对细胞实施单次压缩波动态冲击加载的装置及其方法

技术领域

本发明涉及生物力学中的细胞冲击损伤技术，尤其涉及一种对细胞实施单次压缩波动态冲击加载的装置及其方法。

背景技术

运动中的碰撞、交通事故、矿井等意外爆炸事件中，冲击损伤是伤者中最为广泛的损伤类型，它严重的损伤了人员的健康，且由于它是一系列复杂的物理损伤效应(惯性、剥离、内爆)的叠加表现，同时会导致机体出现长期慢性炎症，极可能诱发类似脑震荡、阿尔兹海默等诸多后遗症。因此在临床和基础研究中，将冲击损伤列为独立在贯穿、钝性损伤之外的一种独特损伤类型。目前临床上对该类冲击损伤仍没有强针对性有效的措施，故而亟待研究者对该损伤类型的机理进行研究。

在损伤机理的研究中，多尺度模型是研究冲击损伤机制的必备条件。体内模型可以还原全身性的链式损伤反应且可以为体外模型的机理进行科学有效的验证；体外模型可以在极少干扰因素下进行机制机理研究，能够稳定、准确有效的对冲击物理环境进行模拟是整个体外模型的基石。故而在损伤机理的研究中两种模型是缺一不可的。

目前对于离体细胞的冲击加载的问题，现有技术中尚未提供有效的解决方案。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种对细胞实施单次压缩波动态冲击加载的装置及其方法，以解决现有技术存在的无法对离体细胞的进行单次冲击加载的问题。

根据本发明的一个方面提出一种对细胞进行单次压缩波动态冲击加载装置，其包括：标定系统和实验系统；所述标定系统用于确定表示第二细胞装载装置内的液体的应力波信号与液体压力之间的标定函数；所述实验系统包括：同轴设置的气炮装置、第一细胞装载装置和单次加载延长管；所述第一细胞装载装置的近端与所述气炮装置相对，所述第一细胞装载装置的远端与所述单次加载延长管连接；其中所述第一细胞装载装置中装载有细胞悬液；所述气炮装置撞击所述第一细胞装载装置产生压缩波，所述压缩波经过所述第一细胞装载装置后在所述单次加载延长管中传播且不再反射；其中，所述实验系统测量所述第一细胞装载装置中液体的应力波信号，并根据所述标定函数确定所述第一细胞装载装置中液体的压力。

其中，所述实验系统还包括：应变片和数据采集器，所述应变片用于测量所述第一细胞装载装置中液体的应力波信号，并将测得的应力波信号发送至所述数据采集器。

其中，所述标定系统包括：同轴设置的气炮装置、第二细胞装载装置和液压传感器；所述第二细胞装载装置的近端与所述气炮装置相对，所述第二细胞装载装置的远端与所述液压传感器连接，其中所述第二细胞装载装置中仅装载有液体；所述气炮装置撞击所述第二细胞装载装置产生压缩波，所述液压传感器检测所述第二细胞装载装置内液体的压力数据。

其中，所述标定系统还包括：应变片和数据采集器，所述应变片用于测量所述第二细胞装载装置中液体的应力波信号，并将测得的应力波信号数据发送至所述数据采集器；所述数据采集器根据来自所述应变片的应力波信号数据以及来自所述液压传感器的压力数据计算得到所述标定函数。

其中，所述第一细胞装载装置/所述第二细胞装载装置的近端通过密封环密封，所述第一细胞装载装置/所述第二细胞装载装置的远端通过丁腈类橡胶薄膜密封。

其中，所述气炮装置包括：子弹和气炮，所述子弹放置于所述气炮内，所述气炮与所述第一细胞装载装置/所述第二细胞装载装置之间的距离小于所述子弹的长度的三分之一。

根据本发明的另一个方面提出一种对细胞进行单次压缩波动态冲击加载的方法，其包括：将气炮装置、细胞装载装置和液压传感器同轴设置，使所述细胞装载装置的近端与所述气炮装置相对、所述细胞装载装置的远端与所述液压传感器连接；其中所述细胞装载装置中仅充满液体；在所述细胞装载装置上设置应变片，使所述气炮装置撞击所述细胞装载装置产生压缩波；通过所述液压传感器检测所述细胞装载装置内液体的压力数据，并通过所述应变片测量所述细胞装载装置内液体的应力波信号数据；根据所述应力波信号数据和所述压力数据计算得到标定函数；在所述细胞装载装置中装载细胞悬液，由单次加载延长管替换所述液压传感器连接在所述细胞装载装置的远端；使所述气炮装置撞击所述细胞装载装置产生压缩波，所述压缩波经过所述细胞装载装置后在所述单次加载延长管中传播且不再反射；通过所述应变片测量所述细胞装载装置中液体的应力波信号数据，并根据所述标定函数确定进行单次压缩波加载时的所述细胞装载装置内液体的压力。

其中，所述方法还包括：使用密封环密封所述细胞装载装置的近端，使用丁腈橡胶薄膜密封所述细胞装载装置的远端。

其中，所述气炮装置包括气炮和设置在气炮内的子弹，所述方法还包括：设置所述气炮与所述细胞装载装置之间的距离小于所述子弹的长度的三分之一。

根据本发明的技术方案，通过单次加载延长管实现单次压缩波加载避免了反射波干扰，并通过细胞装载装置的环向应变信号与细胞装载装置内的液体压力进行对应，提高了实验的准确性和重复性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的标定系统的结构框图；

图2是根据本发明实施例的标定系统中液压和环向最大应变的标定曲线的示意图；

图3是根据本发明实施例的实验系统的结构框图；

图4是根据本发明实施例的细胞实验系统中子弹撞击所产生的在管壁中传播的环向应变曲线的示意图；

图5是根据本发明实施例的对细胞进行单次压缩波动态冲击加载的方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

根据本发明实施例提供了一种对细胞进行单次压缩波动态冲击加载的装置，该装置包括：标定系统(或称为数据标定系统)和细胞实验系统。由于在对细胞进行单次加载时要求不能污染细胞，也就是无法在细胞装载装置加装液压传感器采集液体的压力数据，因此需要在进行单次加载之前先进行数据标定，即确定表示细胞装载装置内的液体的应力波信号与液体压力之间的标定函数。

参考图1，所述标定系统包括：同轴设置的气炮装置1、细胞装载装置2(即第二细胞装载装置)和液压传感器3。具体地，所述气炮装置1包括子弹11和气炮12，子弹11放置于气炮12之内。气炮装置1与细胞装载装置2的近端相对，使气炮装置1与细胞装载装置2之间的距离小于子弹11的长度的三分之一，这样子弹11在气炮12出口处就不会发生偏移，能够准确撞击到细胞装载装置2的密封环23的中心。

细胞装载装置2的形状类似针筒，其具有一个密封的、呈圆筒状的主体21，细胞装载装置2的主体21内仅充满液体，需要说明，标定系统的细胞装载装置内未装载细胞悬液。主体21的近端具有一个较大的接受子弹11撞击的接触圆面22，主体21的近端被密封环23密封，主体21的远端可使用丁腈类橡胶薄膜密封。细胞装载装置2的远端与液压传感器3连接，液压传感器3用于检测细胞装载装置2内的液体的压力数据，并将检测得到的压力数据发送至数据采集器5。

在细胞装载装置2上设置有环向应变片4，环向应变片4用于测量细胞装载装置3中液体的应力波信号，并将测量的数据发送至数据采集器5。数据采集器5根据液压传感器3检测得到的压力数据和应变片4测量得到的应力波数据，计算得到标定函数。

参考图2，图2为标定系统中液压和环向最大应变的标定曲线的示意图。该示意图横坐标(X轴)表示液体压力，单位为kPa，纵坐标(Y轴)表示环向最大应变，单位为με。经过多次实验后测得标定函数的关系式为y＝3E-5x。通过该公式可以实现从环向应变推出液体内压力数据。

参考图3，根据本申请实施例的实验系统包括：同轴设置的气炮装置1、细胞装载装置6(即第一细胞装载装置)和单次加载延长管7。在本申请中，实验系统与标定系统中的大部分的装置都相同，不同的部分在于：实验系统的细胞装载装置6中装载有细胞悬液，以及实验系统的细胞装载装置6的远端与单次加载延长管7套接。

具体地，细胞装载装置6的远端被套设在内部装载有液体的单次加载延长管7中，密封细胞装载装置6与单次加载延长管7的连接处。当气炮装置1撞击细胞装载装置6产生压缩波后，所述压缩波经过细胞装载装置6后在单次加载延长管7中传播且不再反射回细胞装载装置6，这样就实现了对细胞进行单次压缩波动态冲击加载。压缩波在经过单次加载延长管7后不再反射的原因在于：压缩波的传播过程是，(细胞装载装置6内的)整个液体—丁腈类橡胶薄膜—(单次加载延长管7内的)液柱，在该传播过程中波阻抗几乎没有变化，应力波就会沿着往前继续传播，而不会反射回细胞装载装置6中。

细胞装载装置6上的应变片4测量细胞装载装置6中液体的应力波信号，并将测量的数据发送至数据采集器5，数据采集器5根据应变片4测得的应力波信号以及标定系统得到的标定函数就能够确定细胞装载装置6中的液体的压力。

参考图4，图4为细胞实验系统中子弹撞击所产生的在管壁中传播的环向应变曲线的示意图。该示意图横坐标表示时间，单位为ms，纵坐标表示环向应变，单位为mV；该波形图上升沿在0.01ms左右，后续的指数下降满足水下爆炸压缩波的函数方程，且后续无反射波出现证明该加载为单次压缩波加载。

参考图5，根据本申请实施例还提供一种对细胞进行单次压缩波动态冲击加载的方法，其包括：

步骤S502，将气炮装置、细胞装载装置和液压传感器同轴设置，使所述细胞装载装置的近端与所述气炮装置相对、所述细胞装载装置的远端与所述液压传感器连接；其中所述细胞装载装置中充满液体且未装载细胞悬液；

其中，所述气炮装置包括气炮和设置在气炮内的子弹，设置所述气炮与所述细胞装载装置之间的距离小于所述子弹的长度的三分之一。

步骤S504，在所述细胞装载装置上设置应变片，使所述气炮装置撞击所述细胞装载装置产生压缩波；通过所述液压传感器检测所述细胞装载装置内液体的压力数据，并通过所述应变片测量所述细胞装载装置中液体的应力波信号数据；根据所述应力波信号数据和所述压力数据计算得到标定函数；

步骤S506，在所述细胞装载装置中装载细胞悬液，由单次加载延长管替换所述液压传感器连接在所述细胞装载装置的远端；使所述气炮装置撞击所述细胞装载装置产生压缩波，所述压缩波经过所述细胞装载装置后在所述单次加载延长管中传播且不再反射；

步骤S508，通过所述应变片测量所述细胞装载装置中液体的应力波信号数据，并根据所述标定函数确定进行单次压缩波加载时的所述细胞装载装置中液体的压力。

需要说明，由于细胞装载装置中具有液体，因此需要密封细胞装载装置。在实际应用中可使用密封环密封细胞装载装置的近端、使用丁腈橡胶薄膜密封细胞装载装置的远端。

本申请的方法的操作步骤与系统的结构特征对应，可以相互参照，不再一一赘述。

本申请通过单次加载延长管实现单次压缩波加载避免了反射波干扰，并通过细胞装载装置的环向应变信号与液体传感器压力(即细胞装载装置内的液体压力)进行对应，提高了实验的准确性和重复性。此外，直接采用子弹撞击细胞装载装置实现加载过程，使整个细胞冲击装置简洁降低应力波传播过程复杂度易于做理论分析和标定，有效减少了整个实验时间。由于以上优点，本申请可以实现对离体细胞进行有效稳定的单次压缩波加载。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。