劉 戈，羅二平，申廣浩，王天博，翟明明，佟世超，景 達(dá)

一種骨骼細(xì)胞動(dòng)態(tài)壓縮載荷發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)

劉 戈，羅二平，申廣浩，王天博，翟明明，佟世超，景 達(dá)

目的：設(shè)計(jì)一種小型、便攜且簡(jiǎn)單可控的體外細(xì)胞壓應(yīng)力加載裝置，能夠用于骨骼細(xì)胞力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)研究。方法：首先，利用SolidWorks進(jìn)行裝置的外觀圖繪制，采用聚甲基丙烯酸甲酯材料設(shè)計(jì)該加載裝置，該材料具有良好的熱傳導(dǎo)性能；其次，通過基于個(gè)人計(jì)算機(jī)（personal computer，PC）端的LabVIEW軟件控制單元控制運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，保證電動(dòng)機(jī)獲得精確的運(yùn)動(dòng)控制；最后，通過數(shù)據(jù)采集卡在基于PC端的LabVIEW采集單元實(shí)時(shí)采集壓力傳感器輸出的壓力信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)。結(jié)果：該小型化裝置在實(shí)驗(yàn)中能夠置于細(xì)胞培養(yǎng)箱中，從而可以保證在適宜的細(xì)胞生長(zhǎng)環(huán)境中進(jìn)行力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性和可重復(fù)性；該裝置具有良好的工作穩(wěn)定性，通過LabVIEW控制端程序，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)動(dòng)作的精確控制和對(duì)應(yīng)力數(shù)據(jù)的精確采集。結(jié)論：該空氣動(dòng)態(tài)載荷發(fā)生裝置具有小型、便攜等優(yōu)勢(shì)，對(duì)于骨骼細(xì)胞力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)研究具有廣闊的應(yīng)用前景。

應(yīng)力加載裝置；細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)；伺服電動(dòng)機(jī)；壓力傳感器；LabVIEW

0 引言

骨骼是機(jī)體的應(yīng)力承載系統(tǒng)，著名的Wolff定律表明：骨骼的生長(zhǎng)會(huì)受到力學(xué)刺激影響而改變其自身的結(jié)構(gòu)。Wolff所提出的骨適應(yīng)理論也得到了廣大學(xué)者的認(rèn)可，而骨應(yīng)力載荷的不足和骨應(yīng)力感受能力的衰退均會(huì)引起骨量的丟失和骨力學(xué)強(qiáng)度的降低，這些也是骨質(zhì)疏松發(fā)生和發(fā)展的主要原因之一[1-2]。因此，骨骼的生物力學(xué)和力學(xué)生物學(xué)的研究對(duì)于揭示骨適應(yīng)的機(jī)制、研究骨的力學(xué)性質(zhì)具有十分重要的意義。20世紀(jì)90年代，骨骼力學(xué)生物學(xué)和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究深入至細(xì)胞水平，應(yīng)力—生長(zhǎng)關(guān)系以及骨骼細(xì)胞力學(xué)行為，如力學(xué)信號(hào)在體內(nèi)的傳導(dǎo)、蛋白質(zhì)與DNA合成等成為研究的重點(diǎn)[3]。骨組織中包括3種最基本的細(xì)胞：成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞和骨細(xì)胞。其中，骨細(xì)胞被認(rèn)為是骨組織中最重要的力學(xué)響應(yīng)組件，它能夠響應(yīng)外界應(yīng)力載荷的刺激，分泌sclerostin和RANKL等重要的細(xì)胞因子來調(diào)控成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞[4-6]。同時(shí)，諸多研究證實(shí)，成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞也能直接響應(yīng)應(yīng)力載荷的刺激[7-8]。學(xué)者們普遍認(rèn)可的觀點(diǎn)是：在外界應(yīng)力載荷作用于長(zhǎng)骨時(shí)，骨骼中骨細(xì)胞主要的應(yīng)力作用形式是流體剪切力和骨礦化基質(zhì)變形所產(chǎn)生的壓應(yīng)力，而成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞則主要是骨基質(zhì)變形所產(chǎn)生的壓應(yīng)力刺激[9-11]。因此，本研究旨在設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單、便攜的體外細(xì)胞壓應(yīng)力加載裝置，使其能夠?qū)趋兰?xì)胞在其正常的生長(zhǎng)環(huán)境下（37℃、5%CO2）施加生理水平的壓縮載荷，并能夠?qū)λ┘拥膲毫Ψ颠M(jìn)行精確控制。該應(yīng)力加載裝置對(duì)于骨骼細(xì)胞的力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究具有十分重要的意義。

1 方法

本應(yīng)力加載系統(tǒng)如圖1所示。該壓應(yīng)力加載系統(tǒng)由加壓腔室、動(dòng)作腔室、MCAC706-N全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器和電動(dòng)機(jī)、DMC1380運(yùn)動(dòng)控制卡、MPX5100AP壓力傳感器、NI USB-6008數(shù)據(jù)采集卡，以及基于PC的LabVIEW控制單元和采集單元構(gòu)成。該應(yīng)力加載系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。首先，采用聚甲基丙烯酸甲酯材料設(shè)計(jì)應(yīng)力加載缸體部分（包括加壓腔室、動(dòng)作腔室和壓力傳送桿）；其次，通過基于個(gè)人計(jì)算機(jī)（personal computer，PC）的LabVIEW控制單元控制DMC1380運(yùn)動(dòng)控制卡，從而驅(qū)動(dòng)MCAC706-N全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器，保證獲得電動(dòng)機(jī)的精確動(dòng)作；最后，通過PC端的Lab VIEW采集程序控制NI USB-6008數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)地采集MPX5100AP壓力傳感器信號(hào)，并將其傳送至LabVIEW控制端，進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)。

圖1 系統(tǒng)實(shí)物照片

圖2 裝置結(jié)構(gòu)框圖

1.1 加壓缸體的設(shè)計(jì)

加壓缸體包括加壓腔室、動(dòng)作腔室和壓力傳送桿，缸體由聚甲基丙烯酸甲酯材料構(gòu)成。該材料具有良好的熱傳導(dǎo)性能，能夠使腔室內(nèi)部與細(xì)胞培養(yǎng)箱內(nèi)的溫度保持一致。由SolidWorks軟件繪制的缸體外觀如圖3所示，用于為細(xì)胞提供加壓的腔室尺寸為220 mm×195 mm×80 mm，內(nèi)部有效空間為180 mm× 170 mm×40 mm。加壓腔室的一側(cè)側(cè)壁為可拆卸形式，可方便取放細(xì)胞培養(yǎng)器皿。動(dòng)作腔室為直徑150 mm、高200 mm，內(nèi)部有效空間為直徑140 mm、高200 mm的圓柱體結(jié)構(gòu)?；钊趧?dòng)作腔室內(nèi)部往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)加壓腔室內(nèi)部氣體的壓縮。

圖3 加壓缸體外觀

1.2 電動(dòng)機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制模塊

MCAC706-N交流伺服電動(dòng)機(jī)的控制通過Lab-VIEW平臺(tái)發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)DMC1380運(yùn)動(dòng)控制卡來實(shí)現(xiàn)。LabVIEW作為一種虛擬儀器語言，主要用于數(shù)據(jù)采集、控制、分析、存儲(chǔ)和顯示，支持?jǐn)?shù)據(jù)采集卡和運(yùn)動(dòng)控制卡等儀器，具有實(shí)時(shí)性，符合實(shí)驗(yàn)裝置要求。

1.2.1 運(yùn)動(dòng)控制卡

運(yùn)動(dòng)控制卡是連接計(jì)算機(jī)和電動(dòng)機(jī)之間的橋梁，對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的位移、方向、速度等參數(shù)的精確控制均由運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)。使用深圳雷賽智能控制股份有限公司的DMC1380運(yùn)動(dòng)控制卡，PC端為Windows XP操作系統(tǒng)工作環(huán)境，參照使用說明完成對(duì)硬件的配置及驅(qū)動(dòng)程序的安裝。通過在LabVIEW軟件端調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)程序的DLL文件以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡的通信[12]。

1.2.2 電動(dòng)機(jī)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，電動(dòng)機(jī)要達(dá)到以下幾個(gè)條件：（1）能夠產(chǎn)生5～30 N的力；（2）最小步進(jìn)距離為5 μm；（3）功率≥100 W的伺服式直線電動(dòng)機(jī)；（4）速度和方向可調(diào)。本實(shí)驗(yàn)使用57JSFM1430P型號(hào)的伺服電動(dòng)機(jī)以及MCAC706-N全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器所能驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)功率范圍為32～200 W，電動(dòng)機(jī)功率為140 W。電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的最大速度是3 000 r/min，電動(dòng)機(jī)編碼線為4 000脈沖/r，因此通過換算后得到實(shí)驗(yàn)中電動(dòng)機(jī)的最大速度可達(dá)200 000脈沖/s，在頻率為0.5Hz的應(yīng)力作用下可以實(shí)現(xiàn)10～30kPa的載荷強(qiáng)度。

1.2.3 控制程序

編寫的基于LabVIEW控制程序分為電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的手動(dòng)控制和自動(dòng)控制2個(gè)部分，以方便不同的加壓形式，根據(jù)所需的加壓方式輸入相關(guān)參數(shù)后電動(dòng)機(jī)即可按要求運(yùn)動(dòng)，控制方便、直觀。手動(dòng)控制部分能實(shí)現(xiàn)任何形式的控制運(yùn)動(dòng)，雖然功能不受限制，但造成了人力資源的浪費(fèi)；自動(dòng)控制部分實(shí)現(xiàn)的功能是能夠使電動(dòng)機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。它與手動(dòng)控制部分的不同之處就是在疊層式順序結(jié)構(gòu)中增加了電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)和每個(gè)加載周期的間隔時(shí)間部分，同時(shí)增加了計(jì)時(shí)功能，超過總計(jì)時(shí)時(shí)間電動(dòng)機(jī)會(huì)自動(dòng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制程序流程如圖4所示。

圖4 電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制程序流程

程序中調(diào)用到的DLL庫(kù)函數(shù)主要有：（1）DWORD d1000_board_init（void）：為控制卡分配系統(tǒng)資源，并初始化控制卡；（2）DWORD d1000_get_command_pos（short axis）：得到當(dāng)前位置，并用于顯示實(shí)時(shí)位置；（3）DWORD d1000_start_t_move（short axis，long Dist，long StrVel，long MaxVel，double Tacc）：使電動(dòng)機(jī)以梯形速度曲線控制指定軸至運(yùn)行速度，并以相對(duì)坐標(biāo)運(yùn)行一段指定距離；（4）DWORD d1000_change_ speed（shortaxis，longNewVel）：改變當(dāng)前運(yùn)動(dòng)的速度；（5）DWORDd1000_board_close（void）函數(shù)：關(guān)閉控制卡，釋放系統(tǒng)資源。

1.3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊由嵌入于應(yīng)力加載裝置加壓腔室中的壓力傳感器產(chǎn)生模擬電壓信號(hào)，隨后將2路信號(hào)實(shí)時(shí)地傳送至USB-6008數(shù)據(jù)采集卡，通過在LabVIEW上編寫采集程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、顯示和存儲(chǔ)。

1.3.1 壓力傳感器

本裝置使用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的MPX5100AP壓力傳感器，其工作電壓為4.75～5.25 V，工作溫度為-40～125℃。在忽略誤差的情況下，壓強(qiáng)值（P）與輸出電壓值（Vout）之間的關(guān)系為：Vout=Vs×（0.009P-0.095）。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，5 V的電源電壓所對(duì)應(yīng)的輸出電壓的理論值約為4 V。

1.3.2 數(shù)據(jù)采集卡

使用NI公司的USB-6008采集卡，該采集卡所采集的信號(hào)類型為電壓信號(hào)；8路模擬輸入（12位，10 kS/s），2路模擬輸出（12位，150 S/s）；12路數(shù)字I/O；32位計(jì)數(shù)器；最大電壓范圍為-10～10 V；最大采樣率為10 kS/s；輸入分辨率為12位差分，11位單端。實(shí)驗(yàn)中對(duì)壓力傳感器信號(hào)的采集選取差分接線方式。將通道0的正輸入端連接傳感器的信號(hào)輸出端，負(fù)輸入端接地。再將采集卡的+5 V供電端連接傳感器的正電源輸入端，采集卡的GROUND端接壓力傳感器的負(fù)電源輸入端。

1.3.3 采集程序

在LabVIEW環(huán)境下控制的數(shù)據(jù)采集卡完成特定的功能都離不開數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序的支持，數(shù)據(jù)采集模塊的作用是完成信號(hào)的采集。其預(yù)備工作有：數(shù)據(jù)采集卡的安裝（USB熱插拔）、采集卡驅(qū)動(dòng)程序的安裝以及數(shù)據(jù)采集卡的自測(cè)試，計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別后，再進(jìn)行編程，程序主要分為以下幾個(gè)步驟：（1）創(chuàng)建虛擬通道子VI并在其對(duì)話框里選擇模擬輸入電壓；（2）采樣時(shí)鐘子VI，設(shè)置采樣頻率，輸出電壓最大、最小值（USB采集卡最大范圍是±10 V），采樣模式為有限點(diǎn)采集；（3）啟動(dòng)采集子程序子VI；（4）采集子程序VI，將數(shù)據(jù)從緩存中讀入存儲(chǔ)器；（5）除緩存，結(jié)束采集。

1.4 壓力加載系統(tǒng)的標(biāo)定

采用德國(guó)菲索AFRISO公司的手持式測(cè)壓儀對(duì)本發(fā)明的加載系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。將手持式測(cè)壓儀放入該加壓系統(tǒng)的加壓腔室中，通過加壓系統(tǒng)的基于PC的LabVIEW軟件控制程序?qū)η皇疫M(jìn)行加壓，交流伺服電動(dòng)機(jī)每向下旋進(jìn)25圈，LabVIEW軟件控制程序進(jìn)行一次壓力數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)讀取手持式測(cè)壓儀所測(cè)量的壓力值，對(duì)所采樣的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行直線線性擬合，比較加載裝置進(jìn)行加壓的過程中加壓系統(tǒng)壓力傳感器與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)壓計(jì)所測(cè)的壓力值。

2 結(jié)果

本研究設(shè)計(jì)了一套新型的動(dòng)態(tài)壓應(yīng)力加載系統(tǒng)，該加壓系統(tǒng)簡(jiǎn)易便攜，實(shí)用性良好；所施加壓力的波形、幅值、頻率均精確可控，確保該加壓系統(tǒng)能精確工作。對(duì)于提高成骨細(xì)胞力學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性具有重要意義。整個(gè)裝置的設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的要求，能夠在LabVIEW平臺(tái)通過手動(dòng)和自動(dòng)2種途徑驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生壓力，對(duì)內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定加壓并顯示實(shí)時(shí)位移變化值。而且運(yùn)用LabVIEW編程軟件編寫程序，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量壓力值的目的。采集結(jié)果如圖5所示。對(duì)該壓力加載系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如圖6所示。由圖可見，本研究設(shè)計(jì)的應(yīng)力加載系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)壓計(jì)所測(cè)的壓力值具有良好的匹配性，證實(shí)了該加壓裝置的良好工作精確性。

圖5 加壓條件下采集的信號(hào)

圖6 壓力加載系統(tǒng)的標(biāo)定

3 討論

本裝置旨在實(shí)現(xiàn)壓應(yīng)力加載的周期化、可控化和可測(cè)化。國(guó)內(nèi)外也有很多基于應(yīng)力加載裝置的設(shè)計(jì)研究[13-14]。對(duì)比來看，該裝置不僅具有普通氣壓加載裝置設(shè)備簡(jiǎn)單、細(xì)胞受力均勻等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

（1）該小型化裝置在實(shí)驗(yàn)中能夠置于細(xì)胞培養(yǎng)箱中，從而可以保證在適宜的細(xì)胞生長(zhǎng)環(huán)境中進(jìn)行力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

（2）壓力加載的速度、加壓位移、加壓時(shí)間可以通過程序前面板參數(shù)設(shè)置控制，采用往復(fù)運(yùn)動(dòng)達(dá)到自主的周期性加壓。應(yīng)力加載方式的不同對(duì)細(xì)胞的影響有所不同。一般認(rèn)為，周期性壓力對(duì)細(xì)胞增殖分化、功能及基因表達(dá)的作用明顯大于持續(xù)性應(yīng)力的作用。有文獻(xiàn)指出，周期性動(dòng)態(tài)壓縮在軟骨形成的早期階段對(duì)細(xì)胞數(shù)量的增加和生存能力的提高有明顯作用[15]。而該裝置就實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞的動(dòng)態(tài)周期性自主加壓。

（3）使用壓力傳感器，能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)壓力值的大小，壓力的作用準(zhǔn)確可靠；兼顧保存功能，能將采集的壓力信號(hào)以TDMS格式進(jìn)行記錄保存，并以Excel形式直觀顯現(xiàn)出來。設(shè)置電動(dòng)機(jī)自主運(yùn)動(dòng)且人離開的情況，便于之后調(diào)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或查看電動(dòng)機(jī)是否曾出現(xiàn)異常。

（4）裝置便攜，使用36 V和24 V直流電源適配器以及采集卡本身5 V電源分別對(duì)電動(dòng)機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡以及壓力傳感器進(jìn)行供電，不必考慮大型直流供電源的使用。

（5）軟件界面具有圖形化、動(dòng)態(tài)顯示、參數(shù)管理特點(diǎn)，使用方便，大大提高了控制和測(cè)量精度，并且便于二次開發(fā)。

4 結(jié)語

該空氣動(dòng)態(tài)載荷發(fā)生裝置操作簡(jiǎn)單、工作精確，且具有小型、便攜等優(yōu)勢(shì)，在骨骼細(xì)胞的力學(xué)生物學(xué)和力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

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（收稿：2014-04-21 修回：2014-08-09）

Design of dynamic compression load generator for bone cells

LIU Ge1,LUO Er-ping1,SHEN Guang-hao1,WANG Tian-bo2,ZHAI Ming-ming1,TONG Shi-chao1,JING Da1
（1.School of Biomedical Engineering,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China;2.School of Transportation and Logistics,Dalian University of Technology,Dalian 116024,Liaoning Province,China）

ObjectiveTo design a mechanical loading device with air pressure,which is employed for the investigation of in vitro skeletal cellular mechanotransduction.MethodsFirstly,the three-dimensional drawing for the structure of the device was performed using SolidWorks software,and the mechanical loading chamber was enclosed with the polymethyl methacrylate,which possessed excellent thermo-conduction property.Then,the PC-based LabVIEW control unit was programmed to drive the motor controller to make sure that the motion of the motor was controlled accurately.Finally,the pressure signals acquired by the sensor were sampled at real time by the PC-based LabView program through the DAQ card.ResultsThe mechanical loading device with air pressure was able to fit the size of the regular incubator for cell culture,and thus provided a favorable living environment for the in vitro cell growth,which might greatly increase the stability and repeatability for the in vitro experiment for cell mechanotransduction.Moreover,this device also exhibited excellent working stability.The motion of the actuator could be precisely controlled,and the signals of temperature and loads could be accurately acquired.ConclusionThe present mechanical loading system has unique advantages,such as the miniaturization and portability,etc,which may shed light for the study of mechanotranduction study and possess bright application potential for the future mechanotranduction investigation in bone cells.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（1）：1-4]

mechanical loading device;cellular mechanotransduction;servo-type actuator;pressure transducer;LabVIEW

R318.01；R318.6

A

1003-8868（2015）01-0001-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.01.001

陜西省自然科學(xué)基金（2014JQ4139）;國(guó)家自然科學(xué)基金（31270889）

劉 戈（1992—），女，主要研究方向?yàn)閼?yīng)力加載裝置的設(shè)計(jì)，E-mail：834711814@qq.com。

710032西安，第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院（劉 戈，羅二平，申廣浩，翟明明，佟世超，景 達(dá)）；116024遼寧大連，大連理工大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院（王天博）

景 達(dá)，E-mail：jingdaasq@126.com