膜式动态应力调制器力学特性分析与改善

　　新陈代谢是生命活动的基本特征,而组织细胞的增殖过程则是其新陈代谢的具体表现方式之一,因此,组织细胞增殖活动变化规律的研究也成为学者们共 同关注的课题。Wright[1]用膜式应变方式研究平滑肌细胞在拉伸应变作用下细胞内DNA合成量的变化,发现DNA的合成量有明显增加。 Brighton[2]在流动小室中同样以膜式应变原理观察应力应变对成骨细胞分化和代谢的影响,提出适当的应变量刺激可使成骨细胞的DNA合成量增加, 并且使其增殖过程变快。HPDLF是人牙周膜组织中最主要的细胞成分,它的增殖、分化和功能活动对生理条件下牙周组织的新陈代谢和正畸治疗过程中的牙周组 织改建都有着重要的影响[326]。为了研究细胞组织增殖活化结果与细胞应力的大小、性质、作用时间和频率之间的密切关系,进一步揭示细胞组织增殖活化变 化规律,需要提供频率、压力幅值任意可调的细胞薄膜应力,为此研制了DDC膜式变应力波细胞薄膜动态张应力试验系统[7]。该试验系统能在同一时段对来自 同一应力源的多个细胞样本进行实验研究,系统结构简单、成本低廉、调控方便、功能齐全,既能为实验细胞组织提供要求施加的静压力,又能提供在一定范围内频 率可变、应力幅值任意可调的细胞薄膜实验应力波。试验系统的核心装置是“细胞薄膜应力调制器”(以下简称应力调制器),采用机电液一体化技术设计,为了保 障应力调制器工作的可靠性和改善机构运动的平稳性,综合考虑系统的运动学、动力学特性以及计算机控制系统的特性,提出了区域位置控制调整应力波幅值的方 案。

　　1　应力调制器的结构和工作原理

　　图1所示为DDC膜式变应力波细胞薄膜动态张应力试验系统与应力调制器的结构简图。应力调制发生器由两轴连动的空间机构构成:其一是交流伺服系 统控制并驱动的调制盘,匀速和变速旋转运动为其主运动,通过DDC控制器可以实现调制盘转速的调控;其二是由步进电机带动的变应力液压工作台,变应力液压 工作台沿调制盘径向方向运动,通过改变调制盘和液压工作台的相对位置,可以动态地改变液压缸活塞的行程。空间机构之调制盘的转动和液压工作台活塞杆的相对 调制盘的径向移动,其运动合成后,形成液压缸变频和变压力幅值的动态压力波输出,经过压力微调和分压器分压之后送往终端细胞薄膜培养室,由弹性膜转换为变 应力波细胞薄膜动态张应力。

　　2　应力调制器的运动分析

　　应力调制器实现对输出应力波的幅值调制和频率调制,依赖于两轴联动的空间机构的二维运动的合成———调制盘的回转和液压缸活塞杆相对调制盘的径 向移动。图2表示了活塞杆与调制盘的位置和运动关系。活塞杆在弹簧力的作用下始终保持与调制盘接触,调制盘作回转运动,活塞杆在调制盘的推动下可以沿自身 的轴线作往复运动同时可以在步进电机驱动的直线运动装置的带动下沿调制盘径向方向移动,设调制盘瞬时回转角速度为ω,液压缸活塞杆中心与调制盘中心的距离 r(t),液压缸输出的压力为[7211]: