一種力學生物學耦合測試系統(tǒng)技術(shù)方案

本實用新型專利技術(shù)提供一種力學生物學耦合測試系統(tǒng)，其特點是通過下光路系統(tǒng)、上光路系統(tǒng)、生化培養(yǎng)系統(tǒng)對材料試樣與生物樣品界面進行高分辨率原位即時測量，得到界面力學及同步的生物學信號，并通過對信號的合成與處理分析獲得所需結(jié)果。本實用新型專利技術(shù)可以針對任意基底材料試樣以及任意生物樣品所組成的材料試樣與生物樣品界面，實現(xiàn)對力學與生物學信號同時進行高分辨率的原位即時測量。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
[
]本技術(shù)涉及生物工程技術(shù)和生物醫(yī)學工程領(lǐng)域，具體涉及一種力學生物學耦合測試系統(tǒng)。[
技術(shù)介紹
]在現(xiàn)代醫(yī)學的臨床干預(yù)和治療中，植入型醫(yī)療器械和人工材料已經(jīng)成為快速增長的重大需求。然而，以骨科疾病為例，骨科植入物和人工關(guān)節(jié)材料依然面臨著一系列已經(jīng)困擾了人們數(shù)十年的世界性問題，如假體松動，磨損與腐蝕，應(yīng)力疲勞與失效以及所伴隨的生理和病理癥狀。以上問題基本可歸納為剛性植入材料與人體組織界面附近的力學失配(效)的結(jié)果。然而到目前為止，細胞或組織等生物樣品與材料表面力學適配狀態(tài)(或力學相互作用)很難用實驗手段來測量或表征，基本上只能通過理論模擬和計算來估計。例如，目前常用的測量細胞或組織等生物樣品與材料試樣之間的力學狀態(tài)的方法有：(1)原子力顯微鏡Atomic force microscopy原子力顯微鏡的關(guān)鍵部件為納米尺寸的探針，當針尖在材料試樣表面進行掃描時，試樣與針尖的作用力會使懸臂發(fā)生彎曲，令通過懸臂背面的激光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由光電檢測器檢測到，得到表面形貌圖像。在生物樣品的力學檢測中，原子力顯微鏡通常用于測量在材料試樣表面粘附的生物樣品(如細胞、組織片等)的黏彈性、硬度和剛度、生物樣品表面配體與材料受體之間相互作用力等。(2)光鑷技術(shù)Optical tweezers當強光照射在極小處時可產(chǎn)生1-200pN的力，因此激光聚集可形成光阱，微小物體受光壓而被束縛在光阱處，移動光束可以使微小物體隨光阱移動。因此這種方法可以用于力生物學測量，例如，用纖連蛋白將珠子(由感興趣的材料制成)包覆，珠子因此可以粘附在細胞等生物樣品上，通過光束控制珠子移動，通過檢測珠子的位移，可獲得生物樣品剛度的和與材料表面相互作用的相關(guān)信息。(3)磁珠微流控技術(shù)Magnetic bead microrheometry在流體材料中，利用纖連蛋白將順磁體珠子包覆，可將珠子與細胞等生物樣品的骨架或配體直接相連。將珠子置于磁場中，通過光學顯微鏡可觀察到珠子由磁場引起的移動，可得到位移和作用力的相關(guān)信息，以此判斷生物樣品的力學性質(zhì)和與流體材料的相互作用狀態(tài)。(4)微管吮吸技術(shù)Micropipette aspiration將內(nèi)徑為1-10um的吸移管與細胞進行接觸并提供吸力，在顯微鏡下直接觀察細胞的變形及移動。這項技術(shù)可用于中性粒細胞、紅細胞及外毛發(fā)細胞的生物力學測試，尤其適用于哺乳動物紅細胞的測試。(5)牽引力顯微技術(shù)Traction force microscopy細胞內(nèi)肌動蛋白骨架產(chǎn)生的收縮經(jīng)由粘著斑傳遞到細胞外基質(zhì)，會造成彈性基底的形變，牽引力顯微技術(shù)利用這種形變，拍攝變形前后基底熒光圖案，并提取表面變形信息，從而計算出細胞的牽引力場?，F(xiàn)有技術(shù)存在以下缺點：牽引力顯微技術(shù)可在低細胞粘附密度下同時對多個細胞(一般小于10個)測試并計算細胞與材料的力學相互作用，但無法在高細胞密度(例如同時測量成百上千的細胞)條件下實施，不能測試整塊的組織 或生物樣品，也無法在剛性或不透明基底材料上進行測量，且在測量時，無法對細胞進行生物學測試，無法得到細胞或組織的形貌和生物學信號。此外，該方法需要材料試樣(即基底)具備特殊形貌(如柱狀陣列或微球陣列)和熒光或其它光學標記處理。原子力顯微鏡、光鑷技術(shù)、磁珠微流控技術(shù)、微管吮吸技術(shù)每次可對單個或幾個細胞，以及微米尺寸的組織樣品進行生物力學測量，但無法在高細胞密度條件和對毫米、厘米尺寸的生物樣品進行測量。且這些方法均不是直接檢測細胞與材料的相互作用，而是直接檢測細胞的力學狀態(tài)，再通過理論計算或模擬得到細胞與材料的力學相互作用或力學適配狀態(tài)，因此不是真正意義上的力學信號原位即時測量。另外，原子力顯微鏡速度慢，每次測量耗時幾分鐘，無法實現(xiàn)即時測量，而光鑷技術(shù)、磁珠微流控技術(shù)、微管吮吸技術(shù)也無法在測量同時對生物樣品形貌或其他生物學信號進行原位即時觀察。[
技術(shù)實現(xiàn)思路
]針對現(xiàn)有技術(shù)的上述不足和限制，本技術(shù)提供一種力學生物學耦合測試系統(tǒng)，其特點是通過下光路系統(tǒng)、上光路系統(tǒng)、生化培養(yǎng)系統(tǒng)對材料試樣與生物樣品界面進行高分辨率原位即時測量，得到界面力學信號及同步的生物學信號，并可通過對信號的合成與處理分析獲得生物力學或力生物學信息。本技術(shù)可以針對任意基底的材料試樣與最大為厘米尺寸的任意生物樣品，包括任意粘附密度的細胞或微生物樣品構(gòu)成的材料試樣與生物樣品界面，實現(xiàn)對力學及同步的生物學信號進行高分辨率的原位、即時測量。本技術(shù)所提供的一種力學生物學耦合測試系統(tǒng)，包括：下光路系統(tǒng)、上光路系統(tǒng)、生化培養(yǎng)系統(tǒng)；所述下光路系統(tǒng)用于在測試過程中獲得材料試樣與生物樣品界面的力學信號，下光路系統(tǒng)包括光學應(yīng)變傳感器、光束轉(zhuǎn)折器和光路校準系統(tǒng)；所述光學應(yīng)變傳感器提供激光光束并通過光束轉(zhuǎn)折器的轉(zhuǎn)折對材料試樣拋光面進行照射，經(jīng)光路校準系統(tǒng)調(diào)整和校準后，對經(jīng)材料試樣拋光面反射后返回的光束進行捕捉，獲得原位、即時的力學信號；所述上光路系統(tǒng)用于在測試過程中對生物樣品進行原位即時觀察，獲得同步的生物樣品的形貌的生物學信號，上光路系統(tǒng)包括可見光成像系統(tǒng)和熒光成像系統(tǒng)，所述熒光成像系統(tǒng)包括熒光顯微鏡；所述生化培養(yǎng)系統(tǒng)用于產(chǎn)生和保持生物樣品正常培養(yǎng)環(huán)境，并保證所述培養(yǎng)環(huán)境在測試時始終穩(wěn)定，生化培養(yǎng)系統(tǒng)包括培養(yǎng)氣氛氣源、增濕器、培養(yǎng)皿、培養(yǎng)艙、溫度控制系統(tǒng)和進樣系統(tǒng)，其中培養(yǎng)氣氛氣源經(jīng)過增濕器連接至培養(yǎng)艙，溫度控制系統(tǒng)和進樣系統(tǒng)分別連接至培養(yǎng)艙。優(yōu)選地，所述光學應(yīng)變傳感器包括激光發(fā)生器與CCD相機；所述激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光束發(fā)射后經(jīng)試樣拋光面反射，返回光學應(yīng)變傳感器；所述CCD相機捕捉返回的激光束以便獲得原位、即時的試樣界面的力學信號。優(yōu)選地，光路校準系統(tǒng)用于調(diào)整和校準光路以適應(yīng)試樣位置，所述光路校準系統(tǒng)包括支架、培養(yǎng)艙托盤、培養(yǎng)皿托盤和定位裝置。優(yōu)選地，所述光路可通過光束轉(zhuǎn)折器、培養(yǎng)艙托盤及支架間距離及角度進行調(diào)整并且光束轉(zhuǎn)折器、培養(yǎng)艙托盤及支架間的距離和角度在調(diào)整后固定，固定后可通過定位裝置對試樣位置進行微調(diào)。優(yōu)選地，所述生化培養(yǎng)系統(tǒng)使所述培養(yǎng)艙內(nèi)能夠保持穩(wěn)定的溫度、相對濕度以及培養(yǎng)氣氛水平。優(yōu)選地，所述進樣系統(tǒng)包括微量注射泵、注射器或進樣器，用于控制生物樣品或培養(yǎng)基滴加量。本申請的優(yōu)點包括：應(yīng)用于任意表面形貌的任意基底材料試樣、任意生物樣品任意粘附密度條件下的材料試樣與生物樣品界面的力學和生物學信號測量；可對宏觀尺度(最大尺寸為厘米級)的大量生物樣品群體或組織進行研究；并能在模擬的生理條件下，對材料試樣和生物樣品的界面進行高分辨率原位即時測量，獲得力學及同步的生物學信號；下光路系統(tǒng)保證系統(tǒng)可對材料試樣與生物樣品界面進行高分辨原位力學測試；上光路系統(tǒng)保證系統(tǒng)對材料試樣與生物樣品界面進行即時生物學測試，對生物樣品的形貌及其它生物學信號進行表征；可獲得原位同步的力學與生物學信號，通過分析特定時間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)、圖像，得到材料試樣與生物樣品的狀態(tài)及相互作用的方式和信息；可對生物樣品下進行連續(xù)即時的測試，生物樣品培養(yǎng)與外部環(huán)境隔離，實現(xiàn)生理條件下的培養(yǎng)；并通過拓展下光路系統(tǒng)中的光路校準系統(tǒng)及生化培養(yǎng)系統(tǒng)中的進樣系統(tǒng)，提高測試的效率、準確性、穩(wěn)定性和易操作性。[附圖說明]下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本技術(shù)作進一步詳細的說明。圖1是本技術(shù)實施本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種力學生物學耦合測試系統(tǒng)，其特征在于，包括：下光路系統(tǒng)、上光路系統(tǒng)、生化培養(yǎng)系統(tǒng)；所述下光路系統(tǒng)用于在測試過程中獲得材料試樣與生物樣品界面的力學信號，下光路系統(tǒng)包括光學應(yīng)變傳感器、光束轉(zhuǎn)折器和光路校準系統(tǒng)；光學應(yīng)變傳感器提供激光光束并通過光束轉(zhuǎn)折器的轉(zhuǎn)折對材料試樣拋光面進行照射，經(jīng)光路校準系統(tǒng)調(diào)整和校準后，對經(jīng)材料試樣拋光面反射后返回的光束進行捕捉，獲得原位、即時的力學信號；所述上光路系統(tǒng)用于在測試過程中對生物樣品進行原位即時觀察，獲得同步的生物樣品的形貌的生物學信號，上光路系統(tǒng)包括可見光成像系統(tǒng)和熒光成像系統(tǒng)，所述熒光成像系統(tǒng)包括熒光顯微鏡；所述生化培養(yǎng)系統(tǒng)用于產(chǎn)生和保持生物樣品正常培養(yǎng)環(huán)境，并保證所述培養(yǎng)環(huán)境在測試時始終穩(wěn)定，生化培養(yǎng)系統(tǒng)包括培養(yǎng)氣氛氣源、增濕器、培養(yǎng)皿、培養(yǎng)艙、溫度控制系統(tǒng)和進樣系統(tǒng)，其中培養(yǎng)氣氛氣源經(jīng)過增濕器連接至培養(yǎng)艙，溫度控制系統(tǒng)和進樣系統(tǒng)分別連接至培養(yǎng)艙。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種力學生物學耦合測試系統(tǒng)，其特征在于，包括：下光路系統(tǒng)、上光路系統(tǒng)、生化培養(yǎng)系統(tǒng)；所述下光路系統(tǒng)用于在測試過程中獲得材料試樣與生物樣品界面的力學信號，下光路系統(tǒng)包括光學應(yīng)變傳感器、光束轉(zhuǎn)折器和光路校準系統(tǒng)；光學應(yīng)變傳感器提供激光光束并通過光束轉(zhuǎn)折器的轉(zhuǎn)折對材料試樣拋光面進行照射，經(jīng)光路校準系統(tǒng)調(diào)整和校準后，對經(jīng)材料試樣拋光面反射后返回的光束進行捕捉，獲得原位、即時的力學信號；所述上光路系統(tǒng)用于在測試過程中對生物樣品進行原位即時觀察，獲得同步的生物樣品的形貌的生物學信號，上光路系統(tǒng)包括可見光成像系統(tǒng)和熒光成像系統(tǒng)，所述熒光成像系統(tǒng)包括熒光顯微鏡；所述生化培養(yǎng)系統(tǒng)用于產(chǎn)生和保持生物樣品正常培養(yǎng)環(huán)境，并保證所述培養(yǎng)環(huán)境在測試時始終穩(wěn)定，生化培養(yǎng)系統(tǒng)包括培養(yǎng)氣氛氣源、增濕器、培養(yǎng)皿、培養(yǎng)艙、溫度控制系統(tǒng)和進樣系統(tǒng)，其中培養(yǎng)氣氛氣源經(jīng)過增濕器連接至培養(yǎng)艙，溫度控制系統(tǒng)和進樣系統(tǒng)分別連接至培養(yǎng)艙。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的力學生物學耦合測試系統(tǒng)，其特...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：楊磊，劉浩然，白艷潔，楊惠林，
申請(專利權(quán))人：蘇州大學，
類型：新型
國別省市：江蘇;32