CN104774759A - 一种成骨细胞单细胞激励与检测的操作手结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种成骨细胞单细胞激励与检测的操作手结构，所述操作手包括连接臂、以及安装于连接臂顶端的一个振动臂和两个检测臂，两个检测臂对称设置于振动臂两侧，检测臂用于夹持成骨细胞且两个检测臂的夹持方向相对设置，振动臂用于振动激励成骨细胞，所述检测臂上设有用于检测成骨细胞上表面压阻的平面压阻和用于检测成骨细胞侧表面的侧壁压阻。本发明的成骨细胞单细胞激励与检测的操作手结构通过夹持动作调整工具末端与细胞的接触程度，并设计了检测工具末端结构的二维传感方式，可以实现成骨细胞全局多点多维的动态检测。
Description
技术领域
本发明涉及成骨细胞激励与检测技术领域，特别是涉及一种成骨细胞单细胞激励与检测的操作手结构。
背景技术
骨骼系统是人体最大的组织系统之一，具有支撑和保护身体、维持运动、造血、存储钙质等多种功能。骨科疾患是影响人群健康和生活质量最常见的疾病之一，以骨质疏松症为例，目前我国已是世界上骨质疏松症患者最多的国家，约有患者9000万，约占总人口的7%。在我国45岁以上的人口中每4名男性就有1名患有骨质疏松症，女性发病率更高，在30%以上。预计2020年中国骨质疏松症患者将达到2.86亿，2050年上升至5.33亿。成骨细胞是骨发生和骨形成的生物学基础，在骨不断的更新活动中是最重要的功能细胞，成骨细胞数量和功能的下降而骨吸收加快是骨质疏松的主要病理基础。对细胞力学特性的研究，不仅可以为一些疾病的发病机理提供理论基础，而且还可以为其诊断、治疗和康复提供方法。因此，研究成骨细胞特性、活性变化及其影响因素对于探索骨质疏松症的发病机制具有重要的医学意义，为骨质疏松症的诊断、治疗和康复提供方法和理论依据。
研究已经证明机械应力对成骨细胞生命活动有很大的影响。应力对骨修复的研究可追溯到一百多年前的Wolff定律。骨组织是一个受应力支配的优化结构，增加应力可直接刺激骨的生长，反之将造成骨的丢失。美国工程院院士Edmund YS Chao在《一种非创伤形式的组织工程——生物物理刺激在骨修复、重构、保持中的作用》的报告中指出物理刺激可以帮助骨的修复、重构和保持，是一种有广泛前景的高效的非创伤性组织工程方法。由NASA资助的科学家们和国际太空医学研究协会揭露一个迹象，几乎察觉不到的微幅高频振动可能刺激骨生产，并建议宇航员每天站在一个微振台上进行10-20分钟的锻炼防止骨量丢失。正常骨组织生长都离不开机械应力刺激，而生理活动中周期性机械力刺激是骨组织再生的基础，其中成骨细胞是对周期性应力敏感的细胞。作为生物力学领域中的重要部分，成骨细胞对外部力的响应机制仍需进一步探索。
现有技术中主要通过对骨头整体或者大批量的成骨细胞进行整体振动来分析成骨细胞的成骨效应，比较笼统定性，不能定量分析，无法从细胞层面给出精确的依据。目前使用的细胞测量方法也主要是通过细胞表面单点的静态测试结果计算和表征细胞的力学特性，或者基于统计分析的方法对成骨细胞力学特性进行表征。然而细胞是复杂的非均匀体结构，不同结构部分的力学特性也会有差别，因此，多维、多点、全局的力学检测对于准确的细胞机械力学响应特性数据测量有绝对的必要性。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种成骨细胞单细胞激励与检测的操作手结构。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种成骨细胞单细胞激励与检测的操作手结构。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
一种成骨细胞单细胞激励与检测的操作手结构，所述操作手包括连接臂、以及安装于连接臂顶端的一个振动臂和两个检测臂，两个检测臂对称设置于振动臂两侧，检测臂用于夹持成骨细胞且两个检测臂的夹持方向相对设置，振动臂用于振动激励成骨细胞，所述检测臂上设有用于检测成骨细胞上表面压阻的平面压阻和用于检测成骨细胞侧表面的侧壁压阻。
作为本发明的进一步改进，所述连接臂上固定设置有连接部，所述连接部中间向外延伸设有第一连接梁，连接部两侧向外延伸设有对称的第二连接梁和第三连接梁，所述振动臂固定设置于第一连接梁的端部，两个检测臂分别固定设置于第二连接梁和第三连接梁的端部。
作为本发明的进一步改进，所述第二连接梁、第三连接梁分别包括平行于第一连接梁的平行部和与所述平行部相连且向第一连接梁端部弯折的弯折部，所述检测臂固定设置于弯折部上。
作为本发明的进一步改进，所述第一连接梁上设有压电层。
作为本发明的进一步改进，所述连接臂上固定设置有驱动部，所述驱动部位于连接部的后方并与连接部相连。
作为本发明的进一步改进，所述驱动部的两侧对称设有驱动臂，所述驱动臂分别与连接部上的第二连接梁和第三连接梁相连设置。
作为本发明的进一步改进，所述驱动部的后方设有用于夹持并驱动所述驱动部运动的压电模块。
作为本发明的进一步改进，所述检测臂包括检测臂基体、以及沿检测臂基体向外延伸的第一检测臂和第二检测臂，所述第二检测臂的厚度小于第一检测臂的厚度，所述平面压阻设置于第一检测臂上，侧壁压阻设置于第二检测臂上。
本发明的有益效果是：
本发明的成骨细胞单细胞激励与检测的操作手结构通过夹持动作调整工具末端与细胞的接触程度，并设计了检测工具末端结构的二维传感方式，可以实现成骨细胞全局多点多维的动态检测。
附图说明
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，下面将对实施例或现有技术描述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中记载的一些实施例，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。
图1a为成骨细胞结构及预估测试点的示意图，图1b为多点全局区域测试点的示意图；
图2为本发明中成骨细胞单细胞激励与检测的原理图；
图3a~3e为本发明一具体实施方式中成骨细胞单细胞激励与检测的操作手结构示意图；
图4a为本发明检测臂的结构示意图，图4b、4c为本发明检测臂的工艺原理图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，都应当属于本发明保护的范围。
由于成骨细胞的机械特性与环境条件、细胞生长周期相关，因此针对特定批次的细胞，首先结合上述成骨细胞各部分简化结构的典型力学特征计算方法，以及生物特征参数，理论计算细胞的表面硬度与杨氏模量，进行成骨细胞局部和全局机械特性的仿真，建立成骨细胞动态响应模型，分析振动激励在成骨细胞体内的传递和衰减方式，研究机械力场变化对成骨细胞动态特性的影响规律，评估细胞在受力过程中的形变特征。后续将通过设计的微细测试工具进行成骨细胞表面多点挤压测试，对成骨细胞的特征参数进行修正，完善动态响应模型。
成骨细胞的动态特性检测，是一个持续性的检测过程。在上述理论分析和模型基础上，本发明中针对成骨细胞的力学响应动态性、连续性等特点，设计接触随动式检测方法，对动态响应的连续过程进行反馈。同时，由于成骨细胞为非规则生物体，需要通过多点检测实现全局动态特性描述，如图1所示为成骨细胞动态响应测试点的原理图，其中，图1a为成骨细胞结构及预估测试点的示意图，图1b为多点全局区域测试点的示意图。
因此，为了实现激励与检测方法的灵活性，采用一体化的设计方式，在检测工具上集成振动激励部分，实现成骨细胞的原位激励与检测。同时为了与细胞更好的接触，设计了夹持式的检测工具，可以通过夹持动作调整工具末端与细胞的接触程度，并设计了检测工具末端结构的二维传感方式，实现成骨细胞全局多点多维的动态检测。如图2所示，检测端夹持成骨细胞，与被检测部分充分接触。通过激励端进行振动激励后，检测端上的二维传感器可以实现如图所示x向和z向的动态响应检测。通过旋转细胞，可以实现y向和z向的动态响应检测。
成骨细胞的原位测试需要在培养液中进行，因此针对溶液中细胞的测试要求，研究跨介质（空气-水）测试和操作时，MEMS微细工具与溶液接触的力学模型。重点分析MEMS微细工具从空气进入水性溶液过程中，表面张力对工具末端的影响，以及与工具间能量传递和力的变化。在具体研究中，以弹性力学为理论基础，研究表面张力对微细工具测试末端应力和变形的影响，从而明确测试工具结构形状、尺寸、刚度等。研究基于压阻力检测的传感器实现方法及柔顺执行机构优化设计方法。在测试工具设计方面，通过材料力学、弹性力学等理论进行柔顺结构本体设计建模，通过有限元仿真进行分析；在工具加工工艺方面，采用光刻、腐蚀、离子注入、FIB、溅射等MEMS工艺步骤，设计驱动、检测、机构一体化的微细工具，重点研究压阻传感器部分的工艺加工，操作及测试工具。
本发明公开了一种成骨细胞单细胞激励与检测的操作手结构，包括连接臂、以及安装于连接臂顶端的一个振动臂和两个检测臂，两个检测臂对称设置于振动臂两侧，检测臂用于夹持成骨细胞且两个检测臂的夹持方向相对设置，振动臂用于振动激励成骨细胞，检测臂上设有用于检测成骨细胞上表面压阻的平面压阻和用于检测成骨细胞侧表面的侧壁压阻。
参图3a~3e所示，操作手100固定安装在外部操作手调整台200上，操作手包括连接臂10、以及安装于连接臂10顶端的一个振动臂11和两个检测臂12，两个检测臂12对称设置于振动臂两侧，检测臂12用于夹持成骨细胞且两个检测臂的夹持方向相对设置，振动臂11用于振动激励成骨细胞。
本实施方式中，连接臂10上固定设置有连接部101，连接部101中间向外延伸设有第一连接梁102，连接部101两侧向外延伸设有对称的第二连接梁103和第三连接梁104，振动臂11固定设置于第一连接梁102的端部，两个检测臂12分别固定设置于第二连接梁103和第三连接梁104的端部。
进一步地，第二连接梁103、第三连接梁104分别包括平行于第一连接梁的平行部105和与平行部相连且向第一连接梁端部弯折的弯折部106，检测臂12分别固定设置于弯折部106上，第一连接梁102上设有压电层1021。
连接臂10上固定设置有驱动部107，驱动部107位于连接部101的后方并与连接部101相连。
优选地，驱动部107的两侧对称设有驱动臂1071，驱动臂1071分别与连接部上的第二连接梁103和第三连接梁104相连设置，驱动部的后方设有用于夹持并驱动该驱动部运动的压电模块1072。
本实施方式中，当控制压电模块1072可以驱动上述驱动部107向前运动，从而带动驱动臂1071运动，由于驱动臂1071分别与连接部上的第二连接梁103和第三连接梁104相连，因此第二连接梁103和第三连接梁104受到相应的驱动力，可以实现端部两个检测臂12的夹持功能。
结合图4a所示，检测臂12包括检测臂基体121、以及沿检测臂基体向外延伸的第一检测臂122和第二检测臂123，第二检测臂的厚度小于第一检测臂的厚度，平面压阻1221设置于第一检测臂上，侧壁压阻1231设置于第二检测臂上。
在检测臂设计过程中，重点研究平面压阻和侧壁压阻工艺以及FIB刻蚀工艺，将检测结构尽量靠近工具末端，减少其它机构耦合带来的检测误差，提高机械品质因数，从而保证微信号的检测精度。如图4所示为二维检测原理图，为区分两个压阻，将操作手上表面的压阻称为平面压阻。利用侧壁压阻工艺在图4a中工具前段薄壁位置制作两个侧壁压阻，用于检测一个方向上的力。如图4b、4c所示，通过控制平面上离子注入的深度实现侧壁压阻的宽度，然后利用深刻蚀技术去除部分区域的压阻，就可以形成侧壁压阻，平面上剩余区域的压阻宽度即为侧壁压阻的厚度。平面压阻用于检测另一个方向上的力，从而实现二维力传感检测。
在激励振动模块方面，通过在振动臂上封装压电层1021，如压电陶瓷驱动层，实现振幅、频率可控的振动激励功能；在夹持功能方面，通过压电模块进行驱动，实现两个检测臂的夹持功能，实现与成骨细胞壁的充分接触。在工具控制方面，研究高分辨率的检测及驱动控制方法，建立驱动电压、驱动力、测试末端位移量的关系模型。针对基于成骨细胞力学响应测试对工具动态性能的要求，研究动力学、运动学、结构学统一建模的集成型设计方法。
本发明中，选取成骨细胞进行样品检测，测试不同刺激频率、不同振幅下成骨细胞力学响应的变化规律，在各组实验数据计算分析的基础上，建立阶段状态检测数据库；通过细胞培养实验和荧光显微术研究成骨细胞生物学反应（包括黏附、增殖、形貌、分化等），同时利用免疫组化标定手段检测重要细胞蛋白和分子（actin、vinculin等）的变化，将实验结果与之前的工具检测结果进行对比分析，分析振动频率、振幅及细胞阻尼特性对细胞成骨效应的影响规律，提出细胞生长状态力学表征方法，建立适合成骨的细胞振动力环境参照系统，用于指导研究人员进行成骨细胞的成骨效应生物学分析。
本实施方式中以成骨细胞为例说明了激励与检测的原理，在其他实施方式中也可以应用于其它类似细胞，在此不再一一赘述。
由上述技术方案可以看出，本发明的成骨细胞单细胞激励与检测的操作手结构通过夹持动作调整工具末端与细胞的接触程度，并设计了检测工具末端结构的二维传感方式，可以实现成骨细胞全局多点多维的动态检测。
其结构简单，能够进行成骨细胞的全局多点多维动态检测，建立激励和测试装置实现细胞的动态测试，分析振动频率、振幅及成骨细胞随动特性、阻尼特性等参数与生物学效应（包括黏附、增殖、形貌、分化等）的量化指标的关系和影响规律。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (8)
1.一种成骨细胞单细胞激励与检测的操作手结构，其特征在于，所述操作手包括连接臂、以及安装于连接臂顶端的一个振动臂和两个检测臂，两个检测臂对称设置于振动臂两侧，检测臂用于夹持成骨细胞且两个检测臂的夹持方向相对设置，振动臂用于振动激励成骨细胞，所述检测臂上设有用于检测成骨细胞上表面压阻的平面压阻和用于检测成骨细胞侧表面的侧壁压阻。
2.根据权利要求1所述的成骨细胞单细胞激励与检测的操作手结构，其特征在于，所述连接臂上固定设置有连接部，所述连接部中间向外延伸设有第一连接梁，连接部两侧向外延伸设有对称的第二连接梁和第三连接梁，所述振动臂固定设置于第一连接梁的端部，两个检测臂分别固定设置于第二连接梁和第三连接梁的端部。
3.根据权利要求2所述的成骨细胞单细胞激励与检测的操作手结构，其特征在于，所述第二连接梁、第三连接梁分别包括平行于第一连接梁的平行部和与所述平行部相连且向第一连接梁端部弯折的弯折部，所述检测臂固定设置于弯折部上。
4.根据权利要求2所述的成骨细胞单细胞激励与检测的操作手结构，其特征在于，所述第一连接梁上设有压电层。
5.根据权利要求2所述的成骨细胞单细胞激励与检测的操作手结构，其特征在于，所述连接臂上固定设置有驱动部，所述驱动部位于连接部的后方并与连接部相连。
6.根据权利要求5所述的成骨细胞单细胞激励与检测的操作手结构，其特征在于，所述驱动部的两侧对称设有驱动臂，所述驱动臂分别与连接部上的第二连接梁和第三连接梁相连设置。
7.根据权利要求5所述的成骨细胞单细胞激励与检测的操作手结构，其特征在于，所述驱动部的后方设有用于夹持并驱动所述驱动部运动的压电模块。
8.根据权利要求1所述的成骨细胞单细胞激励与检测的操作手结构，其特征在于，所述检测臂包括检测臂基体、以及沿检测臂基体向外延伸的第一检测臂和第二检测臂，所述第二检测臂的厚度小于第一检测臂的厚度，所述平面压阻设置于第一检测臂上，侧壁压阻设置于第二检测臂上。
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| US20100041093A1 (en) * | 2006-11-06 | 2010-02-18 | Universitaet Wien | Devices and method for electrophysical cell analyses |
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2015
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