(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210629874.8 (22)申请日 2022.06.06 (71)申请人 太原理工大 学 地址 030024 山西省太原市迎泽西大街79 号 (72)发明人 张全有　兰敏华　白家栋　孟楠　 张敏　王笑笑　陈维毅　 (74)专利代理 机构 太原晋科知识产权代理事务 所(特殊普通 合伙) 14110 专利代理师 祁宏伟 (51)Int.Cl. C12M 1/36(2006.01) C12M 1/00(2006.01) (54)发明名称 单细胞三维动态力学刺激装置 (57)摘要 本发明属于细胞力学刺激技术领域， 具体是 一种单细胞三维动态力学刺激装置。 包括拉伸单 元、 控制单元 以及模块单元， 其中拉伸单元收到 控制单元产生的信号， 带动模块单元产生周期性 的位移运动， 实现模块单元在水平 位置上的来回 往复运动， 对模块单元进行拉伸或者压缩； 控制 单元通过控制拉伸单元作用力的大小、 位移以及 运动方向实现拉伸单元对模块单元的拉伸作用， 控制单元同步反馈拉伸单元作用力的大小、 位移 以及运动方向。 权利要求书1页 说明书7页 附图7页 CN 115125122 A 2022.09.30 CN 115125122 A 1.一种单细胞三维动态力学刺激装置， 其特征在于： 包括拉伸单元、 控制单元以及模块 单元， 其中拉伸单元收到控制单元产生的信号， 带动模块单元产生周期性的位移 运动， 实现 模块单元在水平位置上 的来回往复运动， 对模块单元进行拉伸或者压缩； 控制单元通过控 制拉伸单元作用力的大小、 位移以及运动方向实现拉伸单元对模块单元 的拉伸作用， 控制 单元同步反馈拉伸单 元作用力的大小、 位移以及运动方向。 2.根据权利要求1所述的单细胞三维动态力学刺激装置， 其特征在于： 所述的模块单元 包括外侧模板 （3.1） 和内侧模板 （3.2） ， 其中外侧模板 （3.1） 为长方体结构， 长方体结构上侧 的中心设置有凹陷区域， 所述的内侧模板 （3.2） 平铺在 凹陷区域内， 内侧模板 （3.2） 上设置 排列整齐的3D微环境， 3D微环境内种植细胞3D。 3.根据权利要求2所述的单细胞三维动态力学刺激装置， 其特征在于： 所述的外侧模板 的制作如下： 将配制的P DMS倒入定制模具内， 在烘 箱中固化形成外侧模块。 4.根据权利要求2所述的单细胞三维动态力学刺激装置， 其特征在于： 所述的内侧模板 的制作如下： 采用软光刻技术， 利用匀胶机在硅片表面甩涂光阻试剂光刻胶， 制作成光刻 掩 模， 把掩膜置于光阻试剂光刻胶上方， 紫外光通过掩膜照射光阻试剂光刻胶， 由于掩模上形 状是非透明， 而形状以外是透明部 分， 掩模透明部 分下方光阻试剂光刻胶经曝光被溶解掉， 而未被曝光部分就是用于制作3D微环境的形状， 最后， 用有机溶剂去除没有交联的光阻试 剂光刻胶以此作为光刻胶底板； 在离心管中， 按照一定体积比混合PD MS与固化剂， 经8 00rpm  离心5分钟后， 均匀滴入硅片底板上， 静置铺展后， 70℃、 10小 时固化后， 从硅片底板边缘处 将其剥离 硅片， 此时P DMS表面印有设计的3D微环境的形状。 5.根据权利要求4所述的单细胞三维动态力学刺激装置， 其特征在于： 所述的3D微环境 为圆柱型槽体， 圆柱型槽体为细胞提供3D微环 境， 3D微环 境横截面面积为153.9 µm²， 深度为 8‑10µm， 在内侧模板受力发生形变过程中3D微环境体积保持1230.9 µm³不变， 相邻两3D微环 境横向和纵向间距小于等于 6µm， 3D微环境形成模式图案阵列。 6.根据权利要求1所述的单细胞三维动态力学刺激装置， 其特征在于： 所述的拉伸单元 包括直线步进电机 （4） 、 联轴 器 （5） 、 滚珠丝杆 （6） 以及直线导轨 （7） ， 直线步进电机 （4） 通过 联轴器 （5） 和滚珠丝杠 （6） 连接， 滚 珠丝杠 （6） 前端安装有挤压台 （8） ， 挤压台 （8） 底部安装直 线导轨 （7） 上， 挤压台 （8） 上设置多组模块单元， 模块单元另一侧与固定台面 （1.1） 接触连 接， 直线步进电机 （4） 收到控制单元产生的信号， 沿着直线导轨带动模块单元产生周期性的 位移运动， 实现在水平位置上的来回往复运动， 对 模块单元进行拉伸或者压缩。 7.根据权利要求6所述的单细胞三维动态力学刺激装置， 其特征在于： 所述的控制单元 包括编程控制器、 驱动电路以及计算机， 计算机与编程控制器连接， 编程控制器与驱动电路 连接， 驱动电路与直线步进电机 （4） 连接 。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115125122 A 2单细胞三维动态力学刺激装 置 技术领域 [0001]本发明属于细胞力学刺激技 术领域， 具体是一种单细胞三维动态力学刺激装置 。 背景技术 [0002]细胞是生物体基本的结构和功能单位， 个体发育过程中无数功能及形态各异的细 胞形成了不同的组织和器官。 人体内的细胞 由于各种器官 的功能、 运动和生长而受到持续 的、 周期性的机械应变。 众所周知， 细胞具有感知机械刺激并对其做出响应的能力， 这个过 程被称为力 转导 （mechanotransduction） 。 细胞在这个复杂的过程中不仅受到遗传物质的 调控， 还受到细胞外基质 （extracellularmatrix,ECM） 微环境中各种力学信号的调节， 如基 质力学特性、 基质拓扑形状和基质动态应变等。 为了反演组织内细胞微力学环境， 生物医 学、 生物力学、 生物材料力学等多学科 的科学家们 试图在体外对细胞作用生理相关的力学 刺激， 如周期性应变。 这些细胞水平的力学刺激对于揭示胚胎发育、 组织形成和疾病发生的 力学生物学机制极为重要。 特别是对于那些与生物力学 因素密切相关的组织， 如骨关节、 心 血管等组织， 力学刺激是认 识其生理学和病理学机制的重要因素。 [0003]目前， 商业化和自主研发的细胞机械应变刺激装置通过在硅胶膜施加动态 拉伸或 压缩应变来实现对细胞的力学刺激。 如常用的Flexell、 STREX机械应变刺激装置可用于研 究细胞对不同幅度、 波形和频率的单轴和双轴拉伸的响应。 尽管这些装置在细胞培养系统 中引入了力学因素， 而且在一定程度上提高了细胞功能和表型 的维持， 但与原位细胞生物 学行为和功能相比， 细胞会逐渐平面化、 异常分化并失去分化表型。 传统观念商业和自行设 计的机械应变刺激装置的共同特点是群体细胞的二维平面应变刺激， 无法反演组织内细胞 在ECM中的三维形态动态变化。 当前细胞机械应变刺激装置忽略了特定组织细胞特殊力学 为环境。 如膝关节软骨受生理载荷作用时， 软骨细胞在组织中发生单细胞形态动态变化的 过程。 [0004]近几年， 单细胞形态和力学定量分析是精准深入揭示细胞感受和响应基质力学微 环境的重要手段， 如细胞在不同基底中的细胞牵引力 分析、 细胞感受基质微环境的分子机 制以及细胞力感受器 （integral、 力敏感离子通道TRPV4和PIEZO和初级纤毛等） 调控机制。 然而， 目前仍然缺乏能够近似反演细胞在体三 维形态动态变化机械刺激装置。 因此， 现有机 械应变刺激装置无法研究与健康和疾病相关的细胞形态变化对细胞功 能和关键力感受器 的调控机制。 [0005]中国专利申请CN214781906U公开了一种改良细胞静态拉伸装置， 然而该方法只能 用于二维静态拉伸装置中， 并不能实现单个细胞的三维动态拉伸和压缩， 且在增加力的过 程中无法确保力的稳定性。 发明内容 [0006]本发明为了解决上述问题， 提供一种单细胞三维动态力学刺激装置 。 [0007]本发明采取以下技术方案： 一种单细胞三维动 态力学刺激装置， 包括拉伸单元、 控说　明　书 1/7 页 3 CN 115125122 A 3