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细胞力学脉动流实验方法与测控系统研究

邹远文  
【摘要】: 细胞力学是生物力学近几年来发展十分迅速的一个前沿领域,也是组织工程学的一个重要组成部分。细胞力学中的一个热点是研究机械力对细胞功能的影响,其中关键性技术是构建对细胞加载机械力的实验系统。从研究与发展细胞力学实验测控技术角度,针对国内外现有流动小室实验系统研究中,尚未存在能够提供近生理动脉脉动流环境、且未进行该条件下的细胞力学研究现状,论文开展了近生理脉动流细胞实验系统的研究,同时进行了初步的细胞实验工作。论文工作的主要研究内容和特色如下: 1 本文在分析细胞实验方法中的测控技术基础上,通过对虚拟仪器技术的研究,设计并实现了以数据采集系统为核心的脉动流测控平台,不但在细胞脉动流实验中使用,还应用于其它细胞实验研究,以及其它实验研究中,表明以虚拟仪器的体系结构建立的测控系统,具有适应性强、使用灵活方便的特点,为细胞力学实验研究中测控系统的设计和实现,提出了一种复用性好、组建灵活的构造方法。 2 研制了直线电机及其功率驱动器,作为细胞脉动流实验驱动源。选择直线电机活塞驱动方式,不但能方便地产生脉动流,同时驱动源与细胞实验循环回路之间的相互隔离,避免对细胞可能产生的污染。该直线电机控制方便,稳定性好、频响范围宽,适应脉动流实验时的各种频率需求。 研制了模块化可程控增益小信号放大器,完成压力、温度、位移的信号调理,可程控功能起到了提高数据转化精度的目的,模块化使放大暑的组建和使用方便灵活。 设计了循环回路流体加热单元及其控制器,使细胞处于适合的温度环境中,保证了实验过程中细胞的生物活性,满足了对细胞长时间实验的要求。 四);I大学博士学位论文 3 设计并构建了分布式步进电机控制系统。以单片机作为步进电机控制 器,异步串口作为上位控制计算机与步进电机控制器的通讯接口,该系统可扩 展性强、构造灵活、编程控制方便,为多种细胞实验(如基底拉伸方法),建立 了有效的控制手段。 4 组建了细胞显微镜图像自动采集系统。细胞实验过程中,对细胞显微镜 图像的定时与原位采集,可方便地监视细胞状态,减轻实验人员工作强度,并 为细胞形态学的研究,提供了有效的数据获取方式。 5 针对细胞力学实验的特点,以基于局域网的实验远程监视方式,改进了 实验监视模式,减少实验人员对细胞实验环境的影响,同时也使实验人员在远 处随时掌握实验的进程与状况。 6 应用了UML和组件技术,UML可使软件设计时描述清晰、实现方便, 组件的使用提高了软件复用的可能性和方便性,对虚拟仪器软件的开发提供了 有力的支持。 7 通过开展细胞实验,表明本文所研制的细胞脉动流实验系统,可对细胞 施加脉动剪切应力的作用,同时细胞在长时间的实验过程中,仍然保持了生物 活性。细胞脉动流实验系统的建立,为细胞进行近生理的脉动剪切应力提供了 实验条件,对发展细胞力学实验手段具有重要的意义。


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