具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

一种如图1-2所示的平面细胞的加载装置，主要包括加载板14、以及从上到下依次布置的用于与外界环境隔绝的透明盖11、用于细胞培养的培养板12、用于提供支撑和气室的加载底座15。如图1所示，假设x轴所在方向为第一方向，y轴所在方向为第二方向，z轴与x轴和y轴正交。培养板12可以设有细胞培养孔122，本文以六个细胞培养孔122为例进行介绍，多个细胞培养孔便于同时进行多组实验。

其中，细胞培养孔122通过在孔底设置加载膜124用以承载细胞，培养板12中的细胞培养孔122是6个单独的细胞培养仓，细胞在其中培养。细胞培养孔122是一个去顶去底的空心的圆筒，圆筒的内壁面固定连接有环状的培养板凸台125，培养板凸台125向圆筒的径向的内部延伸，其作用是将加载膜124固定在细胞培养孔122上，加载膜124与位于培养板凸台125上部的细胞培养孔122的四周形成密封。位于培养板凸台125平面上的加载膜124将细胞培养孔122的孔壁分隔为两部分，位于培养板凸台125下部的细胞培养孔122和加载膜124形成了圆盖空间，其可以套在加载台的顶部，便于加载台定位。培养板12中的培养板正面肋板123和培养板反面肋板126连接在细胞培养孔122之间，细胞培养孔与外框之间，使得培养板12的厚度之间没有气体通过，增加了结构的强度，又使培养板将透明盖和加载底座分隔开，放在加载底座15上时，形成了气室，气室用来接收压强。

其中，如图7-9所示，培养板12的外框的截面整体上是一个围绕六个细胞培养孔122的壳状的长方体，透明盖11是一个底面具有开口的壳状的长方体。透明盖11套在培养板12的顶部，使用时，透明盖使用本领域的装夹工装压向培养板，培养板受压，透明盖与培养板接触连接，两者并不发生相对移位，且二者之间不需要密封。

优选的，培养板12包括外框，外框的内部固定连接有细胞培养孔122。透明盖11的形状与培养板12的外框形状相配，透明盖11使用时扣在培养板12上保证培养板12与外部环境隔绝。本文以外框为高度方向上开有通孔的长方体、即长方形的框架为例进行介绍。

优选的，培养板12的外框的两个侧面之间设有培养板倒角121，即外框的一个竖直放置的边长做倒角处理。同理透明盖11的对应位置设有透明盖倒角111，使培养板12和透明盖11的四角处有一角被削下。培养板倒角121与透明盖倒角111相配合，使得透明盖不会在水平面内移动，透明盖起到阻隔环境污染、保护细胞的作用。

优选的，培养板12的外框在竖直面上的截面形状为L型，外部形成台阶面，便于透明盖11的底面搭接在该台阶面上，进一步保护培养板。

如图13-14所示，加载底座15为顶部具有开口的腔体，用于提供支撑和气室。加载底座15呈空心的长方体，培养板12封装腔体。

优选的，培养板12通过密封圈13与加载底座15进行密封连接。密封圈13的截面形状为L型，在密封圈的内部形成了内圈台阶131。培养板12中的底面与密封圈13的内圈台阶131相配合，起到密封的作用；加载底座15中的密封圈安装面152与密封圈13的密封圈底部132相配合，起到密封的作用。更为具体的，加载底座15的顶部即密封圈安装面152设置有一圈密封凸台。如图10所示，密封圈13的截面形状为L型，密封圈的内壁面包围培养板的外表面和底面，密封凸台的内壁面包围密封圈的外壁面，密封圈的底面搭接在加载底座上。使得密封圈13夹于培养板12的底面和加载底座15的顶面之间，并夹于培养板12的外表面和密封凸台的内壁面之间。

加载板14整体是一个平板，平板的上部凸出有与细胞培养孔122的数量相对应的加载台，加载板设置在加载底座的内部。加载板14设有位于加载膜124的下方的加载台。加载台不完全遮挡加载膜124，使得加载膜124只有部分与加载台接触。气室经过加载板14上的通孔为培养板12提供负压力，透明盖11通过本领域常用的装夹工装向下压住，从而与培养板12紧密接触，细胞培养孔122也与透明盖11紧密接触，不需要额外的密封。加载台的形状是本领域的现有技术，优选选用后文图3-4介绍的第一种加载板和第二种加载板。加载台的作用在于，为加载膜构建细胞受力的受力条件。

优选的，加载底座15设有向腔体的内部延伸的气室凸台151，加载板14活动搭接到气室凸台151上。气室凸台151可以设置在加载底座的内部的相对布置的一对内壁面上。气室凸台151的顶面与加载板14的底面相配合，加载板的四周与加载底座的四周相配合，起到定位的作用，除此之外，气室凸台151将加载板14抬高而使之不与加载底座的最低面接触，从而形成了气道。拆卸加载板14时，只需将夹持工装松开，使透明盖11和培养板12之间没有压紧力从而失去连接，便可取下透明盖11和培养板12，最后可以通过手放在加载板14上的通孔处以便于取出加载板。这样对于不同结构的加载台的加载板14更换十分方便。

其中，加载板14开有通孔，便于气室内气体穿过加载板加压到加载膜上。

优选的，通孔设置在加载板14的边缘处，也就是加载板14的一个边的因加工通孔从而部分边被去除，这样通孔不仅具有通气的作用，还能便于手持通孔从而将加载板与加载底座分离。

在本发明的一个优选实施例中，如图3-4、图11-12所示，加载装置设有两个加载板14，分别设置为第一种加载板141和第二种加载板142，第一种加载板141和第二加载板142择一与加载底座15连接。

其中，第一种加载板141的加载台为圆柱体套在圆盖空间内，圆柱体的直径小于加载膜124的直径，使得加载膜124受二维力；圆柱主体的直径小于培养板凸台125的内径。

其中，第二种加载板142的加载台为沿加载膜124的径向放置的长条状，使得加载膜124受一维力。优选的，该加载台的宽度小于加载膜的直径，使加载膜的两侧没有与加载台接触；加载台放置在加载膜通过圆心的直径处，使加载台的中间部分与加载膜接触；前述的加载膜124和培养细胞培养孔122的孔壁共同形成了一个开口朝下的圆盖空间，加载台的长度方向两端的形状要与圆盖空间的形状相匹配，为圆弧面。加载台和圆盖空间过盈配合，防止气体从加载台的两个圆弧面处进入加载膜124。

两种加载板14包括第一种加载板141、第二种加载板142。第一种加载板141和第二种加载板142上的第一抓取口1412和第二抓取口1422呈圆弧形，除了能够方便将两种加载板14从加载底座15中取出，更重要的是为装置提供了通畅的气道，两块加载板的抓取口设置了圆角，为了在操作时防止锐利的角将手刮伤；两种加载板14的第一加载台1411和第二加载台1421与培养板12的加载膜124的距离非常接近，可以认为两者接触但不产生力；第一种加载板141的镂空1413是为了减少第一种加载板141的用料，而第二种加载板142不设置镂空是因为其加载台形状特殊，镂空的成本较高。当装置开始加载时，加载膜124压在第一种加载台141的顶面和第二种加载台的顶面上，加载膜124发生拉伸形变，从而使得加载膜上的细胞受到应变力。

优选的，加载装置还包括气动系统，参阅图15-16，如图所示，用于细胞加载的气动系统包括：用于调节细胞加载装置内压强的气动装置61，实时监测细胞加载装置内压强大小的压强传感器62，接收、处理、发送信号的控制器63。

气动装置61与加载底座15相连接，包括用管接头和气管实现顺序连接的负压泵615、负压过滤器614、负压稳压瓶613、负压流量阀612和负压电磁阀611，负压电磁阀611连接负压泵连接口155。

气动装置61还包括用管接头和气管实现顺序连接的正压泵616、正压过滤器617、正压稳压瓶618、正压流量阀619和正压电磁阀620，正压电磁阀620连接正压泵连接口153。

细胞加载装置的正压泵连接口153、负压泵连接口155分别与正压电磁阀、负压电磁阀通过管接头和气管相连接。

正压泵616和负压泵615为气源，气动装置61由气源提供所需动力源，气源中的气流经过滤器、稳压瓶得到纯净、干燥、稳定的气流，再经流量阀、电磁阀的调节，得到所需流量大小的气流，气流最后进入加载底座15。其中，来自正压泵或负压泵的气体先经过对应的过滤器再进入对应的稳压瓶，是为了防止该稳压瓶中积留空气中的水分和杂质；依次连接的电磁阀比流量阀更靠近加载底座15是因为：电磁阀的作用是打开或切断气路，流量阀的作用是调节气路开口大小，当电磁阀关闭时，流量阀的任何动作对加载底座15内的压强不会有任何影响。

压强传感器62与加载底座15的压强传感器连接口154相连接，其可实时监测加载底座15内的压强大小，并将其转化为电信号传送到控制器63。

控制器63与两个流量阀、两个电磁阀相连接，同时还连接压强传感器62。控制器63接收来自压强传感器62的电信号，处理目标压强的波形并转化为相应电信号，并将控制信号传送给气动装置61中的流量阀与电磁阀。

气动装置可调节加载底座15内的压强，对加载装置进行加压、减压、保压。此控制方法时刻监测细胞加载装置内的压强并反馈回控制器，相对于开环控制多了误差补偿，使得控制精度更高，并且在系统结束工作前对细胞加载装置进行卸压操作，使得装置不会带压操作，保证了在使用系统进行实验时的安全性、可靠性。

一种用于细胞加载的气动系统的控制方法，如图16所示，包括以下步骤：

A1、

S10、启动气动系统；

S20、输入初始时间至终止时间内的所需的压强的波形，并将初始时间至终止时间按预设宽度值按顺序均匀划分为多个时间段，控制器13为每个时间段设定一个目标压强，目标压强用以拟合所述时间段对应的压强；例如所需的压强波形为正弦曲线，对波形依次按时间等分，可以选取每个时间段的压强的平均值作为目标压强。对应的目标压强转换为电信号，预设宽度值优选为10ms；

A2、S30、控制器63判断当前时间段的目标压强相比上一个时间段的目标压强是增压或减压；如当前时间段为第一个时间段，则当前时间段的目标压强相比0值压强是增压或减压,容易想到此处的目标压强与加载底座15中的压强值无关；

A3、

S311、若判断为增压，则关闭负压电磁阀611和负压流量阀612，打开正压电磁阀620和正压流量阀619；

S312、若判断为减压，则关闭正压电磁阀620和正压流量阀619，打开负压电磁阀611和负压流量阀612；

A4、根据A3或A7的判断结果，按需调节正压流量阀619或负压流量阀612的开口以调节加载底座15内的压强；

A5、控制器13判断目前是否达到终止时间，即加载过程是否结束，若是则执行步骤A8，若否则执行步骤A6；

A6、控制器63执行下一个时间段，并判断步骤A5的时间段的目标压强是否需要改变，若是则执行步骤A2；若否则执行步骤A7，如果压强不变化，还是按照实际和预期的压强差来控制阀；

A7、控制器63接收来自压强传感器62的电信号，与步骤A6中的时间段的目标压强转换的电信号进行比较，得到压强传感器62的电信号减去步骤A6中的时间段的目标压强的电信号的差值，得出若差值的绝对值小于或等于预定误差，则执行步骤A5；

若差值小于零且差值的绝对值大于预定误差，则判断为增压，关闭负压电磁阀611和负压流量阀612，打开正压电磁阀620和正压流量阀619，执行步骤A4；

若差值大于零且差值的绝对值大于预定误差，则判断为减压，关闭正压电磁阀620和正压流量阀619，打开负压电磁阀611和负压流量阀612，执行步骤A4；

A8、将加载底座15内的压强卸载，便于打开装置观察细胞，气动系统停止。

以直线型的波形图为例进行介绍，其中时间从初始时间0变化到终止时间20ms，压强一直保持在2KPa，预设宽度值为10ms，预定误差ε为0.1Kpa。

B1、

S10、启动气动系统；

S20、输入所需的压强的波形，并将时间按顺序依次划分为第一和第二这两个时间段，每个时间段的宽度为10ms；每个时间段都分配一个目标压强以拟合该时间段的压强的设计值，这里每个时间段的压强都为2KPa；控制器63将每个时间段对应的目标压强转换为电信号；

B2、S30、控制器63判断当前时间段为第一个时间段，则当前时间段的目标压强与0值压强相比是增压；

B3、S311、若需要增压，则关闭负压电磁阀611和负压流量阀612，打开正压电磁阀620和正压流量阀619；

B4、调节正压流量阀619的开口以调节加载底座15内的压强；

B5、控制器63执行完当前的时间段，判断目前未达到终止时间，即还需要执行第二时间段，执行步骤B6；

B6、控制器63执行第二个时间段，并判断步骤第二时间段的目标压强与上一时间段的目标压强相比数值是否需要改变，结果为不需改变，即正压电磁阀620和正压流量阀619不改变开口大小，执行步骤B7；

B7、控制器63接收来自压强传感器62的电信号，与第二时间段的目标压强进行比较，若差值大于预定误差，则执行步骤B8；

B8、根据差值控制器判断需要增加还是减压，按需调节正压流量阀619的开口或负压流量阀612以调节加载底座15内的压强，以使差值小于或等于预定误差；

B9、控制器63判断目前是否达到终止时间，系统已经执行完第二时间段到达终止时间，执行步骤B10；

B10、将加载底座15内的压强卸载，便于打开装置观察细胞，气动系统停止。

气室内从正压泵连接口153进入的气体能从负压泵连接口155出去；正压泵连接口153与正压泵的管道口相连接，作为装置的进气口，负压泵连接口155与负压泵的管道口相连接，作为装置的出气口，压强传感器连接口154与压强传感器相连接，压强传感器用于实时监测装置内的压强；加载底座15中的装夹工装安装槽156用于安装装夹工装。气动系统与现有技术的只通过负压泵来单一控制气室内的气体相比，可以通过控制正压泵和负压泵的总的输出的气压值与时间的关系，从而模拟各种波形的气压，例如静态、正旋、E心型、P心型、三角、矩形以及各种自定义波形，能更丰富的模拟细胞的受力情况。

参阅图1-图14，本发明实施例提供的平面力细胞加载装置，用于实现给细胞提供平面内的力学加载以模拟体内较为单一的受力情况，并能实现两种方向的多种力学加载波形，其包括机械结构部分、气动系统以及控制系统，机械结构部分与气动部分连接，控制系统则控制气动系统给机械结构部分提供预期想要的正负压，从而模拟各种波形的气压。机械结构部分包括用于与外界环境隔绝的透明盖11、用于细胞培养的培养板12、用于装置密封的密封圈13、辅助形成加载的两种加载板14、用于提供支撑和气道的加载底座15。机械结构部分和气动部分参见前述的介绍，这里不再赘述。控制系统是控制领域的现有技术，这里不再赘述。

参阅图3-图6可以清楚地了解装置的工作原理。图3为第一种加载板工作前状态示意图，培养板12中的加载膜124与第一种加载板141的第一加载台1411的距离非常接近，可以视为两者接触，但不产生应力。图4为加载板工作时的状态示意图，当装置腔体为负压时，将加载膜124分成了与加载台接触的第一部分，和未与加载台接触的第二部分。第一部分向四周拉伸，第二部分被气体向下吸，在第一部分上的细胞受到辐射状的二维拉力。第一种加载板141的第一加载台1411周围的加载膜受到向下的力，第一加载凸1411上的加载膜受到沿着加载凸台半径的张力，如图5第一种加载板工作时的俯视受力图所示。第二种加载板的工作原理与第一种加载板类似，第二种加载板工作时的俯视受力如图6所示，与第一种加载板不同的是，第二种加载板141的加载台1411上的加载膜受到沿着垂直于加载台直线边的方向的张力。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。