一种引导磁感应强度点阵状分布的装置

摘要

本发明公开了一种引导磁感应强度点阵状分布的装置，包括永磁铁和通过固定模块安装在永磁铁表面的呈阵列布置的若干软磁铁丝；在固定模块上设有若干贯穿固定模块上下表面的软磁铁丝容置孔，软磁铁丝容置孔呈阵列布置，软磁铁丝一一对应并安装在每个软磁铁丝容置孔中，软磁铁丝容置孔的深度和软磁铁丝的长度匹配；软磁铁丝容置孔的横截面大小和软磁铁丝的横截面大小匹配；固定模块安装在永磁铁上表面，且软磁铁丝容置孔对应的阵列区域位于永磁铁中心弱磁场强度区域中，软磁铁丝被吸附在永磁铁表面并在软磁铁丝容置孔的限位下保持直立状态。本装置可以抵抗流体扰动，能够精确控制细胞微载体的空间位置，从而在液体环境下实现细胞微载体有序布置。

权利要求

1.一种引导磁感应强度点阵状分布的装置，其特征在于：包括永磁铁和通过固定模块安装在永磁铁表面的呈阵列布置的若干软磁铁丝；在固定模块上设有若干贯穿固定模块上下表面的软磁铁丝容置孔，软磁铁丝容置孔呈阵列布置，软磁铁丝一一对应并安装在每个软磁铁丝容置孔中，软磁铁丝容置孔的深度和软磁铁丝的长度匹配；软磁铁丝容置孔的横截面大小和软磁铁丝的横截面大小匹配；固定模块安装在永磁铁上表面，且软磁铁丝容置孔对应的阵列区域位于永磁铁中心弱磁场强度区域中，软磁铁丝被吸附在永磁铁表面并在软磁铁丝容置孔的限位下保持直立状态；

还包括永磁铁固定支架，永磁铁固定支架上设有容置永磁铁的永磁铁容置腔，永磁铁设置在永磁铁容置腔中且周围由永磁铁容置腔的侧壁限位；

所述永磁铁由位于中间的主永磁铁和在主永磁铁周围起增强磁场强度作用的增强永磁铁构成，主永磁铁为正立方体结构，增强永磁铁为四组且每组对应贴合主永磁铁四个侧面设置，相对的两组增强永磁铁对称设置；永磁铁固定支架上容置永磁铁的永磁铁容置腔由正方形的中间容置腔和位于中间容置腔四边的周围容置腔构成，周围容置腔与中间容置腔相通以使永磁铁容置腔整体呈十字形或X形，主永磁铁放置在中间容置腔中，四组增强永磁铁对应放置在四个周围容置腔中，且任意一个容置腔的深度和对应永磁铁的高度对应；

所述固定模块安装在主永磁铁上表面且固定模块刚好将主永磁铁上表面覆盖。

2.根据权利要求1所述的一种引导磁感应强度点阵状分布的装置，其特征在于：所述主永磁铁长、宽、高分别为15mm、15mm和15mm；所述增强永磁铁的长、宽、高分别为30mm、15mm和

15mm；所述永磁铁固定支架的长、宽、高分别为90mm、90mm和15mm。

3.根据权利要求1所述的一种引导磁感应强度点阵状分布的装置，其特征在于：所述主永磁铁的磁化方向向上，即北极向上；增强永磁铁的磁化方向朝向主永磁铁，即北极向中心；或者，主永磁铁的磁化方向向下，即南极向上；增强永磁铁的磁化方向背向中间的永磁铁，即南极向中心。

4.根据权利要求1所述的一种引导磁感应强度点阵状分布的装置，其特征在于：所述软磁铁丝的材料为电工纯铁DT4C。

5.根据权利要求1所述的一种引导磁感应强度点阵状分布的装置，其特征在于：所述软磁铁丝的半径为100um，软磁铁丝的中心间距为500um，软磁铁丝的高度为4mm；所述固定模块由透明材料制成；所述固定模块外围的长度、宽度和高度分别为15mm、15mm和4mm，所述软磁铁丝容置孔的半径、中心间距和高度分别为100um、500 um和4mm。

6.根据权利要求1所述的一种引导磁感应强度点阵状分布的装置，其特征在于：所述固定模块的材质为聚二甲基硅氧烷PDMS或者石蜡。

7.根据权利要求1所述的一种引导磁感应强度点阵状分布的装置，其特征在于：每组增强永磁铁由一个或者多个永磁铁构成。

说明书

一种引导磁感应强度点阵状分布的装置

技术领域

[0001] 本发明涉及利用细胞微载体构建人工组织支架技术，具体涉及一种磁性细胞微载体组装时辅助用的引导磁感应强度点阵状分布的装置，属于组织工程中细胞三维组装技术领域。

背景技术

[0002] 各种难以预料的自然灾害和行为事故容易造成人体组织损伤和器官缺失，组织和器官的衰老和退化也威胁着人类健康。组织工程通过细胞的三维组装开发具有人体器官功能的人工组织，为器官修复和再生提供了一种新途径。人体组织是由多种细胞组成的有序结构，如何实现不同细胞的精确空间布置是目前细胞三维组装技术发展面临的难题。

[0003] 细胞微载体通过生物材料对细胞进行包裹，为细胞提供基本的生命活动场所从而可以提高存活率。通过操作细胞微载体构建人工组织支架比直接对细胞进行三维组装更有效，还可以减少对细胞的机械损伤。细胞微载体操作需要三个关键条件：第一，柔和而又充分的组装作用力；第二，有效的空间位置控制；第三，模拟原位环境进行微操作。

[0004] 微操作机器人系统可以将机器人操作的准确性、灵活性和高效性带入细胞微载体的三维组装中。但常规的微操作方法需要复杂的外围设备和较高的制作成本，还存在直接接触等问题。机器人微操作在空气中进行三维组装具有一定的控制精度，但是在液体环境受到流体扰动的影响难以精准控制细胞微载体的空间位置。

[0005] 细胞微载体由于具有细小、柔软、易变形和可控性差等特点，难以有效布置在空间中期望的位置。在细胞微载体中加入磁性纳米粒子对细胞的影响较小，可以增加对外部磁场的快速响应特性，从而提高细胞微载体的可控性。电磁感应装置产生微弱的磁力难以满足磁性细胞微载体的三维组装的需求；具有非均匀磁场的永磁铁会把磁性细胞微载体聚集到表面边缘并使其难以有序布置，不利于构建复杂的人工组织支架。

[0006] 针对上述问题，通过磁引导操作细胞微载体来构建人工组织支架需要具有强大的磁感应强度和高的磁场梯度。为了对磁性细胞载体进行有序的三维组装，还需要提供一种空间分布形状可控的磁场，这是本领域技术人员的一个研究方向。

发明内容

[0007] 针对现有技术在液体环境下操作细胞微载体构建人工组织支架的过程中存在直接接触破坏性大、效率低，细胞布置定位难，流体扰动影响导致难以精确控制细胞微载体的空间位置致使难以有序布置等问题，本发明的目的在于提供一种引导磁感应强度点阵状分布的装置，本装置可以抵抗流体扰动，能够精确控制细胞微载体的空间位置，从而在液体环境下实现细胞微载体有序布置。

[0008] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

[0009] 一种引导磁感应强度点阵状分布的装置，包括永磁铁和通过固定模块安装在永磁铁表面的呈阵列布置的若干软磁铁丝；在固定模块上设有若干贯穿固定模块上下表面的软磁铁丝容置孔，软磁铁丝容置孔呈阵列布置，软磁铁丝一一对应并安装在每个软磁铁丝容置孔中，软磁铁丝容置孔的深度和软磁铁丝的长度匹配；软磁铁丝容置孔的横截面大小和软磁铁丝的横截面大小匹配；固定模块安装在永磁铁上表面，且软磁铁丝容置孔对应的阵列区域位于永磁铁中心弱磁场强度区域中，软磁铁丝被吸附在永磁铁表面并在软磁铁丝容置孔的限位下保持直立状态。

[0010] 进一步地，还包括永磁铁固定支架，永磁铁固定支架上设有容置永磁铁的永磁铁容置腔，永磁铁设置在永磁铁容置腔中且周围由永磁铁容置腔的侧壁限位。

[0011] 所述永磁铁由位于中间的主永磁铁和在主永磁铁周围起增强磁场强度作用的增强永磁铁构成，主永磁铁为正立方体结构，增强永磁铁为四组且每组对应贴合主永磁铁四个侧面设置，相对的两组增强永磁铁对称设置；永磁铁固定支架上容置永磁铁的永磁铁容置腔由正方形的中间容置腔和位于中间容置腔四边的周围容置腔构成，周围容置腔与中间容置腔相通以使永磁铁容置腔整体呈十字形或X形，主永磁铁放置在中间容置腔中，四组增强永磁铁对应放置在四个周围容置腔中，且任意一个容置腔的深度和对应永磁铁的高度对应；所述固定模块安装在主永磁铁上表面且固定模块刚好将主永磁铁上表面覆盖。

[0012] 实施例中，所述主永磁铁长、宽、高分别为15mm、15mm和15mm；所述增强永磁铁的长、宽、高分别为30mm、15mm和15mm；所述永磁铁固定支架的长、宽、高分别为90mm、90mm和15mm。

[0013] 所述主永磁铁的磁化方向向上，即北极向上；增强永磁铁的磁化方向朝向主永磁铁，即北极向中心；或者，主永磁铁的磁化方向向下，即南极向上；增强永磁铁的磁化方向背向中间的永磁铁，即南极向中心。

[0014] 所述软磁铁丝的材料为电工纯铁（DT4C）。

[0015] 所述软磁铁丝的半径为100um，软磁铁丝的中心间距为500um，软磁铁丝的高度为4mm；所述固定模块由透明材料制成；所述固定模块外围的长度、宽度和高度分别为15mm、
15mm和4mm，所述软磁铁丝容置孔的半径、中心间距和高度分别为100um、500 um和4mm。

[0016] 所述固定模块的材质为聚二甲基硅氧烷PDMS或者石蜡。

[0017] 每组增强永磁铁由一个或者多个永磁铁构成。

[0018] 与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

[0019] 1）本发明利用永磁铁的对称组合和软磁铁丝的阵列布局设计出一种引导磁感应强度点阵状分布的装置，解决在液体环境下进行细胞微载体操作过程中存在直接接触破坏性大、效率低，细胞布置定位难，流体扰动影响导致难以精确控制细胞微载体的空间位置，磁力微弱和难以有序布置等问题，点阵状磁感应强度及相应的磁力可以精确引导大量磁性微载体的空间有序分布。

[0020] 2）本发明利用永磁铁的对称组合和软磁铁丝的聚磁效应提供强大的磁感应强度，解决利用电磁感应装置操作磁性微载体产生的磁力小的难题。

[0021] 3）本发明利用磁感应强度的汇聚和离散形成高的磁场梯度改变永磁铁的空间磁场分布，基于磁引导实现磁性微载体在液体环境下的多样化操作，解决磁性细胞微载体在永磁铁的空间磁场中存在杂乱无章分布、聚集挤压和难以灵活操作的问题。

[0022] 总之，本发明利用永磁铁的对称组合和软磁铁丝的阵列布局设计一种引导磁感应强度点阵状分布的装置。通过改变常规永磁铁的空间磁场分布规律来解决磁性细胞微载体在液体环境下难以灵活操作的问题，在液体环境下利用这种装置结合机器人微操作方法可以构建多层多孔细胞支架从而实现细胞的三维组装，可以促进生物医学与机器人学相融合，为组织工程领域研究提供新的手段。

附图说明

[0023] 图1-本发明结构示意图。

[0024] 图2-本发明软磁铁丝在固定模块上的安装示意图。

[0025] 其中，1-永磁铁；2-永磁铁固定支架；3-软磁铁丝；4-固定模块。

具体实施方式

[0026] 以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。

[0027] 参见图1和图2，从图上可以看出，本发明引导磁感应强度点阵状分布的装置，它包括永磁铁1、软磁铁丝3和固定模块4。软磁铁丝3通过固定模块4安装在永磁铁1表面并呈阵列布置。具体地，在固定模块4上设有若干贯穿固定模块上下表面的软磁铁丝容置孔，为了使软磁铁丝3呈阵列布置，相应地，软磁铁丝容置孔呈阵列布置，软磁铁丝一一对应并安装在每个软磁铁丝容置孔中，软磁铁丝容置孔的深度和软磁铁丝的长度匹配；软磁铁丝容置孔的横截面大小和软磁铁丝的横截面大小匹配；固定模块4安装在永磁铁1上表面，且软磁铁丝容置孔对应的阵列区域位于永磁铁中心弱磁场强度区域中，软磁铁丝3被吸附在永磁铁1表面并在软磁铁丝容置孔的限位下保持直立状态。

[0028] 本发明由于软磁铁丝下端位于永磁铁中心弱磁场强度区域中，该区域磁场强度虽然相对永磁铁周围较弱，但就这块区域本身来讲，还是十分均匀，这样所有软磁铁丝上端的磁感应强度也是均匀的，在软磁铁丝上端所在的平面上，每个软磁铁丝所在位置的磁感应强度又最强且均匀，由于软磁铁丝的阵列布局使两软磁铁丝之间的空白区域磁感应强度则很弱，从而使磁感应强度呈点阵状分布。这样磁性纤维状细胞微载体在磁场作用下按设计路线沿矩阵某行或某列的正上方往下落，由于形成的点阵状磁感应强度在垂直方向上具有相对均匀且强的磁感应强度，对应的磁力把磁性纤维状细胞微载体吸引到软磁铁丝表面的期望位置。由于流体扰动等影响，磁性纤维状细胞微载体被吸引到软磁铁丝表面的附近。由于点阵状磁感应强度在水平方向上具有高的磁场梯度，从而把磁性纤维状细胞微载体捕获到软磁铁丝表面的精确位置。

[0029] 为了更好地安装固定永磁铁，本发明还包括永磁铁固定支架2，永磁铁固定支架2上设有容置永磁铁的永磁铁容置腔，永磁铁1设置在永磁铁容置腔中且周围由永磁铁容置腔的侧壁限位。

[0030] 理论上，软磁铁丝阵列安装在一块永磁铁上就能够形成均匀的点阵状磁感应强度，但可能软磁铁丝上端的磁感应强度不够大，对磁性细胞微载体的吸力和抗流体干扰能力不够，鉴于此，本发明在上述基本结构上进行了扩展，将永磁铁由一块扩展为多块，扩展出来的几块均匀位于基本结构永磁铁周围，即永磁铁由位于中间的主永磁铁和在主永磁铁周围起增强磁场强度作用的增强永磁铁构成。实际设计中，为便于布置，主永磁铁为正立方体结构，增强永磁铁为四组且每组对应贴合主永磁铁四个侧面设置，增强永磁铁与主永磁铁贴合的面为与主永磁铁侧面大小一致的正方形；相对的两组增强永磁铁对称设置，四组永磁铁均相同。永磁铁固定支架上容置永磁铁的永磁铁容置腔由正方形的中间容置腔和位于中间容置腔四边的周围容置腔构成，周围容置腔与中间容置腔相通以使永磁铁容置腔整体呈十字形或X形，主永磁铁放置在中间容置腔中，四组增强永磁铁对应放置在四个周围容置腔中，且任意一个容置腔的深度和对应永磁铁的高度对应；因为只有主永磁铁上方中心区域的磁力线方向是朝上或者朝下，周围磁铁的磁力线是曲线且不是竖直方向，垂直方向的磁力是为了吸引磁性细胞微载体往下落，所以本发明固定模块只覆盖主永磁铁，而不覆盖所有永磁铁，即所述固定模块安装在主永磁铁上表面且固定模块刚好将主永磁铁上表面覆盖。由于主永磁铁被固定模块遮挡，所以图上只能看见增强永磁铁，而看不见主永磁铁。由于主永磁铁的磁力会牢牢吸住软磁铁丝，从而吸住固定模块，所以实际上固定模块直接安放在主永磁铁上表面即可。

[0031] 图中，增强永磁铁为四块，连同主永磁铁，共五块，组合方式为：主永磁铁位于中间，其他四块增强永磁铁相对放置在主永磁铁四周并固定成“十”字形或“X”字形或绕中间的永磁铁的中心旋转任意角度的形状。其中：位于中间的主永磁铁的磁化方向向上，即北极向上；位于四周的增强永磁铁的磁化方向朝向中间的主永磁铁，即北极向中心。或者，位于中间的主永磁铁的磁化方向向下，即南极向上；位于四周的增强永磁铁的磁化方向背向中间的主永磁铁，即南极向中心。

[0032] 实施例中，所述主永磁铁长、宽、高分别为15mm、15mm和15mm；四块增强永磁铁的长、宽、高分别为30mm、15mm和15mm；主永磁铁和四块增强永磁铁的轴向磁化强度相同且均为750000A/m。

[0033] 所述永磁铁固定支架2由塑料加工，永磁铁固定支架2的长、宽、高分别为90mm、90mm和15mm。永磁铁固定支架除设有容置腔的区域外的其他区域为实体或多孔状结构，这样所用材料更少，减少资源浪费，轻便。

[0034] 所述固定模块4由透明材料制成，具体使用的材料为聚二甲基硅氧烷（PDMS）或者石蜡。所述固定模块4外围的长度、宽度和高度分别为15mm、15mm和4mm，所述软磁铁丝容置孔的半径、中心间距和高度分别为100um、500 um和4mm。

[0035] 所述软磁铁丝的半径为100um，软磁铁丝的中心间距为500um，软磁铁丝的高度为4mm。所述软磁铁丝的形状为圆柱。实际使用中，软磁铁丝的材料为电工纯铁（DT4C），软磁铁丝阵列为81根软磁铁丝组成的9*9阵列。

[0036] 根据磁场增强的需要，每组增强永磁铁可以由一个或者多个永磁铁构成。即如果需要更强的磁场，每组增强永磁铁可以在原有增强永磁铁的外侧同时顺延增加。

[0037] 本发明在每根竖直排列的软磁铁丝表面的磁感应强度最强，两软磁铁丝表面之间的区域磁感应强度很弱，即磁感应强度呈点阵状分布，每根软磁铁丝表面的磁感应强度最强且均匀，其余磁感应强度很弱。使用时，将本装置放置于液体中，然后通过微操作机器人将磁性细胞微载体往下放，通常载体为纤维状，下放的方向与软磁铁丝阵列方向相同，或者平行于横向，或者平行于纵向。在没有本装置之前，细胞微载体容易漂浮在液面，流体的扰动也会影响微载体的下落，出现偏摆飘忽现象，使最后下落位置不能精确可控。由于本装置位于细胞微载体下落方向的下方，当细胞微载体在液体中下落时，即使出现流体扰动，由于在垂直方向上具有相对均匀且强的磁感应强度，也会抵抗扰动而将细胞微载体往磁感应强度占优的阵列所在的行列吸引（通常是越靠近某列，该列磁场即占优），因此，即使最初下落方位和目标位置（矩阵的某一行列）有些许偏差，在磁场作用下，由于在水平方向上具有高的磁场梯度，也能够抵抗流体扰动而自动归正。到位后，磁性细胞微载体就能够被吸附在对应行列的软磁铁丝上端而得以固定，使组装位置精确可控。同样的道理，细胞微载体位于两列之间，便会被更靠近的那列软磁铁丝吸附过去。

[0038] 磁性细胞微载体利用本装置按如下方法构建人工组织支架：磁性纤维状细胞微载体被布置到软磁铁丝的上方的大概位置，然后通过垂直方向相对均匀且强的磁感应强度的相应磁力吸引到期望位置，由于流体扰动等影响，磁性纤维状细胞微载体落到软磁铁丝的附近，再利用点阵状磁感应强度在水平方向上的高的磁场梯度捕获到软磁铁丝表面的精确位置。首先，磁性纤维状细胞微载体利用点阵状磁感应强度及相应的磁力将磁性纤维状细胞微载体引导到磁化装置的表面上，将九根磁性纤维状细胞微载体依次排列成九行/九列构成组织支架的第一层。接着在第一层的顶部并垂直于第一层的排列方向上将九根磁性纤维状细胞微载体组装依次布置成平行的九列/九行。然后采用相同的方法，在第二层上并垂直于第二层的排列方向上将九根磁性纤维状细胞微载体有序组装成第三层。最后通过使用交叉排列将磁性纤维状细胞微载体布置到期望的空间位置，通过磁引导控制磁性纤维状细胞微载体的精确位置，从而形成具有高孔隙率的多层多孔人工组织支架。上述以软磁铁丝阵列为81根软磁铁丝组成的9*9阵列举例，当然并不局限于此，只是以举例方式给出原理而已。磁性纤维状细胞微载体如果布置在所有列上形成第一层，那么第二层就在第一层的基础上布置所有行，第三层再是所有列，直到需要的层数为止。

[0039] 本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。