基于ARM 的細(xì)胞壓力加載裝置的研制

劉冰

菏澤醫(yī)學(xué)?？茖W(xué)校 （山東菏澤 274000）

人體內(nèi)大部分細(xì)胞依據(jù)其所處微環(huán)境均暴露在各種生物機(jī)械力下[1]。生物體的器官、組織、細(xì)胞、亞細(xì)胞等各個(gè)層次的生命運(yùn)動(dòng)都是在一定力學(xué)環(huán)境中進(jìn)行的。細(xì)胞作為生物體的基本單位，時(shí)刻受到這個(gè)力學(xué)環(huán)境的影響。細(xì)胞的增殖、形態(tài)變化及分泌功能等單個(gè)細(xì)胞的生物學(xué)活動(dòng)，血管內(nèi)皮細(xì)胞的收縮過程和肺泡細(xì)胞的呼吸過程，細(xì)胞活動(dòng)機(jī)械信號(hào)的傳導(dǎo)及基因的表達(dá)，這些細(xì)胞活動(dòng)均是在一定的力學(xué)環(huán)境下進(jìn)行的。賈如等[2]利用加載裝置研究了不同大小動(dòng)態(tài)載荷對(duì)牙周膜細(xì)胞線粒體發(fā)育及功能的影響。洪莎莎等[3]研究了microRNA-21對(duì)機(jī)械力作用下小鼠L929細(xì)胞增殖和凋亡的影響。因此，研究細(xì)胞的力學(xué)特性和重建細(xì)胞力學(xué)環(huán)境，對(duì)于生命科學(xué)具有極為深刻的意義。

重建細(xì)胞力學(xué)環(huán)境是為體外細(xì)胞構(gòu)建其在體內(nèi)生存時(shí)的力學(xué)環(huán)境，其原理是模擬體內(nèi)細(xì)胞所處生物力學(xué)環(huán)境，構(gòu)建一個(gè)適合體外細(xì)胞生存的力學(xué)環(huán)境，其實(shí)現(xiàn)方法包括離心力法、微觀吮吸技術(shù)、流體剪切力法、微重力法、聲波刺激法、微光速輻射法、基底拉伸法、壓力載荷法等。本研究設(shè)計(jì)的基于ARM 的細(xì)胞壓力加載裝置采用的是一種壓力載荷法，即向密閉培養(yǎng)皿內(nèi)充加特定的氣體并進(jìn)行壓力控制。本裝置設(shè)計(jì)簡單，培養(yǎng)皿內(nèi)細(xì)胞受力均勻，應(yīng)力易傳遞且不依賴于培養(yǎng)物與基底的結(jié)合狀態(tài)，能在體外對(duì)離體細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)并進(jìn)行壓力加載實(shí)驗(yàn)。本裝置采用三星S3C2440AL 高速ARM9處理器，能充分滿足細(xì)胞壓力加載相關(guān)控制操作需要，醫(yī)學(xué)工作者利用本裝置可有效地進(jìn)行壓力載荷法細(xì)胞壓力實(shí)驗(yàn)。

1 細(xì)胞壓力加載的原理

細(xì)胞壓力加載的原理是在一個(gè)密閉培養(yǎng)皿內(nèi)進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)，通過密閉培養(yǎng)皿的進(jìn)氣口和出氣口向培養(yǎng)皿中加注或排放氣體，使培養(yǎng)皿內(nèi)的氣體壓力達(dá)到平衡。其中氣體種類根據(jù)細(xì)胞培養(yǎng)的需要按比例配制，一般為二氧化碳、氧氣、氮?dú)?、氦氣和空氣的混合氣體。氣體壓力由電磁閥控制，壓力的大小根據(jù)細(xì)胞壓力實(shí)驗(yàn)的需要確定，一般在0～1 MPa 之間，可以是一個(gè)恒定的壓力，也可以是一個(gè)變頻和變幅的壓力。

2 加載裝置的構(gòu)造

2.1 整體構(gòu)造

細(xì)胞壓力加載裝置包括供排氣系統(tǒng)、密閉培養(yǎng)皿、控制系統(tǒng)三大部分。細(xì)胞培養(yǎng)在密閉培養(yǎng)皿中進(jìn)行，密閉培養(yǎng)皿要保持規(guī)定的壓力；控制系統(tǒng)不斷監(jiān)測密閉培養(yǎng)皿的壓力，根據(jù)需要向供排氣系統(tǒng)發(fā)送供氣或排氣的指令；供排氣系統(tǒng)根據(jù)指令啟動(dòng)電機(jī)或者閥門，向培養(yǎng)皿內(nèi)供氣或排氣，使培養(yǎng)皿內(nèi)達(dá)到規(guī)定的壓力并保持平衡。細(xì)胞壓力加載裝置的整體構(gòu)造見圖1。

圖1 細(xì)胞壓力加載裝置構(gòu)造圖

2.2 供排氣系統(tǒng)

供排氣系統(tǒng)是壓力加載裝置的機(jī)械系統(tǒng)，是整個(gè)裝置的基礎(chǔ)，由氣源（鋼瓶）、普通減壓閥、精密減壓閥、流量閥、電磁閥、直線步進(jìn)電機(jī)組成。（1）氣源：提供實(shí)驗(yàn)用混合氣體，鋼瓶內(nèi)的氣體壓力一般在3～7 MPa 之間。（2）普通減壓閥：將供氣管內(nèi)3～7 MPa 的氣體壓力調(diào)節(jié)至1 MPa 左右的一個(gè)穩(wěn)定壓力值。（3）精密減壓閥：將供氣管內(nèi)1 MPa 左右的氣體壓力調(diào)節(jié)至接近培養(yǎng)皿內(nèi)氣體壓力值。（4）流量閥：精密控制氣體流量。（5）電磁閥：精密控制氣管向培養(yǎng)皿內(nèi)或培養(yǎng)皿外供氣或排氣的流量和流速。（6）直線步進(jìn)電機(jī)：精密調(diào)節(jié)培養(yǎng)皿內(nèi)氣體壓力或進(jìn)行氣壓的變頻和變幅調(diào)節(jié)。

2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是壓力加載裝置的指揮系統(tǒng)，是控制裝置按設(shè)定參數(shù)運(yùn)行的中樞，由壓力傳感器、放大器、驅(qū)動(dòng)電路、開發(fā)板、臺(tái)式機(jī)組成。（1）壓力傳感器：檢測培養(yǎng)皿內(nèi)氣體壓力值，檢測數(shù)據(jù)經(jīng)放大器放大后傳遞給開發(fā)板。（2）放大器：放大壓力傳感器傳來的壓力信號(hào)，將放大后的壓力信號(hào)傳遞給開發(fā)板。（3）驅(qū)動(dòng)電路：為電磁閥動(dòng)作提供指令。（4）開發(fā)板：接收并顯示壓力傳感器檢測到的氣體壓力，由開發(fā)板中的集成軟件系統(tǒng)運(yùn)算出結(jié)果，向電磁閥、直線步進(jìn)電機(jī)發(fā)送動(dòng)作指令。（5）臺(tái)式機(jī)：功能與開發(fā)板相同，但可通過系統(tǒng)軟件接管開發(fā)板的控制權(quán)。

2.4 各主要組件的選擇

（1）普通減壓閥：調(diào)節(jié)范圍為1～8 MPa，誤差＜1%，可手動(dòng)操作，帶壓力表。（2）精密減壓閥：調(diào)節(jié)范圍為0～1 MPa，誤差＜0.1%，選用柏勒夫公司生產(chǎn)的型號(hào)為T10的高精度精密減壓閥。（3）流量閥：選用可手動(dòng)調(diào)節(jié)流量和充氣時(shí)間的閥門，采用山耐斯公司生產(chǎn)的精密型單向流量控制閥。（4）電磁閥：選擇既可自動(dòng)控制也可手動(dòng)控制的型號(hào)。（5）開發(fā)板：選擇基于ARM 模塊的控制軟件系統(tǒng)和控制操作面板，采用三星S3C2440AL 高速ARM9處理器。（6）臺(tái)式機(jī)：選擇能安裝運(yùn)行基于ARM 模塊的控制軟件系統(tǒng)的電腦。（7）與混合氣體相關(guān)的鋼瓶、管道、閥門、密閉培養(yǎng)皿的材質(zhì)均要求符合無毒性、無污染、高潔凈度醫(yī)用衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 壓力加載裝置的運(yùn)行

鋼瓶中混合氣體的壓力一般為3～7 MPa，經(jīng)普通減壓閥調(diào)節(jié)至1 MPa 左右，再經(jīng)精密減壓閥調(diào)節(jié)為符合培養(yǎng)皿中細(xì)胞生存的壓力并穩(wěn)壓，由流量閥和進(jìn)氣電磁閥控制以穩(wěn)定的流量和壓力向培養(yǎng)皿供氣，并保持穩(wěn)定的壓力，實(shí)現(xiàn)模擬細(xì)胞在體內(nèi)生長的力學(xué)環(huán)境。

當(dāng)培養(yǎng)皿中的氣體需換氣時(shí)，由出氣電磁閥控制以穩(wěn)定的流量排氣，同時(shí)進(jìn)氣電磁閥控制以相同的流量向培養(yǎng)皿補(bǔ)氣，以保持培養(yǎng)皿內(nèi)穩(wěn)定的壓力。

當(dāng)培養(yǎng)皿中需要一定頻率和振幅的壓力時(shí)，由開發(fā)板通過功率放大器向直線步進(jìn)電機(jī)發(fā)送運(yùn)行指令，直線步進(jìn)電機(jī)按指令運(yùn)行，按規(guī)定的頻率和壓力振幅對(duì)氣缸進(jìn)行加壓和減壓，培養(yǎng)皿與氣缸有管道連通，可實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)皿內(nèi)氣體與氣缸內(nèi)氣體的頻率和振幅相同。

培養(yǎng)皿內(nèi)放置有實(shí)驗(yàn)用體外細(xì)胞，其在模擬體內(nèi)壓力環(huán)境下生長繁殖，達(dá)到醫(yī)學(xué)研究需求。

開發(fā)板內(nèi)集成有控制應(yīng)用軟件，通過操作面板向供氣系統(tǒng)發(fā)出操作指令，或者設(shè)置自動(dòng)運(yùn)行參數(shù)，發(fā)出自動(dòng)運(yùn)行指令。臺(tái)式機(jī)的功能與開發(fā)板相同，但臺(tái)式機(jī)對(duì)系統(tǒng)有優(yōu)先控制權(quán)，可以在臺(tái)式機(jī)上對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)視和操作，即在必要時(shí)臺(tái)式機(jī)可通過網(wǎng)線遠(yuǎn)程監(jiān)控壓力加載裝置的運(yùn)行情況，管理和操作更加方便。

壓力加載裝置運(yùn)行的實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)可以儲(chǔ)存在開發(fā)板上配置的SD 上，也可以儲(chǔ)存在臺(tái)式機(jī)的硬盤上，還可以通過網(wǎng)絡(luò)上傳到網(wǎng)盤。

3 應(yīng)用軟件的開發(fā)

3.1 開發(fā)板的應(yīng)用軟件

集成在開發(fā)板中的控制應(yīng)用軟件有3個(gè)，其功能分別為監(jiān)測培養(yǎng)皿中壓力、控制電磁閥運(yùn)行、控制直線步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。另外開發(fā)板與臺(tái)式機(jī)的通信需要臺(tái)式機(jī)的IP 地址。

軟件對(duì)壓力的監(jiān)測和顯示數(shù)據(jù)包括當(dāng)前壓力及一定時(shí)段內(nèi)的平均壓力、最大壓力和最小壓力，目的是觀察壓力的穩(wěn)定性。

電磁閥和直線步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行包括手動(dòng)模式和自動(dòng)模式兩種。（1）手動(dòng)模式：操作者根據(jù)觀測到的壓力數(shù)據(jù)，判斷實(shí)際壓力與實(shí)驗(yàn)需求壓力的差值，人工手動(dòng)操作開發(fā)板上的指令按鍵，控制電磁閥或直線步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行相關(guān)的動(dòng)作。（2）自動(dòng)模式：預(yù)先將實(shí)驗(yàn)需求壓力參數(shù)輸入開發(fā)板中，設(shè)定好運(yùn)行參數(shù)，打開自動(dòng)模式，開發(fā)板將接收到的壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)需求壓力參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，對(duì)數(shù)據(jù)差異進(jìn)行運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果自動(dòng)發(fā)出操作指令，控制電磁閥或直線步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行相關(guān)的動(dòng)作。

開發(fā)板上應(yīng)用軟件的操作界面見圖2。

圖2 開發(fā)板上應(yīng)用軟件的操作界面

3.2 臺(tái)式機(jī)的應(yīng)用軟件

臺(tái)式機(jī)通過串行接口與開發(fā)板連接，通過數(shù)據(jù)交換協(xié)議與開發(fā)板實(shí)現(xiàn)通信，臺(tái)式機(jī)的控制原理與開發(fā)板基本相同。當(dāng)開發(fā)板與臺(tái)式機(jī)共同使用時(shí)，臺(tái)式機(jī)有優(yōu)先控制權(quán)，臺(tái)式機(jī)通過控制開發(fā)板進(jìn)而控制電磁閥或直線步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行相關(guān)的動(dòng)作。臺(tái)式機(jī)與開發(fā)板的通信需要開發(fā)板的IP 地址，可以在界面上設(shè)置。

臺(tái)式機(jī)上應(yīng)用軟件的操作界面見圖3。

圖3 臺(tái)式機(jī)上應(yīng)用軟件的操作界面

4 小結(jié)

該裝置可用于多種壓力實(shí)驗(yàn)：可以控制進(jìn)氣和出氣電磁閥，使培養(yǎng)皿內(nèi)保持穩(wěn)定的靜態(tài)壓力，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)壓力實(shí)驗(yàn)；也可以控制直線步進(jìn)電機(jī)按一定的頻率和行程驅(qū)動(dòng)氣缸活塞左右做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在細(xì)胞培養(yǎng)皿內(nèi)形成一定頻率、大小的周期性變化氣壓，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)壓力實(shí)驗(yàn)；還可以在一段時(shí)間內(nèi)保持直線步進(jìn)電機(jī)靜止，保持培養(yǎng)皿內(nèi)穩(wěn)定的靜態(tài)壓力，在另一段時(shí)間內(nèi)控制直線步進(jìn)電機(jī)按一定的頻率和行程驅(qū)動(dòng)氣缸活塞左右做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在細(xì)胞培養(yǎng)皿內(nèi)形成一定頻率、大小的周期性變化氣壓，循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)靜動(dòng)態(tài)壓力實(shí)驗(yàn)。因此，其可根據(jù)不同的控制方式實(shí)現(xiàn)不同的細(xì)胞力學(xué)環(huán)境，滿足不同的實(shí)驗(yàn)需求。