基于電磁力檢測細(xì)胞粘附力的方法與檢測儀器

應(yīng)夢迪,夏秋婷,李 宏

(杭州電子科技大學(xué)生命信息與儀器工程學(xué)院,杭州 310018)

細(xì)胞粘附力是評價細(xì)胞生理特性的重要參數(shù),是研究細(xì)胞膜、細(xì)胞骨架的變形、彈性常數(shù)、粘彈性的重要參數(shù),是研究細(xì)胞生長、發(fā)育、成熟、增殖、衰老和死亡[1]的關(guān)鍵指標(biāo)。目前最常用的測試方法為微管吸吮技術(shù)MAT(Micropipette Aspiration Technique),原子力顯微鏡AFM(Atomic Force Microscope),光鑷(Optical Tweezer)等[2]。然而,上述各種測量方法雖然都有各自的優(yōu)點,但也存在不足之處,微管吸吮技術(shù)計算應(yīng)力采用理想的計算公式,忽略了細(xì)胞膜表面和微吸管表面存在一定的摩擦力,影響了測量的精度[3-6];AFM技術(shù)需要采用化學(xué)修飾來固定細(xì)胞,比較耗時間,存在熱漂移現(xiàn)象,需要專業(yè)人員進(jìn)行操作,限制了該方法的測量速度與范圍[7-11];光鑷技術(shù)實驗設(shè)置復(fù)雜,其測力范圍有限,只限測量低分離力、體積小的細(xì)胞[12-13]。

為更好地去表征細(xì)胞粘附力特性,并結(jié)合細(xì)胞粘附力微弱、易受細(xì)胞生理特性影響等的特征,本文基于磁場力學(xué)的原理,由DA轉(zhuǎn)換模塊控制電磁鐵電流的大小從而改變磁場,磁場對處理過的膜內(nèi)含有納米磁粉的細(xì)胞具有吸引力的作用,當(dāng)細(xì)胞的粘附力和磁場的作用力達(dá)到平衡的時候,通過測量磁場的吸引力就能間接測出細(xì)胞間的粘附力大小。

由此開發(fā)一套細(xì)胞粘附力測量的新方法與儀器,并通過Maxwell軟件對吸盤式電磁鐵進(jìn)行磁場仿真,將仿真數(shù)據(jù)和儀器測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對照分析,表明該技術(shù)具有一定的實用性。

1 材料與方法

1.1 細(xì)胞粘附力檢測方法分析

電磁鐵是通過電流來產(chǎn)生磁場的器件,電磁鐵的優(yōu)點在于能通過電流的大小來控制磁場的強弱,能通過改變電流方向改變磁場的方向[14]。其中,線圈通以直流電的電磁鐵稱為直流電磁鐵。

根據(jù)電磁吸力的麥克斯韋簡化公式可以求出電磁吸力。如果磁感應(yīng)強度B沿磁極表面上是均勻分布的,則電磁吸力的基本公式為[15]:

式中:F為電磁力(J/cm);B為磁感應(yīng)強度(Wb/cm2);S為磁極表面總面積(cm2);μ0為空氣磁導(dǎo)系數(shù),為1.25×10-8H/cm。

由直流電磁鐵自身特性可知,電流的大小和磁吸力大小呈近似線性的關(guān)系,因此可通過控制電流的大小來產(chǎn)生可變均勻磁場,使吞噬了一定量磁性納米粒子的細(xì)胞恰好分離,此時的磁場力大小為細(xì)胞間的粘附力大小。

根據(jù)以上電磁場理論和經(jīng)典公式為理論基礎(chǔ),結(jié)合本儀器特點,使用定制的吸盤式電磁鐵,其為規(guī)則的圓柱,直徑為D=20 mm,其將磁力提升到極致,小巧的體積能產(chǎn)生極大的吸附力,并且可以控制磁性有無、磁性強弱和磁極方向,如圖1所示,其中d=8 mm,H=15 mm,M3,P=6 mm。

圖1 吸盤式電磁鐵結(jié)構(gòu)圖

1.2 電磁力仿真方法

ANSYS Maxwell是一款電磁場仿真分析軟件,可對電磁鐵的磁場進(jìn)行仿真[16],對儀器所使用的吸盤式電磁鐵進(jìn)行Maxwell軟件仿真,分析其通電后周圍磁場力大小。具體仿真方法如下:

利用solidworks軟件等比例繪制如圖1所示的吸盤式電磁鐵模型,導(dǎo)入Maxwell軟件,設(shè)置求解器類型為靜磁場,定義線圈材料為銅,在YZ平面上創(chuàng)建激勵電流加載面,選中后加載電流激勵源,根據(jù)實際情況,激勵電流施加范圍為0.01 A～0.50 A,即可進(jìn)行磁場仿真。

1.3 磁性納米粒子

磁性納米粒子MNP(Magnetic Ilanoparticles,)由于其廣泛的應(yīng)用,一直以來都是研究的熱點[17],既具有納米材料所特有的性質(zhì),如粒徑小,比表面極大,偶連容量高,又具有磁響應(yīng)性及超順磁性[18-19]。將磁性氧化鐵納米粒子[20]與培養(yǎng)液混合均勻,細(xì)胞放入共培養(yǎng)一段時間后,納米顆粒能被細(xì)胞吞噬到細(xì)胞體內(nèi),并隨孵育時間的延長進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的磁性納米粒子越多。細(xì)胞體內(nèi)的磁性納米粒子能通過透射電子顯微鏡(TEM)直接觀測[21],將體內(nèi)具有磁性納米粒子的活性細(xì)胞置于可變磁場中,細(xì)胞就會受到磁場應(yīng)力的作用。

2 系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

2.1 總體系統(tǒng)設(shè)計

本發(fā)明一共分為5個模塊,DA轉(zhuǎn)換模塊,最小系統(tǒng)模塊,液晶觸摸屏模塊,輸出隔離模塊和電源模塊。DA轉(zhuǎn)換是這個系統(tǒng)的核心,它的精度決定了輸出電流的精度;控制器采用單片機STM32F103RBT6芯片,可根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計要求來重新優(yōu)化功能、存儲器、性能和引腳數(shù)量,以最小的硬件變化來滿足個性化的應(yīng)用需求;隔離模塊采用BS12W12模塊;電源采用LM2596,負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)所需電平的轉(zhuǎn)換。其總體系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 總體系統(tǒng)框圖

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

DA轉(zhuǎn)換模塊(如圖3)的基準(zhǔn)源由電源管理模塊提供,控制通過電磁鐵電流的大小從而改變磁場,DA轉(zhuǎn)換模塊分別接左右兩個電磁線圈,用于產(chǎn)生電磁場,對處理過的細(xì)胞進(jìn)行測量。

最小系統(tǒng)模塊(如圖4)選用STM32F103,STM32F103是32位ARM微控制器,該模塊是系統(tǒng)的運算與處理核心,控制DA轉(zhuǎn)換模塊與液晶控制模塊。

圖3 DA轉(zhuǎn)換模塊

圖4 最小系統(tǒng)模塊

液晶控制模塊是顯示界面與人機交互觸屏的接口;出于整個系統(tǒng)的安全考慮,對其輸出過壓、短路、過流保護(hù),增設(shè)輸出隔離模塊;電源管理模塊(如圖5)為主控芯片,為液晶控制模塊與隔離模塊提供電源,電源采用LM2596系列,是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3 A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片,它內(nèi)含固定頻率振蕩器(150 kHz)和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器(1.23 V),并具有完善的保護(hù)電路、電流限制、熱關(guān)斷電路等,利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。此外,該芯片還提供了工作狀態(tài)的外部控制引腳。

圖5 電源管理模塊

對于本裝置,可通過液晶觸摸的方式設(shè)置不同電流大小來改變磁場。然而,磁場是一個矢量(大小+方向),在不同的地方,大小不一樣。鑒于本項目的特殊性,將磁場計算測量的點放在無限接近電磁鐵的一端,并根據(jù)電磁吸力的麥克斯韋簡化公式求出電磁吸力。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

通過Microsoft Visual Stdio編寫的C#軟件,可以將下位機(細(xì)胞磁力吸引儀裝置)的數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦,方便用戶管理和實時調(diào)度,軟件支持常用的300 bit/s～115 200 bit/s波特率,能設(shè)置校驗、數(shù)據(jù)位和停止位,能以ASCII碼或十六進(jìn)制接收或發(fā)送任何數(shù)據(jù)或字符(包括中文),可以任意設(shè)定自動發(fā)送周期,并能將接收數(shù)據(jù)保存成文本文件,能發(fā)送任意大小的文本文件。

3 結(jié)果

3.1 仿真結(jié)果

使用電磁場仿真分析軟件ANSYS Maxwell對吸盤式電磁鐵進(jìn)行仿真,仿真后查看通入不同大小的電流后產(chǎn)生的磁場力結(jié)果分析,得到電流和磁力的對應(yīng)多組數(shù)據(jù)和曲線,如圖6所示。

圖6 Maxwell仿真電流-磁力對應(yīng)圖

3.2 實驗結(jié)果

圖7為細(xì)胞磁力吸引儀的實物圖,主機采用觸摸屏調(diào)節(jié)參數(shù),細(xì)準(zhǔn)焦螺旋來調(diào)節(jié)電磁鐵距離。

圖7 細(xì)胞磁力吸引儀實物圖

具體操作步驟如下:

將與磁性納米粒子完全結(jié)合的細(xì)胞夾在載玻片中,放入左電磁吸引力磁極和右電磁吸引力磁極之間,將整個裝置放入倒置顯微鏡的工作臺上,調(diào)整物鏡與目鏡的焦距,使得能看清被實驗的細(xì)胞形態(tài)。開起兩側(cè)的電磁吸引力磁極,磁場對細(xì)胞中的納米磁粉產(chǎn)生吸引力,調(diào)節(jié)控制面板的電流調(diào)整按鈕改變電流的大小,從而改變磁場磁力的大小,當(dāng)磁力達(dá)到正好將兩個細(xì)胞分離開時,這時液晶顯示屏上顯示的磁力就是單細(xì)胞間的粘附力。

對本儀器上電,不放置夾有細(xì)胞的載玻片,通過觸摸屏對電流大小進(jìn)行調(diào)節(jié),獲得細(xì)胞磁力吸引儀的電流-磁力對應(yīng)的測試數(shù)據(jù),由數(shù)據(jù)得到的對應(yīng)圖如圖8所示?？梢园l(fā)現(xiàn)通過改變電流的大小實現(xiàn)了磁力的相應(yīng)變化,當(dāng)放置夾有細(xì)胞的載玻片時,即可通過一邊改變電流,一邊觀察細(xì)胞間的粘附情況,當(dāng)細(xì)胞恰好分離時,相應(yīng)的磁力大小為其粘附力大小。

圖8 細(xì)胞磁力吸引儀電流-磁力對應(yīng)圖

3.3 討論

將對儀器通電后的實驗數(shù)據(jù)與仿真所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,可以發(fā)現(xiàn),仿真數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)存在一定的差異,但是在所通電流大小和磁力大小的關(guān)系趨勢上是很相似的。存在誤差的原因如下:①仿真所建模型只是與實驗所用吸盤式電磁鐵相似,具體在間隔距離等的設(shè)置上存在差異。②仿真所取0.01 A的梯度電流變化,所得精度較高,實驗數(shù)據(jù)精度較低,且所取數(shù)據(jù)組偏少。③實驗的磁力測量點是假設(shè)放在無限接近電磁體的一端,與仿真測量點有差異。④本儀器所運用的公式,是由麥克斯韋基本公式推導(dǎo)的,但在實際應(yīng)用過程中存在系統(tǒng)誤差,如由各電路板引起的電阻、電路采集頻率等,而仿真結(jié)果是精準(zhǔn)的純理論數(shù)據(jù),未考慮其他因素,相比較就會存在差異。

4 結(jié)論

本文基于磁性納米粒子和電磁原理開發(fā)了一種細(xì)胞粘附力檢測儀器,為測量粘附力提供了一種新的方法,通過改變電流大小從而改變磁場大小,得到相應(yīng)的細(xì)胞粘附力大小,具有無接觸式測量、不會對細(xì)胞造成損傷等優(yōu)點,該技術(shù)具有一定的實用性。但其實際應(yīng)用結(jié)果和仿真結(jié)果存在一定差異,在接下里的研究中可考慮對儀器中所用的電磁鐵進(jìn)行改進(jìn),以期進(jìn)一步提高儀器的精度。