專利名稱：紅細(xì)胞—固體壁面高速碰撞顯微可視化實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
紅細(xì)胞一固體壁面高速碰撞顯微可視化實(shí)驗(yàn)裝置
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種紅細(xì)胞一固體壁面高速碰撞顯微可視化實(shí)驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
心臟功能衰竭嚴(yán)重威脅患者生命。藥物治療和手術(shù)治療方法都難以取得明顯的效果，而器官移植治療又面臨著捐獻(xiàn)者過少的困難。為了取得更好的治療效果，醫(yī)學(xué)工作者和研究人員期望利用人工機(jī)械性血液泵來維持患者體內(nèi)的血液循環(huán)，挽救患者生命，改善生活質(zhì)量。然而，由于血液泵內(nèi)的葉片轉(zhuǎn)速高達(dá)幾千轉(zhuǎn)，甚至上萬轉(zhuǎn)，導(dǎo)致血液內(nèi)的紅細(xì)胞在高速運(yùn)動下和血液泵葉片、壁面等部件發(fā)生碰撞，進(jìn)而導(dǎo)致溶血，即紅細(xì)胞膜破裂，血紅蛋白發(fā)生游離，紅細(xì)胞無法正常工作，這也成為人工血液泵發(fā)展的瓶頸問題。傳統(tǒng)研究認(rèn)為血液泵內(nèi)紅細(xì)胞溶血是由于流動產(chǎn)生的剪切力導(dǎo)致的，而對于血液運(yùn)動中紅細(xì)胞與血液泵部 件高速碰撞導(dǎo)致的溶血鮮有研究，而且目前相關(guān)研究中紅細(xì)胞的流動速度較低，故而全面研究高速碰撞條件下紅細(xì)胞的溶血問題，具有十分重要的工程和學(xué)術(shù)意義。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種紅細(xì)胞一固體壁面高速碰撞顯微可視化實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)紅細(xì)胞一固體壁面高速碰撞的顯微可視化，觀測不同流速以及不同碰撞壁面條件下紅細(xì)胞的運(yùn)動過程以及與固體壁面發(fā)生碰撞的過程，并獲取大量運(yùn)動和碰撞過程中的瞬時圖像，對高速碰撞條件下的溶血進(jìn)行研究。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。一種紅細(xì)胞-固體壁面高速碰撞顯微可視化實(shí)驗(yàn)裝置，包括高速相機(jī)、光學(xué)顯微鏡、注射器、微量注射泵、圖像采集計算機(jī)、微通道、廢液收集杯和雙光源；微通道固定于載物臺上，入口孔與出口孔通過管路分別和注射器與廢液收集杯相連；注射器安裝在微量注射泵上；光學(xué)顯微鏡設(shè)置于微通道上方，高速相機(jī)設(shè)置于光學(xué)顯微鏡上方并和圖像采集計算機(jī)相連；雙光源設(shè)置于微通道的下方。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于所述注射器中裝載紅細(xì)胞懸浮液，實(shí)驗(yàn)時微通道內(nèi)紅細(xì)胞懸浮液的流動速度為O. lm/s-3m/s，流速較高，高于目前其他相關(guān)研究中的流速。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于微通道選用與血液和紅細(xì)胞生物相容性較好的材料。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于微通道的材質(zhì)為聚二甲基硅氧烷。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于所述雙光源為顯微光源和突光光源構(gòu)成的雙光源；光學(xué)顯微鏡中設(shè)置有濾光片。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于微通道呈T或Y形，微通道包括一個入口孔和兩個出口孔。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于光學(xué)顯微鏡對細(xì)胞運(yùn)動和碰撞過程進(jìn)行放大和觀測，高速相機(jī)用于獲取碰撞過程中的瞬態(tài)圖像，并在圖像采集計算機(jī)中進(jìn)行圖像輸出。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于在配制紅細(xì)胞懸浮液過程中，使用微米級內(nèi)徑過濾網(wǎng)對紅細(xì)胞懸浮液進(jìn)行多次過濾。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于實(shí)驗(yàn)中，每隔一段時間對注射器中紅細(xì)胞懸浮液進(jìn)行均勻化。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明建立了一種對血液泵內(nèi)紅細(xì)胞和固體壁面高速碰撞過程的模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)紅細(xì)胞-固體壁面高速碰撞的顯微可視化，觀測不同流速以及不同碰撞壁面條件下紅細(xì)胞的運(yùn)動過程以及與固體壁面發(fā)生碰撞的過程，并獲取大量運(yùn)動和碰撞過程中的瞬時圖像，對高速碰撞條件下的溶血進(jìn)行研究；為闡明溶血機(jī)理，建立溶血模型，確定影響參數(shù)等相關(guān)研究提供理論基礎(chǔ)和參考數(shù)據(jù)。本發(fā)明中，在動力系統(tǒng)的推動下，使紅細(xì)胞在實(shí)驗(yàn)微通道中流過，和微通道固體壁面發(fā)生高速碰撞；利用高速顯微成像系統(tǒng)對紅細(xì)胞的運(yùn)動和碰撞過程進(jìn)行觀測和成像；實(shí)驗(yàn)中微通道內(nèi)紅細(xì)胞懸浮液的測量流動速度范圍為O. lm/s-3m/s，流動速度較高，高于目前 其它相關(guān)研究中的流速(mm/s或cm/s量級)。由于紅細(xì)胞的尺寸在5_10 μ m左右，以及紅細(xì)胞的運(yùn)動速度較高，紅細(xì)胞的流動通道選擇尺寸為微米級的微通道。在選擇微通道的制作材料時，要充分考慮到血液和紅細(xì)胞的生物相容性。微通道分為T形微通道和Y形微通道兩種結(jié)構(gòu)(T形和Y形微通道分別代表著血液泵內(nèi)相對平坦的和相對彎曲的碰撞面)，而兩種不同結(jié)構(gòu)各自包含多種不同尺寸。以新鮮血液離心過濾制成的一定濃度下的紅細(xì)胞懸浮液作為實(shí)驗(yàn)流動溶液，通過微通道。以微量注射泵推動注射器作為動力系統(tǒng)，注射器盛載實(shí)驗(yàn)紅細(xì)胞懸浮液，利用微量注射泵的定?；蛘呙}動流量推動來實(shí)現(xiàn)一定流速下的實(shí)驗(yàn)。通過改變微量注射泵的流量，實(shí)現(xiàn)不同流速下的實(shí)驗(yàn)。以光學(xué)顯微鏡和高速相機(jī)以及計算機(jī)作為成像系統(tǒng)，利用光學(xué)顯微鏡對細(xì)胞運(yùn)動和碰撞過程進(jìn)行放大和觀測，利用高速相機(jī)獲取過程中的瞬態(tài)圖像，并在計算機(jī)中進(jìn)行圖像輸出。此外，為了使高速運(yùn)動中的成像區(qū)域更加明顯，在光學(xué)顯微鏡中裝設(shè)了濾光片，同時利用顯微光路和熒光光路結(jié)合的雙光路對視場進(jìn)行照亮，有效增加視場亮度，改善觀測和所獲圖像效果。本發(fā)明可以對紅細(xì)胞在微通道內(nèi)高速流動和碰撞過程進(jìn)行觀測，并獲取不同流速下的流動和碰撞圖像，可進(jìn)一步獲得紅細(xì)胞在運(yùn)動過程中的形態(tài)變化規(guī)律，為高速碰撞條件下的溶血研究提供必要依據(jù)。

圖I是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖；圖2是T形微通道結(jié)構(gòu)整體圖；圖3是T形微通道測試段局部放大圖；圖4是Y形微通道結(jié)構(gòu)整體圖；圖5是Y形微通道測試段局部放大圖。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。請參閱圖I至圖5所示，首先對微通道7進(jìn)行說明。微通道7結(jié)構(gòu)如圖2、3、4、5所示，其中T形和Y形微通道分別代表相對平坦和彎曲的碰撞壁面。微通道7的尺寸為微米級，可根據(jù)需要制作不同尺寸的微通道。在選擇微通道的制作材料時，要充分考慮到血液和紅細(xì)胞的生物相容性，可選擇與血液和紅細(xì)胞生物相容性較好的材料，優(yōu)選為PDMS(polydimethylsiloxane,聚二甲基娃氧燒)。實(shí)驗(yàn)中微通道7內(nèi)紅細(xì)胞懸浮液的測量流動速度范圍為O. lm/s-3m/s，流動速度較高，高于目前其他相關(guān)研究中的流速。請參閱圖I所示，本發(fā)明一種紅細(xì)胞一固體壁面高速碰撞顯微可視化實(shí)驗(yàn)裝置，包括高速相機(jī)I、光學(xué)顯微鏡2、注射器3、微量注射泵4、圖像采集計算機(jī)5、微通道7、廢液收集杯8和雙光源9，10。微通道7固定于載物臺上，含有一個入口孔71和兩個出口孔72，入口孔71與出口孔72通過管路6分別和注射器3與廢液收集杯8相連。工作時，紅細(xì)胞懸浮液在動力作用下從入口孔71流入，經(jīng)過微通道7內(nèi)部，進(jìn)而從出口孔72流出至廢液收集杯8。參照圖1，實(shí)驗(yàn)裝置動力系統(tǒng)包括微量注射泵4和注射器3。注射器3裝置在微量注射泵4上，并通過管路和微通道入口孔相連。將配制好的紅細(xì)胞懸浮液承載于注射器3中，在微量注射泵4的動力作用下，在微通道內(nèi)形成紅細(xì)胞懸浮液的定?；蛘呙}動流動。在配制紅細(xì)胞懸浮液的過程中，使用過濾網(wǎng)對紅細(xì)胞懸浮液進(jìn)行多次過濾，有效防止雜質(zhì)對 實(shí)驗(yàn)的干擾。每隔一段時間，需要對注射器3中的紅細(xì)胞懸浮液進(jìn)行均勻化，以防止?jié)舛确謱訉?shí)驗(yàn)產(chǎn)生的影響?？梢酝ㄟ^改變微量注射泵4的流量設(shè)置，來實(shí)現(xiàn)不同流速下的實(shí)驗(yàn)，獲得結(jié)果進(jìn)行對比。參照圖1，實(shí)驗(yàn)裝置成像系統(tǒng)包括光學(xué)顯微鏡2，高速相機(jī)I以及圖像采集計算機(jī)5。光學(xué)顯微鏡2設(shè)置于微通道7上方，利用光學(xué)顯微鏡2對微通道7內(nèi)紅細(xì)胞流動及碰撞過程進(jìn)行放大和直接觀測。高速相機(jī)I和圖像采集計算機(jī)5相連，高速相機(jī)I設(shè)置于光學(xué)顯微鏡2上方，通過高速相機(jī)I對經(jīng)過光學(xué)顯微鏡2放大后的流動和碰撞圖像進(jìn)行獲取，并利用圖像采集計算機(jī)5進(jìn)行圖像輸出，在一種流速工況下可獲取多組圖像。光學(xué)顯微鏡2中設(shè)置有濾光片，采用顯微光源9和熒光光源10相結(jié)合的雙光路對視場進(jìn)行照亮，從而有效增加視場亮度，改善圖像質(zhì)量。從而實(shí)現(xiàn)紅細(xì)胞一固體壁面高速碰撞實(shí)驗(yàn)的顯微可視化。實(shí)驗(yàn)裝置工作時，開啟微量注射泵4，設(shè)置流量，推動注射器3，紅細(xì)胞懸浮液在微通道7內(nèi)形成定常流動。利用光學(xué)顯微鏡2進(jìn)行觀察，高速相機(jī)I進(jìn)行成像，圖像采集計算機(jī)5采集數(shù)據(jù)并輸出圖像。通過實(shí)驗(yàn)，對紅細(xì)胞的運(yùn)動過程和與固體壁面的高速碰撞過程進(jìn)行觀測，獲得紅細(xì)胞的運(yùn)動和變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了紅細(xì)胞一固體壁面高速碰撞的顯微可視化，對高速碰撞條件下的溶血進(jìn)行研究；通過改變流速，對紅細(xì)胞運(yùn)動速度對溶血的影響進(jìn)行研究；通過不同結(jié)構(gòu)微通道的實(shí)驗(yàn)，對碰撞壁面結(jié)構(gòu)特征對溶血的影響進(jìn)行研究，為高速碰撞條件下的溶血研究提供理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種紅細(xì)胞一固體壁面高速碰撞顯微可視化實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于包括高速相機(jī)(I)、光學(xué)顯微鏡(2)、注射器(3)、微量注射泵(4)、圖像采集計算機(jī)(5)、微通道(7)、廢液收集杯(8)和雙光源(9，10);微通道(7)固定于載物臺上，入口孔(71)與出口孔(72)通過管路分別和注射器(3)與廢液收集杯(8)相連；注射器(3)安裝在微量注射泵(4)上；光學(xué)顯微鏡(2 )設(shè)置于微通道(7 )上方，高速相機(jī)(I)設(shè)置于光學(xué)顯微鏡(2 )上方并和圖像采集計算機(jī)(5)相連；雙光源設(shè)置于微通道(7)的下方。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種紅細(xì)胞一固體壁面高速碰撞顯微可視化實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述注射器中裝載紅細(xì)胞懸浮液，實(shí)驗(yàn)時微通道(7)內(nèi)紅細(xì)胞懸浮液的流動速度為 O. lm/s_3m/s。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的紅細(xì)胞一固體壁面高速碰撞顯微可視化實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于微通道(7)選用與血液和紅細(xì)胞具有生物相容性的材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的紅細(xì)胞一固體壁面高速碰撞顯微可視化實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于微通道(7)的材質(zhì)為聚二甲基硅氧烷。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的紅細(xì)胞一固體壁面高速碰撞顯微可視化實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述雙光源為顯微光源(9)和突光光源(10)構(gòu)成的雙光源；光學(xué)顯微鏡(2)中設(shè)置有濾光片。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的紅細(xì)胞一固體壁面高速碰撞顯微可視化實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于微通道(7)呈T或Y形，微通道(7)包括一個入口孔(71)和兩個出口孔(72)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的紅細(xì)胞-固體壁面高速碰撞顯微可視化實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于光學(xué)顯微鏡(2)對細(xì)胞運(yùn)動和碰撞過程進(jìn)行放大和觀測，高速相機(jī)(I)用于獲取高速碰撞過程中的瞬態(tài)圖像，并在圖像采集計算機(jī)(5)中進(jìn)行圖像輸出。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的紅細(xì)胞-固體壁面高速碰撞顯微可視化實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于在配制紅細(xì)胞懸浮液過程中，使用微米級內(nèi)徑過濾網(wǎng)對紅細(xì)胞懸浮液進(jìn)行多次過濾。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的紅細(xì)胞一固體壁面高速碰撞顯微可視化實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于實(shí)驗(yàn)中，每隔一段時間對注射器中紅細(xì)胞懸浮液進(jìn)行均勻化。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種紅細(xì)胞—固體壁面高速碰撞顯微可視化實(shí)驗(yàn)裝置，包括高速相機(jī)、光學(xué)顯微鏡、注射器、微量注射泵、圖像采集計算機(jī)、微通道、廢液收集杯和光源；微通道固定于載物臺上，入口孔與出口孔通過管路分別和注射器與廢液收集杯相連；注射器安裝在微量注射泵上；光學(xué)顯微鏡設(shè)置于微通道上方，高速相機(jī)設(shè)置于光學(xué)顯微鏡上方并和圖像采集計算機(jī)相連；光源設(shè)置于微通道的下方；所述注射器中裝載紅細(xì)胞懸浮液，實(shí)驗(yàn)時微通道內(nèi)紅細(xì)胞懸浮液的流動速度為0.1m/s-3m/s。本發(fā)明可對紅細(xì)胞運(yùn)動中，在高速碰撞條件下溶血損傷進(jìn)行顯微可視化研究，獲得紅細(xì)胞的形態(tài)變化規(guī)律，為高速碰撞條件下的溶血研究提供理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。
文檔編號G01N21/84GK102879399SQ20121036104
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月25日
發(fā)明者謝永慧, 李平, 鄭璐, 張荻 申請人:西安交通大學(xué)