用于細(xì)胞培養(yǎng)的便攜式電刺激器設(shè)計與實(shí)現(xiàn)*

鄧維禮， 楮文俊， 黃欣杰

(1.西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

用于細(xì)胞培養(yǎng)的便攜式電刺激器設(shè)計與實(shí)現(xiàn)*

鄧維禮1， 楮文俊2， 黃欣杰2

(1.西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

設(shè)計了一種以STC89C51單片機(jī)為核心的數(shù)字化多功能電刺激器，可根據(jù)用戶需要產(chǎn)生直流、方波、正弦波、三角波和鋸齒波共5種類型的電刺激信號，同時可實(shí)現(xiàn)各個波形的幅值和頻率可調(diào)，其幅值輸出范圍為0～5 V，頻率范圍為0～10 kHz，實(shí)現(xiàn)相同溫度、濕度及培養(yǎng)基環(huán)境條件下，細(xì)胞培養(yǎng)過程中的電信號刺激以及高通量篩選。

電刺激器； 細(xì)胞培養(yǎng)； 單片機(jī)； 高通量

0 引 言

由于電刺激信號可以促進(jìn)細(xì)胞的增殖分化[1,2]，促進(jìn)組織的生長及傷口愈合，近年來，電刺激相關(guān)研究發(fā)展十分迅猛[3～5]。細(xì)胞培養(yǎng)電刺激器是為細(xì)胞生長提供電刺激的基本工具，細(xì)胞電刺激器的研制為研究細(xì)胞遷移、黏附、分化、代謝能力的變化機(jī)制以及電信號對人體組織生長的作用機(jī)制提供了良好的解決方案，因此,細(xì)胞培養(yǎng)電刺激器的研制具有重要的研究意義與應(yīng)用前景[6,7]。

能產(chǎn)生特定電壓或者電流的信號發(fā)生器是細(xì)胞培養(yǎng)電刺激器的重要組成部分。目前,實(shí)驗室的信號發(fā)生器雖然功能強(qiáng)大，但大多需要220 V電源供電，且體積較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴且不便于在特定的細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境中使用。

本文依據(jù)細(xì)胞培養(yǎng)的環(huán)境與特點(diǎn)以及電刺激信號的類型和大小，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種能產(chǎn)生特定電壓信號并適用于細(xì)胞培養(yǎng)的便攜式簡易小型多功能電刺激器，該電刺激器可在封閉環(huán)境中獨(dú)立工作，可輸出頻率、幅值及波形可調(diào)的電刺激信號，從而實(shí)現(xiàn)相同溫度、濕度及培養(yǎng)基環(huán)境條件下，細(xì)胞培養(yǎng)過程中的電信號刺激以及高通量篩選。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

細(xì)胞培養(yǎng)裝置的示意圖如圖1所示，整套裝置通過電刺激器產(chǎn)生不同的電信號，經(jīng)排線接入電路轉(zhuǎn)接板實(shí)現(xiàn)電信號的高通量產(chǎn)生，最后接入到培養(yǎng)板的每個孔內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對細(xì)胞的高通量刺激篩選。

電刺激器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，硬件系統(tǒng)主要由12 V直流干電池供電、電源模塊、單片機(jī)系統(tǒng)、DA處理電路、濾波整形電路、輸出電路等構(gòu)成。該電刺激器通過直流模塊和單片機(jī)模塊能夠同時產(chǎn)生直流和交流兩種不同類型的電信號。在交流部分，單片機(jī)是系統(tǒng)的控制核心，從單

圖1 細(xì)胞培養(yǎng)裝置示意圖

片機(jī)輸出的信號通過D/A處理電路轉(zhuǎn)換為模擬信號，經(jīng)過濾波整形后輸出。電刺激信號的輸出范圍可通過轉(zhuǎn)接板的電阻調(diào)節(jié)以及寫入單片機(jī)的程序控制，其幅值輸出范圍為0～5 V，頻率范圍為0～10 kHz。

圖2 電刺激器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 直流部分

考慮到用于細(xì)胞培養(yǎng)的電刺激器的使用環(huán)境具備恒溫、恒濕、無菌及密閉等特點(diǎn)，電刺激器應(yīng)盡量滿足體積小、無需外接電源、易封裝等要求，此款電刺激器設(shè)計制作了獨(dú)立電源模塊，用一組12 V干電池配合LM317[8]穩(wěn)壓芯片實(shí)現(xiàn)對單片機(jī)及電路元件的供電。其中直流部分，電源輸入經(jīng)LM317穩(wěn)壓之后直接通過電阻分壓,從而實(shí)現(xiàn)不同電壓的直流輸出，其工作原理圖如圖3所示。

圖3 直流模塊電路原理圖

2.2 交流部分

交流部分主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、功能選擇開關(guān)、D/A處理電路構(gòu)成。選用單片機(jī)的原因在于單片機(jī)的技術(shù)發(fā)展較為成熟，而且價格便宜，成本低廉，豐富的資源和工具有益于開發(fā)。單片機(jī)選用性價比較高的STC89C51芯片，其軟硬件功能較為完善，性能優(yōu)異穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)鍵盤讀入、LCD顯示、編程、信號幅度調(diào)整等功能[9]，對產(chǎn)生和選擇所需求的波形有明顯的優(yōu)勢。

單片機(jī)與功能選擇開關(guān)、電源電路、D/A電路相連。在功能選擇端選擇需要輸出的波形，并設(shè)置幅度和頻率等參數(shù)要求，用單片機(jī)計算并得到頻率和幅值的控制字，同時傳遞控制信號給數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832[10]，輸出的信號經(jīng)放大調(diào)整濾波之后從輸出電路輸出供給細(xì)胞培養(yǎng)板。為了保證輸出信號頻率較為穩(wěn)定，DA電路選用了分辨率為8位的轉(zhuǎn)換器DAC0832，從單片機(jī)輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)過采樣輸入，通過D/A轉(zhuǎn)換，結(jié)果由OUT輸出，再經(jīng)過放大調(diào)整選通電路實(shí)現(xiàn)信號幅度的放大和縮小，然后輸出到后級信號幅度調(diào)整電路。交流部分電路如圖4所示，圖中在D/A轉(zhuǎn)換系統(tǒng)后面設(shè)計了一個由兩級LM358組合運(yùn)算放大器組成的信號幅度可調(diào)的濾波整形電路。

圖4 交流模塊電路原理圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件的任務(wù)是根據(jù)上位單片機(jī)的指令完成信號的控制和輸出[11,12]，電刺激器采用C語言進(jìn)行軟件開發(fā)以增強(qiáng)可修改性，整個程序由初始化模塊、鍵盤輸入讀取模塊、波形產(chǎn)生信號輸出模塊等部分組成。

3.1 鍵盤掃描程序的設(shè)計

鍵盤掃描程序的作用是識別用戶對控制系統(tǒng)的操作，根據(jù)用戶所給的按鍵信息選定需要輸出的波形，以及實(shí)現(xiàn)對輸出波形頻率和幅值的控制，程序流程圖如圖5所示。

圖5 鍵盤掃描程序流程圖

3.2 波形產(chǎn)生程序的設(shè)計

波形產(chǎn)生程序是系統(tǒng)設(shè)計中交流部分的核心，方波、正弦波、三角波及鋸齒波四種波形的程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

4 實(shí)驗測試與結(jié)果分析

根據(jù)上述設(shè)計制作出電刺激器實(shí)物，并完成了相關(guān)測試。通過萬用表測量了直流部分在連續(xù)工作10 h范圍內(nèi)，輸出電壓隨時間的變化，如圖7所示。由圖可見，隨工作時間的增加，電源電壓逐步降低，但是，由于穩(wěn)壓芯片的作用，各個輸出節(jié)點(diǎn)的輸出電壓能夠保持恒定，為后續(xù)使用提供了穩(wěn)定的電壓。

圖7 直流電壓輸出特性

利用示波器對交流部分輸出的波形進(jìn)行了測量，分別得到信號的幅值和周期，結(jié)果如圖8所示，該電刺激器能夠產(chǎn)生不同頻率、不同幅度的正弦波、方波、三角波及鋸齒波。

圖8 交流信號波形測試結(jié)果

5 結(jié) 論

本文所設(shè)計的電刺激器以STC89C51單片機(jī)為核心，同時具備直流輸出和交流輸出兩種功能，并可根據(jù)使用需要產(chǎn)生方波、正弦波、三角波及鋸齒波4種波形，其幅值輸出范圍為0～5 V，頻率范圍為0～10 kHz。

依據(jù)實(shí)物測試結(jié)果，所設(shè)計的用于細(xì)胞培養(yǎng)的簡易小型多功能電刺激器，基本實(shí)現(xiàn)了多種波形的選擇，各個波形的幅值調(diào)節(jié)及頻率控制。該電刺激器克服了現(xiàn)有生物實(shí)驗室儀器的不足，不需要使用220 V電源進(jìn)行供電，具有獨(dú)立性好、便攜性好、功率低、干擾小及效率高等特點(diǎn)，使用方便，操作簡單，節(jié)省了人力和物力，為后續(xù)細(xì)胞培養(yǎng)的相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ)。

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Design and implementation of portable electrical stimulator for cell culturing*

DENG Wei-li1， CHU Wen-jun2， HUANG Xin-jie2

(1.School of Materials Science and Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China; 2.School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

A digital multifunction electrical stimulator based on MCU STC89C51 is designed,which can generate five different types of waves,direct current, sine wave, square wave,triangular wave and sawtooth wave,respectively.At the same time,the amplitude and frequency of each waveform can be adjusted according to the requirement of users.Its amplitude output range is 0～5 V,and the frequency range is 0～10 kHz.It is able to use to electrical signal stimulation and high throughput screening in cell culturing,under the same temperature,humidity and medium environment conditions.

electrical stimulator; cell culturing; MCU; high throughput

10.13873/J.1000—9787(2017)05—0113—03

2016—06—21

國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201510613009)

TP 399

A

1000—9787(2017)05—0113—03

鄧維禮(1983-)，男，碩士，工程師，主要從事微傳感器設(shè)計及信號處理工作。