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研究生:黃鐘賢
研究生(外文):Jhong-Sian Huang
論文名稱:垂直機械力推拉細胞刺激生長自動化系統之研究
論文名稱(外文):The Study of An Automatic System for Vertical Stretch Mechanical Force to Stimulate Cell Growth
指導教授:艾群
指導教授(外文):Chyung Ay
學位類別:碩士
校院名稱:國立嘉義大學
系所名稱:生物機電工程學系研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
畢業學年度:100
語文別:中文
中文關鍵詞:垂直機械力推拉系統環境控制pH值細胞貼附力
外文關鍵詞:vertical stretch mechanical forceenvironment controlthe value of pHcell adhesion force
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為了能在體外培養之細胞並進行機械力刺激生長,本研究設計了一套可程式控制垂直機械力推拉刺激細胞生長自動化系統,模擬人體細胞在生長環境中受到垂直機械力,而造成細胞產生週期性形變下的情形(如皮膚、肺、心臟與胃腸的收縮)。實驗中以pH值檢測儀器探討在控制溫度與CO2濃度下培養液pH值的變化情形,並以介電泳力的形式來探討細胞的貼附能力,是否會受到垂直機械力的刺激而造成不同的生理變化。
本實驗之系統可以設定推拉基材應量、頻率、推拉刺激模式(連續或間歇)與刺激時間,可在5~41%推拉應變下能夠保持推拉頻率在1±0.001Hz,且系統不會產生錯誤。環境控制在約5%CO2濃度與37℃環境下,對於30代有受到垂直機械力推拉應變31%刺激1hr後,以介電泳量測細胞貼附力為2.7783±0.233(nN),無刺激之細胞貼附力為1.6925±0.1266(nN),有機械力推拉刺激的細胞貼附力明顯高於無刺激的細胞貼附力,以此可推測在垂直機械力拉伸刺激下,可對細胞進行生理上的調節。


關鍵詞:垂直機械力推拉系統、環境控制、pH值、細胞貼附力

In order to stimulate cells growth by mechanical stretch force in vitro culture, a programmable control system of vertical stretch mechanical force is developed to simulate cells growth in this study. The simulation human cell in growth environment with vertical mechanical force caused the cells into deformation (such as skin, lung, heart, gastrointestinal contraction). In this experiment, we investigated the pH value by pH test instrument under the environment of the control temperature and CO2 concentration, and measure the ability of cell adhesion by DEP force to investigate it has affect or not for cell physiology.
The system can be set-up strain, frequency, stretch mode (continuous or intermittent), which has in 5 to 41% of the stretch strain and maintain frequency in 1±0.001Hz. Environment could be controlled in CO2 concentration at 37℃ and 5%. For the 30 generation of cell, under the 31% stretch strain by vertical mechanical force to simulate for 1hr then measure the cell adhesion force by dielectrophoresis. The results shown cell adhesion force is 2.7783±0.233(nN) under stimulation and cell adhesion of non-stimulated is 1.6925±0.1266(nN). The cell adhesion force under stimulation was significantly higher than that of non- stimulation, so we inferred that in the stretch of vertical mechanical force stimulate could regulate the cells physiology.

Keywords:vertical stretch mechanical force, environment control, the value of pH, cell adhesion force

目錄
誌謝………………………………………………………………………I
摘要………………………………………………………………………II
Abstract……………………………………………………………III
目錄………………………………………………………………………IV
圖目錄…………………………………………………………………VII
表目錄…………………………………………………………………XI
符號表…………………………………………………………………XII
第一章 前言 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機 3
1.3 研究目的 3
第二章 文獻探討 5
2.1 機械應力對細胞生長之影響 5
2.2 細胞貼附力之量測研究 13
第三章 理論與方法 16
3.1 人體細胞生長特性 16
3.1.1 人體細胞生長環境與影響 16
3.1.2 纖維母細胞之特性與生長週期 18

3.2 外在環境控制理論 22
3.2.1 氣體控制機制 22
3.2.2 環境溫度控制機制 22
3.3 介電泳理論 23
第四章 實驗方法與系統設計 29
4.1 實驗設備 30
4.2 PDMS的製作流程 38
4.3 行程(平台移動距離)與基材應變量的換算 41
4.4 平台腔體中溶液溫度之量測-熱偶(Thermocouple)溫度計 42
4.5 推拉平台溫度控制機制 43
4.6 二氧化碳濃度控制機制 44
4.7 pH值量測儀器與方法 46
4.8 鈀-微電極之製作 49
4.9 生醫材料PDMS前處理 51
4.10 細胞的培養與準備 51
4.11 利用介電泳量測細胞之貼附力 54
4.12 實驗步驟流程 56
第五章 實驗結果與討論 57

5.1 PLC與觸控人機介面之系統程式撰寫 57
5.2 運作時間與頻率之計算 59
5.3 步進馬達轉速與頻率對照表 63
5.4 手動與自動操控系統 66
5.5 溫度量測結果 71
5.5.1 系統溫度測試 71
5.5.2 推拉平台之溶液溫度量測 72
5.6 二氧化碳濃度控制與pH值量測 74
5.7 細胞貼附力量測 79
第六章 結論與建議 84
6.1 結論 84
6.2 建議 85
6.2.1 垂直機械力推拉刺激對細胞之影響 85
6.2.2 氣體控制系統之改良 85
參考文獻 87
附錄一 機械應力對細胞生長之影響…………………………………92
附錄二 COMSOL模擬圖與統御方程式…………………………………97
附錄三 PLC完整程式……………………………………………104

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