一種成骨細(xì)胞單細(xì)胞激勵與檢測的操作手結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及成骨細(xì)胞激勵與檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種成骨細(xì)胞單細(xì)胞激勵與檢測的操作手結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]骨骼系統(tǒng)是人體最大的組織系統(tǒng)之一，具有支撐和保護(hù)身體、維持運(yùn)動、造血、存儲鈣質(zhì)等多種功能。骨科疾患是影響人群健康和生活質(zhì)量最常見的疾病之一，以骨質(zhì)疏松癥為例，目前我國已是世界上骨質(zhì)疏松癥患者最多的國家，約有患者9000萬，約占總?cè)丝诘?%。在我國45歲以上的人口中每4名男性就有I名患有骨質(zhì)疏松癥，女性發(fā)病率更高，在30%以上。預(yù)計2020年中國骨質(zhì)疏松癥患者將達(dá)到2.86億，2050年上升至5.33億。成骨細(xì)胞是骨發(fā)生和骨形成的生物學(xué)基礎(chǔ)，在骨不斷的更新活動中是最重要的功能細(xì)胞，成骨細(xì)胞數(shù)量和功能的下降而骨吸收加快是骨質(zhì)疏松的主要病理基礎(chǔ)。對細(xì)胞力學(xué)特性的研宄，不僅可以為一些疾病的發(fā)病機(jī)理提供理論基礎(chǔ)，而且還可以為其診斷、治療和康復(fù)提供方法。因此，研宄成骨細(xì)胞特性、活性變化及其影響因素對于探索骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病機(jī)制具有重要的醫(yī)學(xué)意義，為骨質(zhì)疏松癥的診斷、治療和康復(fù)提供方法和理論依據(jù)。
[0003]研宄已經(jīng)證明機(jī)械應(yīng)力對成骨細(xì)胞生命活動有很大的影響。應(yīng)力對骨修復(fù)的研宄可追溯到一百多年前的WolfT定律。骨組織是一個受應(yīng)力支配的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，增加應(yīng)力可直接刺激骨的生長，反之將造成骨的丟失。美國工程院院士 Edmund YS Chao在《一種非創(chuàng)傷形式的組織工程一一生物物理刺激在骨修復(fù)、重構(gòu)、保持中的作用》的報告中指出物理刺激可以幫助骨的修復(fù)、重構(gòu)和保持，是一種有廣泛前景的高效的非創(chuàng)傷性組織工程方法。由NASA資助的科學(xué)家們和國際太空醫(yī)學(xué)研宄協(xié)會揭露一個跡象，幾乎察覺不到的微幅高頻振動可能刺激骨生產(chǎn)，并建議宇航員每天站在一個微振臺上進(jìn)行10-20分鐘的鍛煉防止骨量丟失。正常骨組織生長都離不開機(jī)械應(yīng)力刺激，而生理活動中周期性機(jī)械力刺激是骨組織再生的基礎(chǔ)，其中成骨細(xì)胞是對周期性應(yīng)力敏感的細(xì)胞。作為生物力學(xué)領(lǐng)域中的重要部分，成骨細(xì)胞對外部力的響應(yīng)機(jī)制仍需進(jìn)一步探索。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中主要通過對骨頭整體或者大批量的成骨細(xì)胞進(jìn)行整體振動來分析成骨細(xì)胞的成骨效應(yīng)，比較籠統(tǒng)定性，不能定量分析，無法從細(xì)胞層面給出精確的依據(jù)。目前使用的細(xì)胞測量方法也主要是通過細(xì)胞表面單點(diǎn)的靜態(tài)測試結(jié)果計算和表征細(xì)胞的力學(xué)特性，或者基于統(tǒng)計分析的方法對成骨細(xì)胞力學(xué)特性進(jìn)行表征。然而細(xì)胞是復(fù)雜的非均勻體結(jié)構(gòu)，不同結(jié)構(gòu)部分的力學(xué)特性也會有差別，因此，多維、多點(diǎn)、全局的力學(xué)檢測對于準(zhǔn)確的細(xì)胞機(jī)械力學(xué)響應(yīng)特性數(shù)據(jù)測量有絕對的必要性。
[0005]因此，針對上述技術(shù)問題，有必要提供一種成骨細(xì)胞單細(xì)胞激勵與檢測的操作手結(jié)構(gòu)。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]有鑒于此，本實用新型的目的在于提供一種成骨細(xì)胞單細(xì)胞激勵與檢測的操作手結(jié)構(gòu)。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型實施例提供的技術(shù)方案如下:
[0008]一種成骨細(xì)胞單細(xì)胞激勵與檢測的操作手結(jié)構(gòu)，所述操作手包括連接臂、以及安裝于連接臂頂端的一個振動臂和兩個檢測臂，兩個檢測臂對稱設(shè)置于振動臂兩側(cè)，檢測臂用于夾持成骨細(xì)胞且兩個檢測臂的夾持方向相對設(shè)置，振動臂用于振動激勵成骨細(xì)胞，所述檢測臂上設(shè)有用于檢測成骨細(xì)胞上表面壓阻的平面壓阻和用于檢測成骨細(xì)胞側(cè)表面的側(cè)壁壓阻。
[0009]作為本實用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述連接臂上固定設(shè)置有連接部，所述連接部中間向外延伸設(shè)有第一連接梁，連接部兩側(cè)向外延伸設(shè)有對稱的第二連接梁和第三連接梁，所述振動臂固定設(shè)置于第一連接梁的端部，兩個檢測臂分別固定設(shè)置于第二連接梁和第三連接梁的端部。
[0010]作為本實用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第二連接梁、第三連接梁分別包括平行于第一連接梁的平行部和與所述平行部相連且向第一連接梁端部彎折的彎折部，所述檢測臂固定設(shè)置于彎折部上。
[0011 ] 作為本實用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第一連接梁上設(shè)有壓電層。
[0012]作為本實用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述連接臂上固定設(shè)置有驅(qū)動部，所述驅(qū)動部位于連接部的后方并與連接部相連。
[0013]作為本實用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述驅(qū)動部的兩側(cè)對稱設(shè)有驅(qū)動臂，所述驅(qū)動臂分別與連接部上的第二連接梁和第三連接梁相連設(shè)置。
[0014]作為本實用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述驅(qū)動部的后方設(shè)有用于夾持并驅(qū)動所述驅(qū)動部運(yùn)動的壓電模塊。
[0015]作為本實用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述檢測臂包括檢測臂基體、以及沿檢測臂基體向外延伸的第一檢測臂和第二檢測臂，所述第二檢測臂的厚度小于第一檢測臂的厚度，所述平面壓阻設(shè)置于第一檢測臂上，側(cè)壁壓阻設(shè)置于第二檢測臂上。
[0016]本實用新型的有益效果是:
[0017]本實用新型的成骨細(xì)胞單細(xì)胞激勵與檢測的操作手結(jié)構(gòu)通過夾持動作調(diào)整工具末端與細(xì)胞的接觸程度，并設(shè)計了檢測工具末端結(jié)構(gòu)的二維傳感方式，可以實現(xiàn)成骨細(xì)胞全局多點(diǎn)多維的動態(tài)檢測。
【附圖說明】
[0018]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型中記載的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0019]圖1a為成骨細(xì)胞結(jié)構(gòu)及預(yù)估測試點(diǎn)的示意圖，圖1b為多點(diǎn)全局區(qū)域測試點(diǎn)的示意圖；
[0020]圖2為本實用新型中成骨細(xì)胞單細(xì)胞激勵與檢測的原理圖；
[0021]圖3a~3e為本實用新型一【具體實施方式】中成骨細(xì)胞單細(xì)胞激勵與檢測的操作手結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖4a為本實用新型檢測臂的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4b、4c為本實用新型檢測臂的工藝原理圖。
【具體實施方式】
[0023]為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本實用新型中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本實用新型保護(hù)的范圍。
[0024]由于成骨細(xì)胞的機(jī)械特性與環(huán)境條件、細(xì)胞生長周期相關(guān)，因此針對特定批次的細(xì)胞，首先結(jié)合上述成骨細(xì)胞各部分簡化結(jié)構(gòu)的典型力學(xué)特征計算方法，以及生物特征參數(shù)，理論計算細(xì)胞的表面硬度與楊氏模量，進(jìn)行成骨細(xì)胞局部和全局機(jī)械特性的仿真，建立成骨細(xì)胞動態(tài)響應(yīng)模型，分析振動激勵在成骨細(xì)胞體內(nèi)的傳遞和衰減方式，研宄機(jī)械力場變化對成骨細(xì)胞動態(tài)特性的影響規(guī)律，評估細(xì)胞在受力過程中的形變特征。后續(xù)將通過設(shè)計的微細(xì)測試工具進(jìn)行成骨細(xì)胞表面多點(diǎn)擠壓測試，對成骨細(xì)胞的特征參數(shù)進(jìn)行修正，完善動態(tài)響應(yīng)模型。
[0025]成骨細(xì)胞的動態(tài)特性檢測，是一個持續(xù)性的檢測過程。在上述理論分析和模型基礎(chǔ)上，本實用新型中針對成骨細(xì)胞的力學(xué)響應(yīng)動態(tài)性、連續(xù)性等特點(diǎn)，設(shè)計接觸隨動式檢測方法，對動態(tài)響應(yīng)的連續(xù)過程進(jìn)行反饋。同時，由于成骨細(xì)胞為非規(guī)則生物體，需要通過多點(diǎn)檢測實現(xiàn)全局動態(tài)特性描述，如圖1所示為成骨細(xì)胞動態(tài)響應(yīng)測試點(diǎn)的原理圖，其中，圖1a為成骨細(xì)胞結(jié)構(gòu)及預(yù)估測試點(diǎn)的示意圖，圖1b為多點(diǎn)全局區(qū)域測試點(diǎn)的示意圖。
[0026]因此，為了實現(xiàn)激勵與檢測方法的靈活性，采用一體化的設(shè)計方式，在檢測工具上集成振動激勵部分，實現(xiàn)成骨細(xì)胞的原位激勵與檢測。同時為了與細(xì)胞更好的接觸，設(shè)計了夾持式的檢測工具，可以通過夾持動作調(diào)整工具末端與細(xì)胞的接觸程度，并設(shè)計了檢測工具末端結(jié)構(gòu)的二維傳感方式，實現(xiàn)成骨細(xì)胞全局多點(diǎn)多維的動態(tài)檢測。如圖2所示，檢測端夾持成骨細(xì)胞，與被檢測部分充分接觸。通過激勵端進(jìn)行振動激勵后，檢測端上的二維傳感器可以實現(xiàn)如圖所示X向和z向的動態(tài)響應(yīng)檢測。通過旋轉(zhuǎn)細(xì)胞，可以實現(xiàn)I向和z向的動態(tài)響應(yīng)檢測。
[0027]成骨細(xì)胞的原位測試需要在培養(yǎng)液中進(jìn)行，因此針對溶液中細(xì)胞的測試要求，研宄跨介質(zhì)(空氣-水)測試和操作時，MEMS微細(xì)工具與溶液接觸的力學(xué)模型。重點(diǎn)分析MEMS微細(xì)工具從空氣進(jìn)入水性溶液過程中，表面張力對工具末端的影響，以及與工具間能量傳遞和力的變化。在具體研宄中，以彈性力學(xué)為理論基礎(chǔ)，研宄表面張力對微細(xì)工具測試末端應(yīng)力和變形的影響，從而明確測試工具結(jié)構(gòu)形狀、尺寸、剛度等。研宄基于壓阻力檢測的傳感器實現(xiàn)方法及柔順執(zhí)行機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法。在測試工具設(shè)計方面，通過材料力學(xué)、彈性力學(xué)等理論進(jìn)行柔順結(jié)構(gòu)本體設(shè)計建模，通過有限元仿真進(jìn)行分析；在工具加工工藝方面，采用光刻、腐蝕、離子注入、FIB、濺射等MEMS工藝步驟，設(shè)計驅(qū)動、檢測、機(jī)構(gòu)一體化的微細(xì)工具，重點(diǎn)研宄壓阻傳感器部分的工藝加工，