[发明专利]肌纤维实时变频调控微纳驱动平台

说明书

技术领域

本发明涉及一种通用的动物肌细胞(肌纤维)的二维生物电化学/力学实验平台，特别地，涉及一种肌纤维实时变频调控微纳驱动平台，其针对肌纤维运行控制学原理的探索及骨骼肌4M模型的验证。

背景技术

有关骨骼肌运行机制的研究在国内外已开展多年，因其对生理学、生命科学及康复科学的重要价值一直是学术界的前沿问题及研究热点。从目前来看，相关研究主要在以下三个尺度上开展：1)从微观上，研究主要集中在肌球蛋白(分子马达)与肌动蛋白的相互作用机理、单个肌球蛋白的力产生机制及肌球蛋白的集体运作机制上；2)从介观上，主要研究包括肌纤维/肌小节的等长/等负载收缩力与其长度/收缩速度的关系，以及肌纤维的疲劳特性等；3)从宏观上，研究集中在肌电信号(electromyography，EMG)与肌肉运行模式及状态的关系，以及肌肉的疲劳与病理特性等方面。

对现有技术文献的检索结果显示，在国内，针对肌纤维尺度的骨骼肌力学实验十分稀少，对活性肌纤维组织的研究也较为宏观；而在国外，对肌纤维力学性质的研究已开展多年，因此也出现了多种肌纤维实验平台，其平台架构也都较为类似。例如，在早期的文献《Tension development in highly stretched vertebrate muscle fibres》(《The Journal of Physiology》，1966年第184期)中Gordon等人采用了玻璃条制成的实验槽(用于容纳肌纤维)，肌纤维两端分别与旋转伺服电机滑块机构及力传感器相连，并且肌纤维上粘贴了一对微型反光标记物，使用光电位置传感器以检测标记物之间的肌小节长度，以此考察肌小节的等长收缩力学特性，故此平台可测量肌纤维/肌小节的等长/等负载收缩力。之后的学者对这个系统进行了诸多改进，最具代表性的是，在文献《Measurement of sarcomere shortening in skinned fibers from frog muscle by white light diffraction》(《Biophysical Journal》，1987年第52期)中Goldman使用白光衍射技术来检测肌小节长度；在文献《Comparison of the tension responses to ramp shortening and lengthening in intact mammalian muscle fibres：crossbridge and non-crossbridge contributions》(《Journal of Muscle Research and Cell Motility》，2007年第28期)中Ranatunga等人将实验槽改为铝制，因而系统的耐用度及移动性都有所增加，并使用了音圈电机以避免旋转与直线运动的转换，平台主要采用氦氖激光衍射技术反馈肌小节的长度，并用肌纤维上的标记以及光电位置传感器作为验证，此外，系统还加入了温度传感器以研究环境溶液的温度对肌纤维力学特性的影响。

然而，现有的实验平台都存在以下缺点：i)系统的集成度不高，拆装复杂，不利于实验槽的清洗和维护；ii)对肌小节长度实施检测的装置十分复杂(若采用光路衍射方式则更为复杂)，对环境要求苛刻且稳定性不高；iii)更重要的，这些平台都是针对肌纤维的力学特性而开发，对肌纤维的刺激皆采用简单的脉冲电位形式，无法应用于肌纤维运行调控原理的研究，亦无法胜任肌纤维收缩的实时控制；iv)现有的平台都只有一个自由度，无法对肌纤维的复杂控制进行实验研究。

另一方面，学术界对肌纤维运作的控制学原理的理解还十分肤浅，因此相关研究处于骨骼肌研究的最前沿。对于骨骼肌的生物力学特性，目前主要有两种理论：Hill等人基于肌肉的实验提出肌肉的宏观力学模型，描述了骨骼肌的长度、收缩速度与收缩力之间的关系；而Huxley等人则基于分子马达运行机制的理论假设，总结出肌小节的微观动力学模型。前者忽略了肌肉收缩的最根本机理，无法反映骨骼肌的微观生物力学特性，而后者则主要适用于肌小节尺度的力学分析。因此这两类模型之间缺乏从微观到宏观的衔接，存在各自的局限性。最近，一个新的骨骼肌生物力学模型——4M模型已被提出，此模型通过自底向上的方法，完成了肌肉微观与宏观力学特性的统一，但尚缺相关的实验平台。

发明内容