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摘要在力学生物学研究中，大多数细胞水平现象的研究依赖于使用体外的机械加载装置，然而加载装置通过硅胶膜将机械刺激传递到细胞上，一旦硅胶膜变形不均匀就会导致实验中应变场量化误差较大，从而无法获得准确的应变条件，提高应变加载中的均匀性成为亟待解决的问题。<br>　　本文研制了一种贴壁细胞均匀应变加载装置，由电机驱动模块、滚珠式直线导轨和细胞培养硅胶小室三部分组成。直线电机提供动力，直线导轨传递动力至与拉伸平台相连接的硅胶小室上，从而实现不同机械力作用条件对细胞影响的研究，种植细胞的硅胶小室通过医用硅胶液浇注而成，透明光洁，方便在显微镜下观察细胞形态变化。装置的速度最高可达5.9m/s，最大行程为780mm，可以满足多数细胞加载实验的装置要求。<br>　　利用ABAQUS软件对硅胶小室在单轴拉伸过程中的应变分布规律和提高有效应变区域方面进行了探索。有限元分析结果表明，在1％-10%应变范围内，硅胶小室的基板只有57%左右的区域能达到预定的应变值，且都集中在中央区域，基板四周的细胞无法获得准确的应变。为了提高硅胶小室拉伸过程中基板的应变均匀性，设计了厚度0.5mm双柱对称、厚度0.5mm单柱对称和厚度1mm双柱对称三种结构小室，对基板底部进行了形状优化，结果表明，小室结构由等厚度轮廓优化为具有“M”型剖面轮廓的非等厚度，应变因子较优化前提高了20.28%-109.94%，最大的应变均匀因子可达0.9，这意味着基板上有90%区域的贴壁细胞可以获得准确的应变，充分说明了具有“M”剖面结构的新型硅胶小室可以有效的提高应变均匀面积，使得细胞在动态加载中获得准确的应变。<br>　　最后采用三维数字图像相关法（three-dimensionaldigitalimagecorrelation,3D-DIC）观测优化前后硅胶小室的应变场和位移场的分布，结果显示实验与数值模拟结果很好的吻合，优化小室的有效均匀应变面积得到了显著的提高，验证了新结构的合理性，肯定了优化方法的准确性和科学性。<br>　　本课题通过机械原理将生物与力学相结合，设计了贴壁细胞均匀应变加载装置，创新优化的硅胶小室中“M”型的基板底部形状，增大了细胞拉伸工况下的应变均匀面积，可传递均匀精准的应变；采用3D-DIC验证了结构的合理性。本文的研究结果有助于更加准确的阐明细胞调节和适应体内机械力的机制，为相关生物学研究人员提供加载实验和理论基础。