CN111117890A - 细胞动态牵张应力培养装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种细胞动态牵张应力培养装置，包括：细胞培养装置以及机械施压装置；细胞培养装置包括容器主体以及设置在容器主体上的培养孔，培养孔的底部设有用于施加压力的弹性膜；机械施压装置包括：底座，在底座上设有与培养孔一一对应的顶件，在底座的两侧分别设有行程齿条；夹持装置，分别夹持于容器主体的两侧，在夹持装置内设有动力机构，行程齿条穿过该夹持装置，并在动力机构的驱动下，带动细胞培养装置按照行程齿条的径向方向上下移动。本发明结构简单，结构设置合理，能够在维持弹性膜张力的情况下换液或补充营养物质，便于后续的实验研究；能直接搭配现有细胞弹力培养皿和细胞培养箱使用，应用广泛，便于移动。

Description

细胞动态牵张应力培养装置
技术领域
本发明涉及实验仪器领域，特别是指一种细胞动态牵张应力培养装置。
背景技术
细胞的生长环境对细胞至关重要，生物内的细胞处于不同的复杂的微环境刺激中。近些年来，在体外实验的情况下模拟体内微环境对细胞影响的相关研究正在呈现逐年上升的趋势。
细胞在生物体中，处于一个复杂的生物力学环境中，在细胞生物学实验中，常常会应用到力学刺激对细胞的影响，方法为将细胞悬液接种在一个具有弹性膜结构的细胞培养皿中，在细胞贴壁生长后，通过外界施加干预，使弹性膜产生一定程度上的形变，从而对贴在弹性膜上的细胞提供机械牵张刺激。细胞在受到机械牵张应力刺激下，会导致细胞形态和生物学功能的相应变化。以此来模拟细胞，如Rodriguez T等人研究发现，人来源的脂肪间充质干细胞在受到多轴向的机械张力刺激下，细胞分泌的BLC，VEGF，MDC，MIP3α，LAP，MMP13 等细胞因子水平提高。Cheng Li等人则发现骨髓间充质干细胞在受到机械张力负载的情况下MMP2,TGFβ,FGF的旁分泌增多，增加成骨作用。因此，细胞机械牵张应力研究具有很大的潜在应用前景。
目前细胞应力培养装置的施压方式有负压吸引或机械加压。(1)负压吸引的如传统细胞牵张培养装置(Flexcell细胞牵张培养装置)体积庞大，需要购买配套相应的仪器，价格昂贵，无法与常规仪器直接搭配使用，一次最多只能对4 块培养皿施加张力，因此，一般的实验室难以开展，限制了该研究领域的发展。另外，细胞在生长过程中，需要不断补充和更换新的营养物质，即培养基，在使用传统牵张装置时，更换培养基需要将培养皿从牵张装置中拆卸下来，就会在较长一段时间内中断牵张刺激的干预，对试验结果产生一定影响。(2)机械加压的如在培养皿的底部采用直线同步电机施加压力或采用杠杆施压压力，但是该结构较复杂，设备相对较大，不方便实验室使用；另外也不方便在不停止施加压力的情形下补加营养物质。
有鉴于此，需要研究一种结构简单、不停止干扰的情形下及时补加营养物质的细胞应力培养装置的出现就很有必要了。
发明内容
本发明提出一种细胞动态牵张应力培养装置，解决了现有技术中设备结构复杂、不方便在不停止运动的情况下及时补加营养物质的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种细胞动态牵张应力培养装置，包括：细胞培养装置以及机械施压装置；其中：
所述细胞培养装置包括容器主体以及设置在容器主体上的培养孔，所述培养孔的底部设有用于施加压力的弹性膜；
所述机械施压装置包括：
底座，在所述底座上设有与所述培养孔一一对应的顶件，在所述底座的两侧分别设有行程齿条；
夹持装置，分别夹持于所述容器主体的两侧，在所述夹持装置内设有动力机构，所述行程齿条穿过该夹持装置，并在所述动力机构的驱动下，带动所述细胞培养装置按照所述行程齿条的径向方向上下移动。
作为优选的技术方案，所述顶件为圆柱体或棱柱体；所述顶件的顶面为弧面或平面，如球形弧面结构、或曲面结构。
作为优选的技术方案，所述顶件的顶面和/或侧面设有用于测量所述弹性膜的形变量的刻度；或者
所述齿条上设有用于测量所述弹性膜的形变量的刻度。
作为优选的技术方案，所述顶件与所述底座可拆卸连接或固定连接。
作为优选的技术方案，所述行程齿条的表面设有若干个齿槽，所述动力机构包括电机、与所述电机的动力轴相连的驱动杆、以及设置在所述驱动杆上且与所述齿槽相啮合的齿轮；在所述电机的驱动下，所述齿轮在所述行程齿条上行走，进而带动所述细胞培养装置按照所述行程齿条的径向方向上下移动。
作为优选的技术方案，所述行程齿条为2-8个。具体数量与培养孔数量有关系，基本上每个孔边上都要有2个齿条，保证压力均匀。
作为优选的技术方案，所述电机为一个，与其中一个所述驱动杆相连接，所述细胞培养装置另一侧的驱动杆通过同步齿轮或同步带实现同步运动。
作为优选的技术方案，所述电机为两个，分别与所述细胞培养装置两侧的驱动杆相连接，并同步运动。
作为优选的技术方案，还包括控制***，所述控制***包括PLC控制模块、电源模块，所述PLC控制模块分别与电源、电机相连接，用于控制所述电机的开关。其中所述电源为可充电电池。
作为优选的技术方案，所述控制***还包括蓝牙模块，所述蓝牙模块与所述PLC控制模块电性连接，以实现通信交互，通过手机或电脑控制。
作为优选的技术方案，所述细胞培养装置还包括与所述容器主体匹配的盖体。
有益效果
(1)本发明的细胞动态牵张应力培养装置的结构简单，结构设置合理，能够在维持弹性膜张力的情况下换液或补充营养物质，便于后续的实验研究。
(2)本发明的装置对设备无特殊要求，能直接搭配现有细胞弹力培养皿和细胞培养箱使用，应用广泛，便于移动。
(3)本发明的弹性膜的形变量可视化(膜上作同心圆，柱子顶面加刻度)，根据弹性膜上的同心圆间距变化，从而直观反映出膜的形变量。可通过前期测量，得到公式推导形变量和受力大小之间关系。
(4)本发明的装置可在动态下使用、亦可在静态下使用，调整方式多样化，当需要静态使用时，让机械施压装置固定即可实现。
(5)本发明的装置其中的顶件与底座可拆卸的连接，这样便于更换顶件，可以实现双向牵张或多向牵张。
(6)同一个培养板的不同孔，通过混合使用不同顶件的方式，可以施加不同的张力方式和大小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方案或现有技术中的技术方案，下面将对实施方案或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方案，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的分解结构示意图；
图3为本发明的剖面结构示意图；
图4为本发明中行程齿条和齿轮的配合示意图；
图5为本发明中动力机构的第一种结构示意图；
图6为本发明中动力机构的第二种结构示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，也可以是成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，也可以是通讯连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介的间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
参见图1-6所示：一种细胞动态牵张应力培养装置1，包括：细胞培养装置10以及机械施压装置20；其中：细胞培养装置10包括容器主体101以及设置在容器主体101上的培养孔102，培养孔102的底部设有用于被施加压力的弹性膜103。容器主体101的上部配有盖体104。该细胞培养装置10可以使用现有的细胞弹力培养皿，可以是单孔、4孔、6孔，8孔，12孔等，不受数量限制，根据实验需要进行选择。由于弹性膜103被施加压力后会出现明显的型变，因此，优选采用硅胶材质。
机械施压装置20包括底座201和夹持装置202。其中在底座201上设有与培养孔102一一对应的顶件30，在底座201的两侧分别设有行程齿条2011。如图2所示，夹持装置202包括两个对称设置的夹持部件，分别夹持于容器主体 101的两侧。关于夹持装置本领域技术人员还可以设计成U型结构，这样夹持装置与容器主体的三条边相接触，这样设计使得结构更稳定，容器主体101不容易脱出机械施压装置20。
本发明在夹持装置202内设有动力机构203，行程齿条2011穿过该夹持装置202，并在动力机构203的驱动下，带动细胞培养装置10按照行程齿条 2011的径向方向上下移动。行程齿条2011上设有限位部件2012，这样不至于把细胞培养装置10与底座201分离脱出。其中的顶件为圆柱体，圆柱体的顶面可以选择弧面，也可以选择平面，本实施例中为平面。当然的，顶件30也可以为规则的棱柱体，如三棱柱、四棱柱，具体可以根据需要进行选择。
本实施例为了便于了解弹性膜103的形变量，在弹性膜103上做了同心圆 (图中未标示)，在顶件30的顶部设置了刻度，这样根据弹性膜上的同心圆间距变化，能够直观反映出膜的形变量。另外，为了方便更换顶件30，顶件30 与底座201采用可拆卸的方式连接。当然，本领域技术人员也可以直接固定，这样需要不同的形状的顶件30时，也可以直接更换整体的机械施压装置20。本实施例的行程齿条2011的表面设有若干个齿槽(图中未标出)，动力机构203 包括电机2031、与电机2031的动力轴2032相连的驱动杆2033、以及设置在驱动杆2033上且与齿槽相啮合的齿轮2035；在电机2031的驱动下，齿轮在行程齿条上行走，进而带动细胞培养装置10按照行程齿条的径向方向上下移动。其中行程齿条可以在2-8个之间选择，本实施列中为6个。当然，电机2031也可以根据实际需要选择，如图5本实施列中使用的是两个电机，分别与细胞培养装置两侧的驱动杆相连接，并同步运动。如图6选用一个电机也可以，与其中一个驱动杆相连接，细胞培养装置另一侧的驱动杆通过同步齿轮或同步带2034 实现同步运动。为了便于控制，本实施列还包括控制***(属于现有技术的应用，不做赘述)，控制***包括PLC控制模块、电源模块2040，PLC控制模块分别与电源、电机相连接，用于控制电机的开关。其中电源为可充电电池。控制***还包括蓝牙模块，蓝牙模块与PLC控制模块电性连接，以实现通信交互，通过手机或电脑控制。(此部分为现有技术的应用，不做详述)该控制***可以调节时间，频率，牵张幅度等，根据实验需求进行不同的牵张刺激。
将细胞以合适的密度接种于细胞培养装置10中，盖好盖体104，放置在细胞培养箱中培养一定时间(根据实验要求定)。选用实验所需的相应顶件30，并将顶件30固定于底座201上。通过光学显微镜观察到细胞贴壁生长后，将细胞培养装置10滑行嵌入夹持装置202中。工作时，根据所需要的频率，幅度，时间设定好控制***的参数，控制电机2031转动，带动细胞培养装置10按照行程齿条2011的径向方向上下移动。限位部件2012可防止细胞培养装置10与底座12分离脱出。不工作时，顶件30的上表面与细胞培养装置10的弹性膜103 自然接触，弹性膜103不发生形变。细胞培养装置10往下移动时，顶件30将弹性膜103顶起。细胞培养装置10往下移动距离越大，弹性膜103产生的形变量越大。由于细胞培养装置10上下位移，弹性膜103则会根据位移距离，发生相应程度的牵张形变。将整个装置放置于细胞培养箱中，即可对细胞进行牵张干预。当需要更换细胞培养基时，只需将装置从细胞培养箱中取出，打开盖体 104，即可进行操作，细胞仍处于受到牵张应力刺激状态。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种细胞动态牵张应力培养装置，包括：细胞培养装置以及机械施压装置；其特征在于：
所述细胞培养装置包括容器主体以及设置在容器主体上的培养孔，所述培养孔的底部设有用于被施加压力的弹性膜；
所述机械施压装置包括：底座，在所述底座上设有与所述培养孔一一对应的顶件，在所述底座的两侧分别设有行程齿条；夹持装置，分别夹持于所述容器主体的两侧，在所述夹持装置内设有动力机构，所述行程齿条穿过该夹持装置，并在所述动力机构的驱动下，带动所述细胞培养装置按照所述行程齿条的径向方向上下移动。
2.根据权利要求1所述的一种细胞动态牵张应力培养装置，其特征在于，所述顶件为圆柱体或棱柱体；所述顶件的顶面为弧面或平面。
3.根据权利要求1或2所述的一种细胞动态牵张应力培养装置，其特征在于，所述顶件的顶面和/或侧面设有用于测量所述弹性膜的形变量的刻度；或者
所述齿条上设有用于测量所述弹性膜的形变量的刻度。
4.根据权利要求3所述的一种细胞动态牵张应力培养装置，其特征在于，所述顶件与所述底座可拆卸连接或固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种细胞动态牵张应力培养装置，其特征在于，所述行程齿条的表面设有若干个齿槽，所述动力机构包括电机、与所述电机的动力轴相连的驱动杆、以及设置在所述驱动杆上且与所述齿槽相啮合的齿轮；在所述电机的驱动下，所述齿轮在所述行程齿条上行走，进而带动所述细胞培养装置按照所述行程齿条的径向方向上下移动。
6.根据权利要求5所述的一种细胞动态牵张应力培养装置，其特征在于，所述行程齿条为2-8个。
7.根据权利要求1所述的一种细胞动态牵张应力培养装置，其特征在于，所述电机为一个，与其中一个所述驱动杆相连接，所述细胞培养装置另一侧的驱动杆通过同步齿轮或同步带实现同步运动。
8.根据权利要求1所述的一种细胞动态牵张应力培养装置，其特征在于，所述电机为两个，分别与所述细胞培养装置两侧的驱动杆相连接，并同步运动。
9.根据权利要求1所述的一种细胞动态牵张应力培养装置，其特征在于，还包括控制***，所述控制***包括PLC控制模块、电源模块，所述PLC控制模块分别与电源、电机相连接，用于控制所述电机的开关。
10.根据权利要求9所述的一种细胞动态牵张应力培养装置，其特征在于，所述控制***还包括蓝牙模块，所述蓝牙模块与所述PLC控制模块电性连接，以实现通信交互，通过手机或电脑控制。
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