基于电磁力检测细胞粘附力的方法与检测仪器

应梦迪,夏秋婷,李 宏

(杭州电子科技大学生命信息与仪器工程学院,杭州 310018)

细胞粘附力是评价细胞生理特性的重要参数,是研究细胞膜、细胞骨架的变形、弹性常数、粘弹性的重要参数,是研究细胞生长、发育、成熟、增殖、衰老和死亡[1]的关键指标。目前最常用的测试方法为微管吸吮技术MAT(Micropipette Aspiration Technique),原子力显微镜AFM(Atomic Force Microscope),光镊(Optical Tweezer)等[2]。然而,上述各种测量方法虽然都有各自的优点,但也存在不足之处,微管吸吮技术计算应力采用理想的计算公式,忽略了细胞膜表面和微吸管表面存在一定的摩擦力,影响了测量的精度[3-6];AFM技术需要采用化学修饰来固定细胞,比较耗时间,存在热漂移现象,需要专业人员进行操作,限制了该方法的测量速度与范围[7-11];光镊技术实验设置复杂,其测力范围有限,只限测量低分离力、体积小的细胞[12-13]。

为更好地去表征细胞粘附力特性,并结合细胞粘附力微弱、易受细胞生理特性影响等的特征,本文基于磁场力学的原理,由DA转换模块控制电磁铁电流的大小从而改变磁场,磁场对处理过的膜内含有纳米磁粉的细胞具有吸引力的作用,当细胞的粘附力和磁场的作用力达到平衡的时候,通过测量磁场的吸引力就能间接测出细胞间的粘附力大小。

由此开发一套细胞粘附力测量的新方法与仪器,并通过Maxwell软件对吸盘式电磁铁进行磁场仿真,将仿真数据和仪器测试数据进行对照分析,表明该技术具有一定的实用性。

1 材料与方法

1.1 细胞粘附力检测方法分析

电磁铁是通过电流来产生磁场的器件,电磁铁的优点在于能通过电流的大小来控制磁场的强弱,能通过改变电流方向改变磁场的方向[14]。其中,线圈通以直流电的电磁铁称为直流电磁铁。

根据电磁吸力的麦克斯韦简化公式可以求出电磁吸力。如果磁感应强度B沿磁极表面上是均匀分布的,则电磁吸力的基本公式为[15]:

式中:F为电磁力(J/cm);B为磁感应强度(Wb/cm2);S为磁极表面总面积(cm2);μ0为空气磁导系数,为1.25×10-8H/cm。

由直流电磁铁自身特性可知,电流的大小和磁吸力大小呈近似线性的关系,因此可通过控制电流的大小来产生可变均匀磁场,使吞噬了一定量磁性纳米粒子的细胞恰好分离,此时的磁场力大小为细胞间的粘附力大小。

根据以上电磁场理论和经典公式为理论基础,结合本仪器特点,使用定制的吸盘式电磁铁,其为规则的圆柱,直径为D=20 mm,其将磁力提升到极致,小巧的体积能产生极大的吸附力,并且可以控制磁性有无、磁性强弱和磁极方向,如图1所示,其中d=8 mm,H=15 mm,M3,P=6 mm。

图1 吸盘式电磁铁结构图

1.2 电磁力仿真方法

ANSYS Maxwell是一款电磁场仿真分析软件,可对电磁铁的磁场进行仿真[16],对仪器所使用的吸盘式电磁铁进行Maxwell软件仿真,分析其通电后周围磁场力大小。具体仿真方法如下:

利用solidworks软件等比例绘制如图1所示的吸盘式电磁铁模型,导入Maxwell软件,设置求解器类型为静磁场,定义线圈材料为铜,在YZ平面上创建激励电流加载面,选中后加载电流激励源,根据实际情况,激励电流施加范围为0.01 A～0.50 A,即可进行磁场仿真。

1.3 磁性纳米粒子

磁性纳米粒子MNP(Magnetic Ilanoparticles,)由于其广泛的应用,一直以来都是研究的热点[17],既具有纳米材料所特有的性质,如粒径小,比表面极大,偶连容量高,又具有磁响应性及超顺磁性[18-19]。将磁性氧化铁纳米粒子[20]与培养液混合均匀,细胞放入共培养一段时间后,纳米颗粒能被细胞吞噬到细胞体内,并随孵育时间的延长进入细胞内的磁性纳米粒子越多。细胞体内的磁性纳米粒子能通过透射电子显微镜(TEM)直接观测[21],将体内具有磁性纳米粒子的活性细胞置于可变磁场中,细胞就会受到磁场应力的作用。

2 系统设计实现

2.1 总体系统设计

本发明一共分为5个模块,DA转换模块,最小系统模块,液晶触摸屏模块,输出隔离模块和电源模块。DA转换是这个系统的核心,它的精度决定了输出电流的精度;控制器采用单片机STM32F103RBT6芯片,可根据产品设计要求来重新优化功能、存储器、性能和引脚数量,以最小的硬件变化来满足个性化的应用需求;隔离模块采用BS12W12模块;电源采用LM2596,负责整个系统所需电平的转换。其总体系统框图如图2所示。

图2 总体系统框图

2.2 系统硬件设计

DA转换模块(如图3)的基准源由电源管理模块提供,控制通过电磁铁电流的大小从而改变磁场,DA转换模块分别接左右两个电磁线圈,用于产生电磁场,对处理过的细胞进行测量。

最小系统模块(如图4)选用STM32F103,STM32F103是32位ARM微控制器,该模块是系统的运算与处理核心,控制DA转换模块与液晶控制模块。

图3 DA转换模块

图4 最小系统模块

液晶控制模块是显示界面与人机交互触屏的接口;出于整个系统的安全考虑,对其输出过压、短路、过流保护,增设输出隔离模块;电源管理模块(如图5)为主控芯片,为液晶控制模块与隔离模块提供电源,电源采用LM2596系列,是美国国家半导体公司生产的3 A电流输出降压开关型集成稳压芯片,它内含固定频率振荡器(150 kHz)和基准稳压器(1.23 V),并具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等,利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。此外,该芯片还提供了工作状态的外部控制引脚。

图5 电源管理模块

对于本装置,可通过液晶触摸的方式设置不同电流大小来改变磁场。然而,磁场是一个矢量(大小+方向),在不同的地方,大小不一样。鉴于本项目的特殊性,将磁场计算测量的点放在无限接近电磁铁的一端,并根据电磁吸力的麦克斯韦简化公式求出电磁吸力。

2.3 系统软件设计

通过Microsoft Visual Stdio编写的C#软件,可以将下位机(细胞磁力吸引仪装置)的数据发送到电脑,方便用户管理和实时调度,软件支持常用的300 bit/s～115 200 bit/s波特率,能设置校验、数据位和停止位,能以ASCII码或十六进制接收或发送任何数据或字符(包括中文),可以任意设定自动发送周期,并能将接收数据保存成文本文件,能发送任意大小的文本文件。

3 结果

3.1 仿真结果

使用电磁场仿真分析软件ANSYS Maxwell对吸盘式电磁铁进行仿真,仿真后查看通入不同大小的电流后产生的磁场力结果分析,得到电流和磁力的对应多组数据和曲线,如图6所示。

图6 Maxwell仿真电流-磁力对应图

3.2 实验结果

图7为细胞磁力吸引仪的实物图,主机采用触摸屏调节参数,细准焦螺旋来调节电磁铁距离。

图7 细胞磁力吸引仪实物图

具体操作步骤如下:

将与磁性纳米粒子完全结合的细胞夹在载玻片中,放入左电磁吸引力磁极和右电磁吸引力磁极之间,将整个装置放入倒置显微镜的工作台上,调整物镜与目镜的焦距,使得能看清被实验的细胞形态。开起两侧的电磁吸引力磁极,磁场对细胞中的纳米磁粉产生吸引力,调节控制面板的电流调整按钮改变电流的大小,从而改变磁场磁力的大小,当磁力达到正好将两个细胞分离开时,这时液晶显示屏上显示的磁力就是单细胞间的粘附力。

对本仪器上电,不放置夹有细胞的载玻片,通过触摸屏对电流大小进行调节,获得细胞磁力吸引仪的电流-磁力对应的测试数据,由数据得到的对应图如图8所示。可以发现通过改变电流的大小实现了磁力的相应变化,当放置夹有细胞的载玻片时,即可通过一边改变电流,一边观察细胞间的粘附情况,当细胞恰好分离时,相应的磁力大小为其粘附力大小。

图8 细胞磁力吸引仪电流-磁力对应图

3.3 讨论

将对仪器通电后的实验数据与仿真所得数据进行比较,可以发现,仿真数据和实验数据存在一定的差异,但是在所通电流大小和磁力大小的关系趋势上是很相似的。存在误差的原因如下:①仿真所建模型只是与实验所用吸盘式电磁铁相似,具体在间隔距离等的设置上存在差异。②仿真所取0.01 A的梯度电流变化,所得精度较高,实验数据精度较低,且所取数据组偏少。③实验的磁力测量点是假设放在无限接近电磁体的一端,与仿真测量点有差异。④本仪器所运用的公式,是由麦克斯韦基本公式推导的,但在实际应用过程中存在系统误差,如由各电路板引起的电阻、电路采集频率等,而仿真结果是精准的纯理论数据,未考虑其他因素,相比较就会存在差异。

4 结论

本文基于磁性纳米粒子和电磁原理开发了一种细胞粘附力检测仪器,为测量粘附力提供了一种新的方法,通过改变电流大小从而改变磁场大小,得到相应的细胞粘附力大小,具有无接触式测量、不会对细胞造成损伤等优点,该技术具有一定的实用性。但其实际应用结果和仿真结果存在一定差异,在接下里的研究中可考虑对仪器中所用的电磁铁进行改进,以期进一步提高仪器的精度。