背景：人體內(nèi)細胞會受到各種力學激勵，并在不同的時間和空間尺度上對力學激勵做出反應。力學激勵會對骨吸收和形成、器官形態(tài)發(fā)生、骨骼肌分化以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育產(chǎn)生影響。
目前研究力學因素對細胞行為的影響很大程度上依賴于離體實驗。通過研制具有較大均勻應變區(qū)域的細胞培養(yǎng)室，結(jié)合3D-DIC應變測量技術(shù)（數(shù)字圖像相關(guān)法dic），搭載專門設計的細胞拉伸加載裝置，將單軸表面應變傳遞給彈性基底膜上的貼壁細胞。
采用新拓三維XTDIC三維全場應變測量系統(tǒng)（3D-DIC）檢測培養(yǎng)室中應變場和位移場的分布，以驗證該新型培養(yǎng)室的有效性和實用性。這種專門設計的培養(yǎng)室制造簡單，應變均勻性好，可為貼壁細胞的生物力學研究提供更便利和客觀的實驗基礎。
試驗系統(tǒng)：細胞單軸拉伸裝置共分為四個部分：電機驅(qū)動模塊、移動滑塊與導軌、細胞培養(yǎng)硅膠小室和新拓三維3D-DIC三維全場應變測量系統(tǒng)。實驗應變測量選用新拓三維XTDIC三維全場應變測量分析系統(tǒng)（XTDIC-CONST-SD），配備兩臺高精度攝像頭，實現(xiàn)三維環(huán)境的應變場和位移場的測量。
細胞單軸拉伸-3D-DIC應變測量與試驗裝載
試驗內(nèi)容：
傳統(tǒng)小室與新型培養(yǎng)室數(shù)值計算結(jié)果對比
通過有限元數(shù)值模擬得出傳統(tǒng)小室與新型培養(yǎng)室應變場的分布，采用面積占比法來描述應變的均勻性。
傳統(tǒng)小室與新型培養(yǎng)室應變 1%～10% 的分布云圖及有效應變區(qū)域。經(jīng)過優(yōu)化的新型培養(yǎng)室能夠提高應變的均勻性，模擬結(jié)果充分說明了新型培養(yǎng)室結(jié)構(gòu)的可行性與準確性。
3D-DIC實驗結(jié)果
選擇 1%、5% 和 10% 三組應變數(shù)值驗證傳統(tǒng)小室與新型培養(yǎng)室的數(shù)值模擬結(jié)果。三組應變下，3D-DIC 測量的位移場與應變場的分布與數(shù)值模擬結(jié)果很好地吻合，達到了相互驗證的目的，同時新型培養(yǎng)室的加載實驗結(jié)果也顯示了應變的均勻性，相較于傳統(tǒng)小室有了明顯的提高，驗證了新結(jié)構(gòu)的合理性。
1%應變
5%應變
10%應變
1%、5% 和 10% 應變下基板的 3D-DIC 實驗與有限元仿真結(jié)果對比
舌鱗癌細胞加載實驗
利用體外貼壁細胞應變加載裝置，對硅橡膠小室內(nèi)的舌鱗癌細胞加載拉伸力，誘導0.5% 機械應變刺激，頻率為 0.1 Hz，連續(xù)加載 8 h。
舌鱗癌細胞加載實驗結(jié)果顯示，未拉伸組細胞呈短梭形，細胞偽足較短；而拉伸 8 h 后，多數(shù)細胞呈長梭形排布，細胞偽足伸長?？梢娰N壁細胞在加載裝置的拉伸形態(tài)發(fā)生明顯的變化。
貼壁細胞拉伸加載結(jié)果
實驗結(jié)論
1）研制的具有較大均勻應變區(qū)域的新型培養(yǎng)室，對傳統(tǒng)小室的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化仿真，結(jié)果表明新型培養(yǎng)室有效應變面積得到顯著提升。
2）利用 3D-DIC 測量了優(yōu)化前后小室的應變場與位移場分布，進一步驗證了仿真的結(jié)果，同時確認了新型培養(yǎng)室的高均勻性。
3）在舌鱗癌細胞拉伸實驗中，在力學激勵下細胞形成了更活躍的侵襲足。通過細胞實驗證明了裝置起到了細胞力學加載的效果，這為細胞力學生物學研究提供了便利條件。
綜上所述，實驗研制了一種應變均勻性更好的培養(yǎng)室，利用新拓三維XTDIC三維全場應變測量系統(tǒng)（3D-DIC）技術(shù)，可以多角度觀測細胞的變形，為后續(xù)研究人員分析細胞的應變情況提供更準確的數(shù)據(jù)。
案例摘自：【王紫琪，天津理工大學 天津市先進機電系統(tǒng)設計與智能控制重點實驗室，具有較大均勻應變區(qū)域貼壁細胞力學加載培養(yǎng)室的研制】