[发明专利]细胞复合力-电加载测量的装置

说明书

技术领域

本发明属于细胞工程技术领域，特别涉及生物医学实验仪器中的细胞力学-电学联合加载及分析装置。

背景技术

细胞力学是进几年生物力学领域中发展迅速的一个前沿课题，主要研究在力学刺激下细胞在结构和功能上的改变。研究生物细胞的力学特性对细胞生理、病理过程研究、疾病的诊断与治疗、细胞质量评价与分析等方面有重要意义。在生殖医学及发育生物学领域中常通过卵细胞透明带弹性系数的变化研究细胞发育过程中的结构变化和生化变化。卵细胞透明带的弹性系数被认为是细胞质量评定的一个重要指标。在机器人辅助显微操纵中，也需要对细胞进行力学建模，以实现末端执行器对细胞的精确操纵。在现有的细胞力学加载装置中,主要是对细胞的在体力学环境进行模拟，用基底拉伸法实现对细胞的力学刺激。如授权号为CN 1932510B和CN 101892154B的专利提供了一种对附着有细胞的弹性基底膜进行拉伸，通过对膜的拉伸幅度、频率的改变对细胞形成挤压拉伸。这种加载装置存在两个局限性：一是细胞需要是能生长或固定在基底膜上的贴壁细胞，对卵细胞等一类悬浮细胞存在固定和力学加载不均匀的问题；另一个是对细胞的力学加载是通过对基底膜的拉伸实现的，对最终施加在细胞上的力的大小无法确定，且该装置无法提供已知施加力的力学加载实验。

除了力刺激外，电刺激也是细胞工程领域常用的刺激方法。由于生物电是机体活动的基本属性，通过对细胞生物电学特性的研究，有助于了解生命活动的机制和产生规律。卵细胞的膜电位是卵母细胞成熟和受精的电生理学标志，检测卵母细胞膜电位是判断卵母细胞功能正常与否的重要指标。卵细胞在自然受精过程中由于胞内钙离子持续波动从而产生卵膜电位的变化。在单精子显微注射实验和动物核移植实验中，电刺激的方法能使卵母细胞膜通透性瞬间增加，从而使外源钙离子进入卵母细胞内或通过激活IP3系统诱导胞内钙库钙离子的释放，造成胞内钙离子浓度增加，使卵母细胞激活，提高胚胎的发育率。

由以上可知，力特性和电特性是细胞同时存在的两个重要特性，将两个特性综合起来研究卵细胞的发育机制是非常重要的。例如，通过电极探针测量细胞的电信号，也需要力传感器同时获得卵细胞透明带的弹性系数，从而评估卵细胞的发育质量。给细胞施加电刺激信号时，当电极探针在细胞特定位置施加电刺激时，需要力传感器监测电极探针作用在细胞上的力，以确保电极探头接触到刺激部位，且没有对该部位产生过大的破坏。另一方面，在细胞电刺激时控制电极探头的弹压力，能确保每次对细胞施加的电刺激具有可重复性。

可见，在一些应用情景是需要采用对细胞采用复合力-电加载测量。而现有的力学加载装置和电学刺激装置大多单独提供刺激。授权专利CN 101892154b提供了一种压力-电联合刺激细胞培养装置，需要将细胞悬液和生物材料复合成型后对细胞提供间接的力电联合刺激。该装置仅能提供压力-电联合刺激，刺激完成后需要再借助其他实验手段来分析刺激后结果，无法实时测量细胞在压力-电联合刺激下，细胞的实时受力反应情况。此外，该装置必须通过复合材料来实现细胞的固定、拉伸和电刺激，无法直接对单个细胞实施精确的力电刺激，具有极大局限性。另，本案发明人也曾经提出过对细胞进行单纯物理探压刺激的改良的技术方案，但依然无法适用到复合力-电加载测量的情景下。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有装置不能对卵细胞等一类悬浮细胞提供精确力电联合刺激的技术问题，从而提出一种可以针对单细胞的力-电联合加载测试装置。

本发明具体采用如下技术方案实现：

一种细胞复合力-电加载测量的装置，包括：机械传动系统、机械传动控制系统、电极探针、细胞放置平台、电信号发生系统及压电测量系统，其中，

该机械传动系统包括机械动作发生装置和连接于该机械动作发生装置的操作臂，该机械动作发生装置是用于带动该操作臂执行空间上的位移动作；

该机械传动控制系统与该机械动作发生装置控制连接，用于驱动该机械动作发生装置运作，从而使该机械动作发生装置带动该操作臂执行设定的位移动作；

该电极探针是与该机械传动系统的操作臂连接，从而由该操作臂带动该电极探针相对于该细胞放置平台进行位移动作；

该电信号发生系统的电信号输出端连接于该电极探针，用于产生加载于细胞的电刺激信号；

该细胞放置平台是包括一个直立设置的压电传感基板和与该压电传感基板垂直连接的一个细胞放置板，该压电传感基板引出测量导线；