[發明專利]用于模擬微重力?壓向應力聯合刺激的細胞培養裝置及方法

在審

• 申請號: 201711431132.X
• 申請日: 2017-12-26
• 公開（公告）號: CN107904171A
• 公開（公告）日: 2018-04-13
• 發明（設計）人: 王永春;張舒;孫喜慶;石菲;曹新生;高原;胡澤兵
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍第四軍醫大學
• 主分類號: C12M3/00
• 分類號: C12M3/00;C12M1/38;C12M1/36;C12M1/02
• 代理公司: 西安吉盛專利代理有限責任公司61108
• 代理人: 吳倩倩

技術領域

本發明涉及細胞培養裝置，具體涉及一種用于模擬微重力-壓向應力聯合刺激的細胞培養裝置及方法。

背景技術

人體各生理系統的形態、結構和功能都已適應了地球正常重力條件，當航天員進入太空后，微重力則是一種全新的力學環境，長時間的重力消失將會引起人體心血管系統、骨骼肌肉系統等發生一系列改變，嚴重危害航天員的健康和妨礙航天任務的完成。因此，開展相關研究探討微重力對人體的生物學影響及進程，特別是在細胞水平和分子水平深入研究其發生機制，進而提出針對性的防護措施十分必要。然而，由于載人航天的限制，采用太空搭載細胞學樣本的方法大規模開展相關研究不現實，且航天飛行中還存在輻射等難以獲得單純的微重力環境實驗條件。因此，利用地面模擬微重力設備開展細胞學研究作為航天搭載實驗的補充已被廣泛采用。

目前國內外廣泛采用回轉器在地面上模擬細胞水平的微重力效應。以回轉器對細胞行模擬微重力效應時，雖然整個系統仍然處于地球重力場中，但由于重力始終指向地心，且回轉器連同貼壁細胞處于不間斷的水平轉動體系中，因此，對于每個細胞而言，其單位時間內各個方向上重力的矢量和為零，細胞無法對某一方向上的重力做出反應，從而模擬了在太空飛行情況下細胞的微重力生物學效應。然而，目前這種回轉器僅能實現常壓狀態下的細胞模擬微重力，無法模擬航天飛行條件下機體不同部位的細胞復雜壓力變化的真實狀態，限制了其應用范圍。

人體在地面正常重力和航天微重力環境下，以心血管系統為例，其血液動力學的主要區別是血液柱流體靜壓的改變。在地球正常1G重力環境中，由于血液柱的重量會使血液產生流體靜壓，且其方向指向地心，因此，機體直立位的流體靜壓值為由頭向足呈現梯度性增大，即直立狀態下機體頭部血壓低于足部血壓。然而，當人體進入太空后，微重力環境會引起血液柱流體靜壓的消失，表現為機體頭部和足部的流體靜壓值大小相等，從而引起機體心血管系統中血液分布的改變：主要表現為血液向機體上半身轉移并且淤積，引起機體上半身血管充盈，此時血管內皮細胞及平滑肌細胞處于高壓力狀態，出現類似“血壓增高”的效應；而下半身血液分布則相對減少，血管內皮細胞及平滑肌細胞處于低壓力狀態，出現類似“血壓降低”的效應。

人體進入太空微重力環境后，機體組織器官的力學微環境也會隨著重力的消失及血液重新分布而發生改變，進而引起組織器官的組成細胞所處壓力環境與地面正常重力環境有所區別。由此可見，人體在太空微重力條件下機體細胞所處的壓力環境并不是一成不變的，不同的組織細胞壓力會出現較地面相比增高或降低的變化。然而，現有的回轉器僅僅能夠單一的模擬微重力環境，而無法實現在細胞水平模擬微重力復合壓力的變化這一微環境。

發明內容

本發明的目的是克服現有的回轉器僅僅能夠單一的模擬微重力環境，而無法在細胞水平實現模擬微重力復合壓力的變化這一微環境的技術問題，提供一種用于模擬微重力-壓向應力聯合刺激的細胞培養裝置及方法。

本發明的技術方案是提供了一種用于模擬微重力-壓向應力聯合刺激的細胞培養裝置，包括細胞培養單元、壓力監測單元、微重力模擬單元和控制單元，所述壓力監測單元和微重力模擬單元設于細胞培養單元上，壓力監測單元和微重力模擬單元與控制單元電連接。

所述細胞培養單元包括培養箱，所述培養箱內設有培養瓶和儲液罐，所述培養瓶分別通過注液泵和排液泵與儲液罐連接進行注液和排液；

所述壓力監測單元包括壓力傳感器，所述壓力傳感器設于培養瓶的內壁上；

所述微重力模擬單元包括固定架和電機，所述固定架設于培養箱內壁上，培養瓶固定于固定架上，固定架通過旋轉軸與電機連接；

所述控制單元包括設于培養箱外部的控制器，所述注液泵和排液泵、壓力傳感器和電機都電連接于控制器。

所述控制器用于提供電源，同時接收信號并作出分析和控制。

所述培養箱內壁上設有保溫層，所述恒溫控制裝置包括保溫層，保溫層內設有加熱絲和冷凝器，保溫層上還設有溫度傳感器，所述加熱絲、冷凝器和溫度傳感器都電連接于控制器。

所述保溫層上還設有超溫保護器，該超溫保護器電連接于控制器。

所述于培養箱內還設有照明燈和紫外消毒燈，照明燈和紫外消毒燈設于培養瓶上方，所述照明燈和紫外消毒燈電連接于控制器。

所述固定架上設有多個連接培養瓶的卡爪。

所述培養瓶的瓶頸和瓶身的連接處為可彎折結構，且瓶頸和瓶身之間的夾角能在90°~180°之間變換。

所述培養箱上設有可視窗口。