基于ARM 的细胞压力加载装置的研制

刘冰

菏泽医学专科学校 （山东菏泽 274000）

人体内大部分细胞依据其所处微环境均暴露在各种生物机械力下[1]。生物体的器官、组织、细胞、亚细胞等各个层次的生命运动都是在一定力学环境中进行的。细胞作为生物体的基本单位，时刻受到这个力学环境的影响。细胞的增殖、形态变化及分泌功能等单个细胞的生物学活动，血管内皮细胞的收缩过程和肺泡细胞的呼吸过程，细胞活动机械信号的传导及基因的表达，这些细胞活动均是在一定的力学环境下进行的。贾如等[2]利用加载装置研究了不同大小动态载荷对牙周膜细胞线粒体发育及功能的影响。洪莎莎等[3]研究了microRNA-21对机械力作用下小鼠L929细胞增殖和凋亡的影响。因此，研究细胞的力学特性和重建细胞力学环境，对于生命科学具有极为深刻的意义。

重建细胞力学环境是为体外细胞构建其在体内生存时的力学环境，其原理是模拟体内细胞所处生物力学环境，构建一个适合体外细胞生存的力学环境，其实现方法包括离心力法、微观吮吸技术、流体剪切力法、微重力法、声波刺激法、微光速辐射法、基底拉伸法、压力载荷法等。本研究设计的基于ARM 的细胞压力加载装置采用的是一种压力载荷法，即向密闭培养皿内充加特定的气体并进行压力控制。本装置设计简单，培养皿内细胞受力均匀，应力易传递且不依赖于培养物与基底的结合状态，能在体外对离体细胞进行培养并进行压力加载实验。本装置采用三星S3C2440AL 高速ARM9处理器，能充分满足细胞压力加载相关控制操作需要，医学工作者利用本装置可有效地进行压力载荷法细胞压力实验。

1 细胞压力加载的原理

细胞压力加载的原理是在一个密闭培养皿内进行细胞培养，通过密闭培养皿的进气口和出气口向培养皿中加注或排放气体，使培养皿内的气体压力达到平衡。其中气体种类根据细胞培养的需要按比例配制，一般为二氧化碳、氧气、氮气、氦气和空气的混合气体。气体压力由电磁阀控制，压力的大小根据细胞压力实验的需要确定，一般在0～1 MPa 之间，可以是一个恒定的压力，也可以是一个变频和变幅的压力。

2 加载装置的构造

2.1 整体构造

细胞压力加载装置包括供排气系统、密闭培养皿、控制系统三大部分。细胞培养在密闭培养皿中进行，密闭培养皿要保持规定的压力；控制系统不断监测密闭培养皿的压力，根据需要向供排气系统发送供气或排气的指令；供排气系统根据指令启动电机或者阀门，向培养皿内供气或排气，使培养皿内达到规定的压力并保持平衡。细胞压力加载装置的整体构造见图1。

图1 细胞压力加载装置构造图

2.2 供排气系统

供排气系统是压力加载装置的机械系统，是整个装置的基础，由气源（钢瓶）、普通减压阀、精密减压阀、流量阀、电磁阀、直线步进电机组成。（1）气源：提供实验用混合气体，钢瓶内的气体压力一般在3～7 MPa 之间。（2）普通减压阀：将供气管内3～7 MPa 的气体压力调节至1 MPa 左右的一个稳定压力值。（3）精密减压阀：将供气管内1 MPa 左右的气体压力调节至接近培养皿内气体压力值。（4）流量阀：精密控制气体流量。（5）电磁阀：精密控制气管向培养皿内或培养皿外供气或排气的流量和流速。（6）直线步进电机：精密调节培养皿内气体压力或进行气压的变频和变幅调节。

2.3 控制系统

控制系统是压力加载装置的指挥系统，是控制装置按设定参数运行的中枢，由压力传感器、放大器、驱动电路、开发板、台式机组成。（1）压力传感器：检测培养皿内气体压力值，检测数据经放大器放大后传递给开发板。（2）放大器：放大压力传感器传来的压力信号，将放大后的压力信号传递给开发板。（3）驱动电路：为电磁阀动作提供指令。（4）开发板：接收并显示压力传感器检测到的气体压力，由开发板中的集成软件系统运算出结果，向电磁阀、直线步进电机发送动作指令。（5）台式机：功能与开发板相同，但可通过系统软件接管开发板的控制权。

2.4 各主要组件的选择

（1）普通减压阀：调节范围为1～8 MPa，误差＜1%，可手动操作，带压力表。（2）精密减压阀：调节范围为0～1 MPa，误差＜0.1%，选用柏勒夫公司生产的型号为T10的高精度精密减压阀。（3）流量阀：选用可手动调节流量和充气时间的阀门，采用山耐斯公司生产的精密型单向流量控制阀。（4）电磁阀：选择既可自动控制也可手动控制的型号。（5）开发板：选择基于ARM 模块的控制软件系统和控制操作面板，采用三星S3C2440AL 高速ARM9处理器。（6）台式机：选择能安装运行基于ARM 模块的控制软件系统的电脑。（7）与混合气体相关的钢瓶、管道、阀门、密闭培养皿的材质均要求符合无毒性、无污染、高洁净度医用卫生标准。

2.5 压力加载装置的运行

钢瓶中混合气体的压力一般为3～7 MPa，经普通减压阀调节至1 MPa 左右，再经精密减压阀调节为符合培养皿中细胞生存的压力并稳压，由流量阀和进气电磁阀控制以稳定的流量和压力向培养皿供气，并保持稳定的压力，实现模拟细胞在体内生长的力学环境。

当培养皿中的气体需换气时，由出气电磁阀控制以稳定的流量排气，同时进气电磁阀控制以相同的流量向培养皿补气，以保持培养皿内稳定的压力。

当培养皿中需要一定频率和振幅的压力时，由开发板通过功率放大器向直线步进电机发送运行指令，直线步进电机按指令运行，按规定的频率和压力振幅对气缸进行加压和减压，培养皿与气缸有管道连通，可实现培养皿内气体与气缸内气体的频率和振幅相同。

培养皿内放置有实验用体外细胞，其在模拟体内压力环境下生长繁殖，达到医学研究需求。

开发板内集成有控制应用软件，通过操作面板向供气系统发出操作指令，或者设置自动运行参数，发出自动运行指令。台式机的功能与开发板相同，但台式机对系统有优先控制权，可以在台式机上对实验进行监视和操作，即在必要时台式机可通过网线远程监控压力加载装置的运行情况，管理和操作更加方便。

压力加载装置运行的实时压力数据可以储存在开发板上配置的SD 上，也可以储存在台式机的硬盘上，还可以通过网络上传到网盘。

3 应用软件的开发

3.1 开发板的应用软件

集成在开发板中的控制应用软件有3个，其功能分别为监测培养皿中压力、控制电磁阀运行、控制直线步进电机运行。另外开发板与台式机的通信需要台式机的IP 地址。

软件对压力的监测和显示数据包括当前压力及一定时段内的平均压力、最大压力和最小压力，目的是观察压力的稳定性。

电磁阀和直线步进电机的运行包括手动模式和自动模式两种。（1）手动模式：操作者根据观测到的压力数据，判断实际压力与实验需求压力的差值，人工手动操作开发板上的指令按键，控制电磁阀或直线步进电机进行相关的动作。（2）自动模式：预先将实验需求压力参数输入开发板中，设定好运行参数，打开自动模式，开发板将接收到的压力监测数据与实验需求压力参数进行比对，对数据差异进行运算，根据运算结果自动发出操作指令，控制电磁阀或直线步进电机进行相关的动作。

开发板上应用软件的操作界面见图2。

图2 开发板上应用软件的操作界面

3.2 台式机的应用软件

台式机通过串行接口与开发板连接，通过数据交换协议与开发板实现通信，台式机的控制原理与开发板基本相同。当开发板与台式机共同使用时，台式机有优先控制权，台式机通过控制开发板进而控制电磁阀或直线步进电机进行相关的动作。台式机与开发板的通信需要开发板的IP 地址，可以在界面上设置。

台式机上应用软件的操作界面见图3。

图3 台式机上应用软件的操作界面

4 小结

该装置可用于多种压力实验：可以控制进气和出气电磁阀，使培养皿内保持稳定的静态压力，实现静态压力实验；也可以控制直线步进电机按一定的频率和行程驱动气缸活塞左右做往复运动，在细胞培养皿内形成一定频率、大小的周期性变化气压，实现动态压力实验；还可以在一段时间内保持直线步进电机静止，保持培养皿内稳定的静态压力，在另一段时间内控制直线步进电机按一定的频率和行程驱动气缸活塞左右做往复运动，在细胞培养皿内形成一定频率、大小的周期性变化气压，循环往复，实现静动态压力实验。因此，其可根据不同的控制方式实现不同的细胞力学环境，满足不同的实验需求。