基于ARM 的細胞壓力加載裝置的研制

劉冰

菏澤醫學?？茖W校 （山東菏澤 274000）

人體內大部分細胞依據其所處微環境均暴露在各種生物機械力下[1]。生物體的器官、組織、細胞、亞細胞等各個層次的生命運動都是在一定力學環境中進行的。細胞作為生物體的基本單位，時刻受到這個力學環境的影響。細胞的增殖、形態變化及分泌功能等單個細胞的生物學活動，血管內皮細胞的收縮過程和肺泡細胞的呼吸過程，細胞活動機械信號的傳導及基因的表達，這些細胞活動均是在一定的力學環境下進行的。賈如等[2]利用加載裝置研究了不同大小動態載荷對牙周膜細胞線粒體發育及功能的影響。洪莎莎等[3]研究了microRNA-21對機械力作用下小鼠L929細胞增殖和凋亡的影響。因此，研究細胞的力學特性和重建細胞力學環境，對于生命科學具有極為深刻的意義。

重建細胞力學環境是為體外細胞構建其在體內生存時的力學環境，其原理是模擬體內細胞所處生物力學環境，構建一個適合體外細胞生存的力學環境，其實現方法包括離心力法、微觀吮吸技術、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。本研究設計的基于ARM 的細胞壓力加載裝置采用的是一種壓力載荷法，即向密閉培養皿內充加特定的氣體并進行壓力控制。本裝置設計簡單，培養皿內細胞受力均勻，應力易傳遞且不依賴于培養物與基底的結合狀態，能在體外對離體細胞進行培養并進行壓力加載實驗。本裝置采用三星S3C2440AL 高速ARM9處理器，能充分滿足細胞壓力加載相關控制操作需要，醫學工作者利用本裝置可有效地進行壓力載荷法細胞壓力實驗。

1 細胞壓力加載的原理

細胞壓力加載的原理是在一個密閉培養皿內進行細胞培養，通過密閉培養皿的進氣口和出氣口向培養皿中加注或排放氣體，使培養皿內的氣體壓力達到平衡。其中氣體種類根據細胞培養的需要按比例配制，一般為二氧化碳、氧氣、氮氣、氦氣和空氣的混合氣體。氣體壓力由電磁閥控制，壓力的大小根據細胞壓力實驗的需要確定，一般在0～1 MPa 之間，可以是一個恒定的壓力，也可以是一個變頻和變幅的壓力。

2 加載裝置的構造

2.1 整體構造

細胞壓力加載裝置包括供排氣系統、密閉培養皿、控制系統三大部分。細胞培養在密閉培養皿中進行，密閉培養皿要保持規定的壓力；控制系統不斷監測密閉培養皿的壓力，根據需要向供排氣系統發送供氣或排氣的指令；供排氣系統根據指令啟動電機或者閥門，向培養皿內供氣或排氣，使培養皿內達到規定的壓力并保持平衡。細胞壓力加載裝置的整體構造見圖1。

圖1 細胞壓力加載裝置構造圖

2.2 供排氣系統

供排氣系統是壓力加載裝置的機械系統，是整個裝置的基礎，由氣源（鋼瓶）、普通減壓閥、精密減壓閥、流量閥、電磁閥、直線步進電機組成。（1）氣源：提供實驗用混合氣體，鋼瓶內的氣體壓力一般在3～7 MPa 之間。（2）普通減壓閥：將供氣管內3～7 MPa 的氣體壓力調節至1 MPa 左右的一個穩定壓力值。（3）精密減壓閥：將供氣管內1 MPa 左右的氣體壓力調節至接近培養皿內氣體壓力值。（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皿內或培養皿外供氣或排氣的流量和流速。（6）直線步進電機：精密調節培養皿內氣體壓力或進行氣壓的變頻和變幅調節。

2.3 控制系統

控制系統是壓力加載裝置的指揮系統，是控制裝置按設定參數運行的中樞，由壓力傳感器、放大器、驅動電路、開發板、臺式機組成。（1）壓力傳感器：檢測培養皿內氣體壓力值，檢測數據經放大器放大后傳遞給開發板。（2）放大器：放大壓力傳感器傳來的壓力信號，將放大后的壓力信號傳遞給開發板。（3）驅動電路：為電磁閥動作提供指令。（4）開發板：接收并顯示壓力傳感器檢測到的氣體壓力，由開發板中的集成軟件系統運算出結果，向電磁閥、直線步進電機發送動作指令。（5）臺式機：功能與開發板相同，但可通過系統軟件接管開發板的控制權。

2.4 各主要組件的選擇

（1）普通減壓閥：調節范圍為1～8 MPa，誤差＜1%，可手動操作，帶壓力表。（2）精密減壓閥：調節范圍為0～1 MPa，誤差＜0.1%，選用柏勒夫公司生產的型號為T10的高精度精密減壓閥。（3）流量閥：選用可手動調節流量和充氣時間的閥門，采用山耐斯公司生產的精密型單向流量控制閥。（4）電磁閥：選擇既可自動控制也可手動控制的型號。（5）開發板：選擇基于ARM 模塊的控制軟件系統和控制操作面板，采用三星S3C2440AL 高速ARM9處理器。（6）臺式機：選擇能安裝運行基于ARM 模塊的控制軟件系統的電腦。（7）與混合氣體相關的鋼瓶、管道、閥門、密閉培養皿的材質均要求符合無毒性、無污染、高潔凈度醫用衛生標準。

2.5 壓力加載裝置的運行

鋼瓶中混合氣體的壓力一般為3～7 MPa，經普通減壓閥調節至1 MPa 左右，再經精密減壓閥調節為符合培養皿中細胞生存的壓力并穩壓，由流量閥和進氣電磁閥控制以穩定的流量和壓力向培養皿供氣，并保持穩定的壓力，實現模擬細胞在體內生長的力學環境。

當培養皿中的氣體需換氣時，由出氣電磁閥控制以穩定的流量排氣，同時進氣電磁閥控制以相同的流量向培養皿補氣，以保持培養皿內穩定的壓力。

當培養皿中需要一定頻率和振幅的壓力時，由開發板通過功率放大器向直線步進電機發送運行指令，直線步進電機按指令運行，按規定的頻率和壓力振幅對氣缸進行加壓和減壓，培養皿與氣缸有管道連通，可實現培養皿內氣體與氣缸內氣體的頻率和振幅相同。

培養皿內放置有實驗用體外細胞，其在模擬體內壓力環境下生長繁殖，達到醫學研究需求。

開發板內集成有控制應用軟件，通過操作面板向供氣系統發出操作指令，或者設置自動運行參數，發出自動運行指令。臺式機的功能與開發板相同，但臺式機對系統有優先控制權，可以在臺式機上對實驗進行監視和操作，即在必要時臺式機可通過網線遠程監控壓力加載裝置的運行情況，管理和操作更加方便。

壓力加載裝置運行的實時壓力數據可以儲存在開發板上配置的SD 上，也可以儲存在臺式機的硬盤上，還可以通過網絡上傳到網盤。

3 應用軟件的開發

3.1 開發板的應用軟件

集成在開發板中的控制應用軟件有3個，其功能分別為監測培養皿中壓力、控制電磁閥運行、控制直線步進電機運行。另外開發板與臺式機的通信需要臺式機的IP 地址。

軟件對壓力的監測和顯示數據包括當前壓力及一定時段內的平均壓力、最大壓力和最小壓力，目的是觀察壓力的穩定性。

電磁閥和直線步進電機的運行包括手動模式和自動模式兩種。（1）手動模式：操作者根據觀測到的壓力數據，判斷實際壓力與實驗需求壓力的差值，人工手動操作開發板上的指令按鍵，控制電磁閥或直線步進電機進行相關的動作。（2）自動模式：預先將實驗需求壓力參數輸入開發板中，設定好運行參數，打開自動模式，開發板將接收到的壓力監測數據與實驗需求壓力參數進行比對，對數據差異進行運算，根據運算結果自動發出操作指令，控制電磁閥或直線步進電機進行相關的動作。

開發板上應用軟件的操作界面見圖2。

圖2 開發板上應用軟件的操作界面

3.2 臺式機的應用軟件

臺式機通過串行接口與開發板連接，通過數據交換協議與開發板實現通信，臺式機的控制原理與開發板基本相同。當開發板與臺式機共同使用時，臺式機有優先控制權，臺式機通過控制開發板進而控制電磁閥或直線步進電機進行相關的動作。臺式機與開發板的通信需要開發板的IP 地址，可以在界面上設置。

臺式機上應用軟件的操作界面見圖3。

圖3 臺式機上應用軟件的操作界面

4 小結

該裝置可用于多種壓力實驗：可以控制進氣和出氣電磁閥，使培養皿內保持穩定的靜態壓力，實現靜態壓力實驗；也可以控制直線步進電機按一定的頻率和行程驅動氣缸活塞左右做往復運動，在細胞培養皿內形成一定頻率、大小的周期性變化氣壓，實現動態壓力實驗；還可以在一段時間內保持直線步進電機靜止，保持培養皿內穩定的靜態壓力，在另一段時間內控制直線步進電機按一定的頻率和行程驅動氣缸活塞左右做往復運動，在細胞培養皿內形成一定頻率、大小的周期性變化氣壓，循環往復，實現靜動態壓力實驗。因此，其可根據不同的控制方式實現不同的細胞力學環境，滿足不同的實驗需求。