,而培养在弹性膜表面上的细胞因基底的形变而
受力,从而实现对细胞在拉伸应力下生长规律的研
究。装置主要要解决的问题是由于弹性膜的面积的
增大,拉力相应的增大,与之对配套的传动结构都
提出了较高的要求。
在解决上述问题的同时还考虑到装置的使用
方便,装置由机械部分(夹膜装置、丝杆传动部分、
偏心轮机构),步进电机,运动控制单元 3部分组
成。其中 3个单元各自是独立的结构,单元之间可
以方便的组装和拆卸,有利于灭菌;有利于观察;有
利于控制单元操控;有利于加载时装置运行的平稳
(图 1)
1.1 可调夹膜装置
细胞的变形加载是通过以弹性膜作为基底材
料,通过机械拉伸矩形基底,使得附着于基底的细
胞受到牵张力。本装置才用对弹性膜的两端固定采
细胞培养基底单轴拉伸装置的研制
梅翀 黄岂平 夏俊培 徐东 陈效
(重庆大学生物工程学院,重庆 400044)
摘 要: 为了解决现有加载装置存在因基底膜面积太小而不能实现对大量细胞内蛋白一次性取样进行研究的问
题,研制了一种适于大面积细胞培养拉伸装置,该装置还具有具有对应变的大小、方向、频率和时间可控的优点,可广泛
地运用于细胞力学加载的相关领域的研究工作。
关键词: 细胞培养 单轴伸张 装置
TheDevelopmentofaLoadingDevicewithUniaxialStraintoCels
MeiChong HuangQiping XiaJunpeiXuDong ChenXiao
(ColegeofBioengineeringChongqingUniversity,Chongqing400044)
Abstract: Accordingtoresearchtherequirementformechanicsinfluenceoncelularbiology.Anewloadingdevicebased
onsubstrate-straintocelsisintroducedinthispaper.Thedevicehasmanyadvantagessuchasloadingexpediently,altering
frequencyeasily,operatedsimplyandcontroledaccurately,soitcouldbewidelyusedtoresearchcelular.
Keywords: Celculture Uniaxialstrain Device
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第2期
用夹子方式,两端夹具水平高度相同,且平行,以保
证受力的均匀;夹具宽为 100mm,两端夹具间的距
离是可以调节的;夹具的开口大小也是可以调节
的,这样可以适用于不同面积大小和不同厚度的
膜,且便于膜的安装(图 2,图 3)。
1.2 利用丝杆传动
由于设计目的是可以对最大 100mm×100mm
的膜进行拉伸,要求传动动力大、传动精确平稳,我
们经过比较各种传动方式,选择了丝杆传动,该传
动方式较好的解决了这个问题。丝杆传动优点在于
钢性较好,可以传递较大扭力,位置准确,运动平
稳、摩擦系数小,精度高而且安装、维修方便。同时
为了保证膜上各点的受力能够一致,本装置采用了
两根平行的直线导轨连接可运动端夹具,可以保证
膜上的各点运动同步、受力均匀(图 2)。
1.3 偏心轮机构运用
直线导轨与电机之间的传动连接采用的是偏
心轮机构,偏心轮机构是由凸轮演化而成的,但是
凸轮具有不善于传递动力;轮廓曲线一经设定就不
可变的缺点。偏心轮机构的偏心距具有可调节的优
点,可以通过调节偏心距改变直线导轨的运行行
程,从而方便准确的改变对膜拉伸应变的大小。
1.4 动力源及控制系统
动力源的选择,此装置采用步进电机作为动力
源,它有其它电机不可比拟的优点:交流异步电机
只能起驱动作用,可控性很小,步进电机则可方便
控制位移长度、速度、方向,配以丝杆可达至极高控
制精度。只有周期性的误差,且不累积。同时步进电
机低速时可以正常运转,也符合生物力学实验的要
求。
控制系统采用的是 SC100B单轴运动控制器,
可控制电机执行各种单向、循环、往复、延时等动
作,距离、速度、加速度、停留时间等参数可由键盘
或指令设定。而且可根据需要自行编写控制程序,
用控制器面板上的按键输入程序,液晶显示器显示
相应的指令和数据。控制器控制步进电机的步距角
的选择和脉冲频率的输出,电机在单片机的监控之
下运转。
2 实验结果
将装置的机械部分包好高压灭菌,将膜用 75%
的酒精灭菌、冲洗。用夹具将膜夹平整,装上电机,
紫外灯照射,确保无菌后,接种上 ECV-304细胞,
接种比为 50%,将机械部分整体放入 5%CO2,37℃
的细胞培养箱中培养 24~36h,待细胞铺展到整个
面积的 80%左右,将电机和细胞培养箱外的控制系
统连接,设定周期拉伸频率为 1HZ,拉伸比为 10%,
连续周期拉伸工作 12h,用显微镜观察细胞的排列
取向。结果,膜上细胞形状改变,成梭形;细胞的取
向基本一致;所有细胞长轴同加载的方向基本垂直
(图 4)。实验结果同国内外资料中对细胞周期性加
载的研究结果相符合,说明该装置能够达到对细胞
图 1 加载装置主视图
图 2 机械部分俯视图
图 4 细胞加载 12h后
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的力学加载的研究要求。
3 结束语
该装置很好地解决了对较大弹性膜的力学加
载问题,且整个装置在实验条件下,工作情况稳定,
实验结果重复性好,具有很好的一致性。证明了装
置设计完全达到了实验的要求。本装置还具有适用
于不同大小的弹性膜加载实验、操作方便、结构简
单耐用,价格低廉等优点,易为各研究机构所采用,
可广泛的运用于细胞力学加载的相关领域的研究
工作。
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梅翀等:细胞培养基底单轴拉伸装置的研制
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(上接第76页)
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