细胞拉伸应力加载分析系统

研究细胞在受到机械压力、拉力或其它机械刺激时的各种形变，目前已经成为一门前沿科学----力学生物学，为此科学家研发出很多装置用于拉伸细胞。通常的方法是在一张弹力薄膜上培养细胞，然后拉伸薄膜，从而拉伸附着在薄膜上的细胞。但这种方法有一个显著的缺点，就是细胞在拉伸过程中或者在拉伸结束，都没有办法取像记录，这是因为细胞相对于显微镜光轴发生位移。细胞拉伸仪CS-10系列解决了上述问题，且增加了很多实用的功能，是研究细胞应力加载的必备仪器。

细胞拉伸仪，又称细胞组织拉伸应力加载分析系统，简单的说，是一个模拟细胞生长过程中机械应力的装置。CS-10如果与快速图像获取装置联合使用，可以动态观察活细胞，例如，可以观察当细胞受到应力刺激时胞间钙离子浓度的变化。CS-10系统的最大的特征，在于它的拉伸腔室，拉伸腔室可以使用商业化生产的PDSM膜，这种透明的薄膜在荧光显微镜和倒置显微镜下均可以使用，甚至在油镜下使用。拉伸仪的操作系统与显微镜的图像获取系统无关，是独立可装载在计算机上运行的。

应力加载装置（Stretch/Compression Device）

下图是此装置的原理图。此装置有两个不同功能、不同原理的补偿结构。一个补偿结构位于膜室，使用者加载应力于膜室，此结构主要进行膜形变的补偿。另一个补偿结构位于主板（base plate），通过这个主板沿着拉伸/压缩轴的横向位移进行补偿。两个补偿结构的联合作用，确保在加载力的时候膜保持在一定区域。膜室安装在两个滑块上（sliding block），由两个滑块进行形变补偿。滑块以线性相反方向运动，继而改变膜室的长度，达到细胞形变的目的。一个滑块通过滚珠丝杆进给系统直接由SC马达控制，而另一个滑块通过金属带和滑轮结构被拉向相反方向。马达驱动的滑块的任何运动均通过滑轮装置对应另一滑块相同的位移量。一根弹簧两端连接着滑块，弹簧提供了一个持久的拉力，继而必须的反作用力使得金属带保持张力。两滑块间的距离增加，弹簧的反作用力使间距变小，滑块间距增加要有马达驱动，而相反的弹簧力使间距变小。为了补偿膜在横轴向的位移，载物板（carrier plate）通过线性运动向导（guide在图中没有显示）在轴向移动。每一部分的形变补偿装置都固定在载物板（carrier plate）上，这种补偿是一个整体的运动。两个伺服马达（一个SC马达，另一个compensation马达）外部相连接，由计算机进行整体控制。计算机需要安装专门的软件，这个软件不仅可以计算出载物板（carrier plate）应该移动多少距离来补偿拉伸引起的位移，而且具有友好的图形交互界面，供用户输入应力加载程序。

1. 可以编程任一应力程序，包括循环程序，而且力的形式也可以任意：线性的、正弦的、反曲的（sigmoidal）。程序中的暂停，以及循环中间加入静止期，或者重复特殊的某一特殊的加载。

2. 膜室沿轴向的位置通过补偿运动机制进行独立的改变。

3. SC补偿结构里面的里面的两个滑块的距离在安装膜室时可以调动，任意长度的膜室均可以快速安装到滑块上，同理，预拉伸的细胞的膜室也可以安装用来进行压缩力的研究。

膜室（包含预拉伸固定器）

膜室由透明的膜（厚127microns）和预拉伸固定器（prestrain  holder）两部分组成。膜夹具（membrane holder）夹紧膜后，膜底部平坦，夹具分布两边（类似两壁），浅碟子形状的膜室初现，可以将这样子的膜室视为一个培养器皿。随后，将膜室挂在预拉伸固定器上（一般膜室在随后的灭菌、膜表面包被、接种细胞流程中均挂在这里），然后，再卡合到底部的金属轨条上（plate rail）。15cm培养皿不仅作为膜室灭菌的容器，而且也可以作为低倍显微镜观察细胞生长的平台。

膜夹具上的两个金属杆将膜室安装到SC补偿装置的两个滑块上（sliding block），杆和滑块的设计巧妙，安装和卸载膜室都简单自如，整个安装过程也不会引起膜非预订的形变（这往往会影响真实的结果）。两个膜夹具可以沿着金属轨条（plate rail）滑动，并且可以用两个螺丝（locking screw）将其锁定在任意要拉伸的位置。最后谈谈膜的安装，不仅仅是压缩试验前膜的安装需要预拉伸，即使拉伸试验前安装膜的时候，也要进行大约20%的预拉伸，这里有一个好处，底部更加紧致平整。自然啦，细胞压缩的话，膜应该进行更充分的拉伸，这样在随后的压缩试验中膜仍旧可以保持一定的张力。当然，任何膜的拉伸都是有限度的，一般上限是100%。

计算机控制系统（Computer Control）

拉伸软件不是图像软件的一部分，下图给出了软件运行的一个界面，几个主要的区域一目了然：右上面是主要实验编程区域，主界面是拉伸力的部分放大图像。左面有运动控制按钮和补偿激活按钮。

计算机需要满足的最低配置：

l 软件“JAVA”语言

l Win2000或更高版本

l 奔腾4处理器

l 1024MB的RAM

l 硬盘至少有100MB的空间

l 1024*768显示器

运动补偿是怎么工作（Motion Compensation）

运动补偿绝对不是通过简单的反馈机制来进行的，比如通过图像来换算位置。运动补偿基于目标区域距离膜中心的距离。在细胞拉伸和压缩过程中，为了保持细胞样本在显微镜视野范围内，SC装置必须测得膜的位置。具体的做法：在安装膜室到SC之前用软件校准SC一次。不用关心膜夹具的距离，一维运动方向产生一个均匀的拉伸区域，这样，任何点的位移都与该点到膜中心的距离的有一个简单的线性关联。

Figure2：A图示一个没有进行运动补偿情况下，距离膜中心大约3mm的区域在6%的拉伸下，已经移出视野

B图示进行运动补偿的情况下，距离膜中心大约3mm的区域在6%的拉伸下仍留在视野中间

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