[發(fā)明專利]用于細(xì)胞三維灌流拉伸壓縮培養(yǎng)的生物力學(xué)系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410231024.8
• 申請日: 2014-05-28
• 公開（公告）號(hào): CN104342370A
• 公開（公告）日: 2015-02-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 石峰;藍(lán)鼎;王育人
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院力學(xué)研究所
• 主分類號(hào): C12M3/00
• 分類號(hào): C12M3/00;C12M1/36
• 代理公司: 北京和信華成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11390
• 代理人: 胡劍輝

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種生物力學(xué)的細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)，具體的講，用于對三維生物彈性支架中細(xì)胞的灌流拉伸或壓縮培養(yǎng)試驗(yàn)，探索細(xì)胞力學(xué)—生物學(xué)耦合規(guī)律。?

背景技術(shù)

作為生命體基本單元的細(xì)胞，一直處在復(fù)雜的三維力學(xué)環(huán)境中。力學(xué)刺激如何調(diào)控細(xì)胞骨架，細(xì)胞形態(tài)，細(xì)胞的增殖、分化等的機(jī)制尚不明確。研究表明，影響骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖、分化的力學(xué)因素主要有牽張應(yīng)變、剪切應(yīng)力、壓應(yīng)力、重力等。由于真實(shí)生物體內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，因此在體外進(jìn)行細(xì)胞的分離、培養(yǎng)及力學(xué)實(shí)驗(yàn)是生物力學(xué)領(lǐng)域重要的研究方法。為考察力學(xué)刺激對細(xì)胞的影響，需要在三維環(huán)境的培養(yǎng)過程中施加力學(xué)刺激，研究力學(xué)信號(hào)對細(xì)胞的調(diào)控機(jī)制。?

目前，通常用于生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)的力學(xué)刺激主要加載系統(tǒng)有四點(diǎn)彎曲、軸向牽拉、真空作用模型及Flexercell加載系統(tǒng)，這些加載系統(tǒng)主要針對二維膜結(jié)構(gòu)的培養(yǎng)基，通常依靠加載頻率及形變量調(diào)控力學(xué)刺激，對于三維材料的細(xì)胞培養(yǎng)并施加載荷的方法和裝置還不常見。裝置設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于，如何在三維系統(tǒng)中培養(yǎng)細(xì)胞并加以灌流拉伸/壓縮。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對目前細(xì)胞培養(yǎng)及力學(xué)加載裝置上的不足之處，提出一種三維灌流拉伸或壓縮培養(yǎng)的生物力學(xué)系統(tǒng)，觀察三維環(huán)境中灌流拉伸或壓縮力學(xué)刺激對細(xì)胞生長影響的定量化研究，探索細(xì)胞力學(xué)—生物學(xué)耦合規(guī)?律。?

為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種用于細(xì)胞三維灌流拉伸壓縮培養(yǎng)的生物力學(xué)系統(tǒng)，包括：?

細(xì)胞生物支架，用于模擬人體細(xì)胞真實(shí)的三維生長環(huán)境；?

生物反應(yīng)器，設(shè)有夾持所述細(xì)胞生物支架的夾具及容納所述細(xì)胞生物支架的腔體；?

蠕動(dòng)泵，用于帶動(dòng)細(xì)胞培養(yǎng)液進(jìn)入所述生物反應(yīng)器進(jìn)行灌流；?

施加載荷裝置，用于對鍵合的所述生物反應(yīng)器中的夾具提供周期性往復(fù)牽拉，進(jìn)而對細(xì)胞施加拉伸或壓縮力學(xué)刺激；?

控制模塊，與計(jì)算機(jī)相連，對所述施加載荷裝置進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)樣品長度、拉伸比、往返頻率及往返次數(shù)。?

進(jìn)一步，所述細(xì)胞生物支架為彈性多孔結(jié)構(gòu)，孔徑均一、貫通性好；具有良好的生物相容性或生物惰性，對細(xì)胞無毒無害；具備一定的機(jī)械強(qiáng)度，使其能夠在力的作用下不至于發(fā)生破壞，維持細(xì)胞所需要的空間環(huán)境；具備一定的結(jié)構(gòu)變形和恢復(fù)能力。?

進(jìn)一步，所述生物反應(yīng)器材質(zhì)為生物相容性良好的剛性塑料，由兩個(gè)生物容器和彈性支架夾具組成，所述生物容器上有溶液進(jìn)出口，通過相應(yīng)硅膠管與裝有細(xì)胞培養(yǎng)液的藍(lán)口瓶相連，在所述蠕動(dòng)泵作用下形成灌流的循環(huán)回路。?

進(jìn)一步，所述生物容器包括：?

第一彈性夾持，上端設(shè)計(jì)有與施力裝置鍵合的部件，下端具有內(nèi)螺紋；?

第二彈性夾持，兩端具有外螺紋，內(nèi)部為空腔，側(cè)壁具有溶液出入口；?

第一彈性緊固件與第二彈性緊固件，所述第一彈性緊固件與第二彈性緊固件可拼接成一個(gè)圓環(huán)，所述圓環(huán)端面設(shè)有螺紋孔；?

第三彈性夾持，為具有中心圓孔的端蓋形狀，具有內(nèi)螺紋；?

所述第一彈性緊固件與第二彈性緊固件固定在第二彈性夾持一邊端面上，且所述第一彈性夾持與所述第三彈性夾持可分別旋合到所述第二彈性夾?持兩端。?

進(jìn)一步，所述彈性支架夾具形狀為啞鈴狀，內(nèi)部中空，用于放置所述細(xì)胞生物支架；所述彈性支架夾具材料具有良好彈性的同時(shí)，具有很好的生物惰性，對細(xì)胞無毒；所述彈性支架夾具內(nèi)部腔壁與所述細(xì)胞生物支架固化在一起。?

進(jìn)一步，所述施加載荷裝置包括電機(jī)、電機(jī)固定法蘭、軸聯(lián)器、滑動(dòng)軸承、銅滑塊、活動(dòng)頭、光滑導(dǎo)軌、絲杠、導(dǎo)軌支撐、支撐板；所述電機(jī)通過軸聯(lián)器帶動(dòng)所述絲杠旋轉(zhuǎn)，所述活動(dòng)頭在絲杠和光滑導(dǎo)軌上做水平方向運(yùn)動(dòng)；所述施加載荷裝置由所述電機(jī)固定法蘭和導(dǎo)軌支撐安放于所述支撐板上，所述支撐板中部掏空，便于安裝生物反應(yīng)器。?

進(jìn)一步，所述光滑導(dǎo)軌上設(shè)一滑動(dòng)軸承，用于保證在拉伸或壓縮過程中，增加水平方向的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性；在拉伸過程中，電機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)，可以實(shí)現(xiàn)不同拉伸頻率下的拉伸試驗(yàn)。?

進(jìn)一步，通過銷釘將所述生物反應(yīng)器固定在所述活動(dòng)頭和導(dǎo)軌支撐之間。?

進(jìn)一步，所述控制模塊在實(shí)驗(yàn)室虛擬工作平臺(tái)LabVIEW中運(yùn)行，先選擇匹配的串口名稱，根據(jù)需要定量調(diào)節(jié)樣品長度、拉伸比、往返頻率及往返次數(shù)；“開始”、“停止”鍵控制裝置的啟動(dòng)及停止；所述蠕動(dòng)泵蠕動(dòng)頻率可控制灌流流速，流速用流量計(jì)測得。?

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有下列技術(shù)效果：?