CN111849771A - 一种对含细胞的培养物进行负压和力学刺激的培养装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种对含细胞的培养物进行负压和力学刺激的培养装置，在刺激腔的底部设置一层硬度环境与人体肌肉组织接近的弹性膜，并在弹性膜上设置黏结层和三维网状层，将含有细胞的水凝胶滴加在三维网状层上，并通过黏结层对三维网状层进行固定，同时三维网状层为细胞生长提供空间，提高细胞的成活率，在试验过程中，通过压力板对刺激腔密封，通过真空装置控制刺激腔的压力，由于三维网状层被固定在黏结层上，在负压力学刺激下，弹性膜会发生变形进而带动三维网状层中的细胞会被拉伸变形，从而使细胞在负压环境产生力学拉伸刺激，得到与真实人体环境类似的效果。

Description

一种对含细胞的培养物进行负压和力学刺激的培养装置
技术领域
本发明涉及生物医学工程技术领域，具体为一种对含细胞的培养物进行负压和力学刺激的培养装置。
背景技术
人体或某个部位在某种特定的场合会处于负压环境，如采用传统的拔火罐，由于负压导致的皮肤凸起，临床上广泛采用的治疗急性创伤、慢性难愈合性创面、糖尿病足、伤口感染的封闭负压引流技术也会造成局部组织处于负压状态，这种封闭负压技术对人体组织是一种物理刺激形式，有利于疾病恢复。封闭负压技术对局部组织的作用，一个非常明显的物理影响就是局部组织处于负压环境使细胞内外有压差，以及受负压后组织变形引起的拉伸作用，细胞内外的压差会引起血管渗透性、细胞因子表达等生理作用，而拉伸作用对干细胞的分化方向有直接影响。
杨雄峰等人在《体外负压培养对小鼠骨髓间充质干细胞增殖能力和血管内皮生长因子分泌水平的影响》论文中，自制了一套负压吸引装置，包含一个吸痰机、一个负压可调节吸引器和一个密闭的容器盒组成。采用三个设定的负压，发现体外负压培养可通过上调血管内皮生长因子分泌水平促进骨髓间充质干细胞增殖。此装置一定程度模拟了封闭负压环境，但没有考虑细胞微环境、心脉跳动、细胞具体受拉伸程度、细胞受拉伸的均匀性等影响因素。
崔瑾等在《体外模拟罐法负压对人脐静脉血管内皮细胞增殖与迁移影响的研究》中，将人脐静脉血管内皮细胞接种于自制的负压装置，对细胞加载力学刺激，证明负压对血管内部细胞具有增殖调节作用。但此实验自制的装置简单，只是一种探索，仅模拟了拔火罐的负压作用，对细胞的力学调节、刺激过程量化以及细胞的活性等都没有深入考虑。
上述的刺激设备只是简单的将细胞贴壁培养在玻璃基底，细胞所受刺激条件单一，而且细胞在负压环境下的氧气会大大减少，非常容易导致细胞死亡，严重影响实验结果。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种对含细胞的培养物进行负压和力学刺激的培养装置，能真实的模拟细胞在体内的状态，使细胞在负压环境受到力学拉伸刺激，得到与真实人体环境类似的效果。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种对含细胞的培养物进行负压和力学刺激的培养装置，包括培养装置、真空装置、距离检测装置、固定架和控制单元；
所述培养装置包括压力板和培养板，压力板和培养板均设置在固定架上，培养板上设置由若干个贯穿的刺激腔，刺激腔的底部覆盖有弹性膜，弹性膜的表面涂覆一层黏结膜，黏结膜顶面形成一层三维网状结构，用于对细胞提供基本框架和代谢场所；
所述压力板位于培养板的顶部，并能够沿固定架上下滑动将刺激腔密封，真空装置与刺激腔连通，用于对刺激腔施加负压，距离检测装置位于弹性膜的底部，用于测量弹性膜在负压作用下的变形量，真空装置和弹性膜分别与控制单元连接，控制单元根据弹性膜的变形量控制负压压力。
优选的，所述弹性膜为聚有机硅氧烷聚合物薄膜。
优选的，所述黏结膜为具有带正电荷氨基的多肽形成的黏结膜。
优选的，所述三维网状层为网状支架、纺丝支架、脱细胞后生物组织、消毒脱脂棉花、或具备空隙结构的高分子化合物。
优选的，所述压力板的底部设置有密封塞，密封塞的中心设置有气道，真空装置与气道的一端连接，气道的另一端伸入至刺激腔中。
优选的，所述密封塞为圆台结构的橡胶塞。
优选的，所述真空装置包括负压泵、气体过滤器、真空传感器和管道，管道的一端密封塞的气道连接，另一端与负压泵连接，气体过滤器和压力传感器设置在管道上。
优选的，所述固定架包括底座以及设置在其顶部的伸缩架，培养板设置在底座的顶部，压力板设置在伸缩架的顶部，伸缩架带动压力板上下滑动，实现对刺激腔的密封或打开。
优选的，所述伸缩架包括导向柱和驱动装置，两个导向柱和两个驱动装置分别沿压力板的对角设置，导向柱的上端与压力板连接，下端与底座连接连接，驱动装置带动压力板沿导向柱上下活动。
优选的，所述培养板通过平移装置与固定架连接，平移装置包括移动板、导轨和驱动装置，移动板的顶面设置有凹槽，培养板配装在凹槽中，凹槽中设置有通孔，使弹性膜与距离检测装置正对，移动板的两侧通过导轨与固定架连接，驱动装置设置在固定架上并与移动板连接，驱动装置能够使移动板沿轨道水平移动。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种对含细胞的培养物进行负压和力学刺激的培养装置，在刺激腔的底部设置一层硬度环境与人体肌肉组织接近的弹性膜，并在弹性膜上设置黏结层和三维网状层，将含有细胞的水凝胶滴加在三维网状层上，并通过黏结层对三维网状层进行固定，同时三维网状层为细胞生长提供空间，提高细胞的成活率，在试验过程中，通过压力板对刺激腔密封，通过真空装置控制刺激腔的压力，由于三维网状层被固定在黏结层上，在负压力学刺激下，弹性膜会发生变形进而带动三维网状层中的细胞会被拉伸变形，从而使细胞在负压环境产生力学拉伸刺激，得到与真实人体环境类似的效果。
附图说明
图1为本发明刺激装置的外观示意图；
图2为本发明细胞培养装置的结构示意图；
图3为本发明封闭板的安装示意图；
图4为本发明培养腔的安装示意图；
图5为本发明密封塞的排布图；
图6为本发明移动培养腔的结构示意图；
图7为本发明移动板的结构示意图；
图8为本发明培养板的安装示意图。
图中：1、压力板；2、密封塞；3、培养板；4、移动板；5、固定架；6、导向柱；7、气缸；8、距离检测装置；9、挡板；11、连接板；21、气道；31、刺激腔；32、弹性膜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参阅图1-8，一种对含细胞的培养物进行负压和力学刺激的培养装置，包括壳体，以及设置其内部的培养装置、真空装置、检测装置、固定架和控制单元。
所述培养装置包括压力板1和培养板3，压力板1和培养板3均设置在固定架上，培养板3上设置由若干个贯穿的刺激腔31，刺激腔31的底部覆盖有弹性膜32，压力板1位于培养板3的顶部，并能够沿固定架5上下滑动将刺激腔31密封，真空装置与刺激腔连通，用于对刺激腔31施加负压，距离检测装置位于弹性膜32的底部，用于测量弹性膜在负压作用下的变形量，真空装置和弹性膜32分别与控制单元连接，控制单元根据弹性膜32的变形量控制负压压力。
所述弹性膜顶面涂覆一层黏结膜，粘结膜的顶面形成一层三维网状结构，将含有细胞的水凝胶滴加在三维网状层上，水凝胶通过三维网状层渗透至黏结膜上，黏结膜将三维网状层牢固黏附在弹性膜上，并且不影响细胞活性的生物分子，同时三维网状层为起到支撑作用，为细胞的生长提供空间，提高细胞的成活率，在负压力学刺激下，细胞会被动拉伸变形，黏结膜会将三维网状层固定在弹性膜表面，从而使细胞在负压环境产生力学拉伸刺激，得到与真实人体环境类似的效果，同时通过距离检测装置检测弹性膜的垂直变形量，并将变形量反馈给控制单元，控制单元根据变形量控制刺激腔的真空度，对细胞进行力学刺激，同时避免力量过大导致细胞失去活性。
弹性膜为聚有机硅氧烷聚合物薄膜。
黏结膜为具有带正电荷氨基的多肽形成的黏结膜。由于硅氧烷聚合物表面特殊的电荷分布，三维网状层中的含细胞水凝胶也含有糖蛋白等负电荷，这种富含正电荷的多肽容易与之粘合形成较强的粘合力。
三维网状层为3D打印技术制备的网状支架、静电纺丝技术制备的纺丝支架、脱细胞后生物组织、消毒脱脂后的棉花等天然高分子化合物，或人工制备的具备空隙结构的高分子化合物。三维网状层起着支持、连接细胞的作用，同时其三维的空间结构和机械力学性能有利于细胞的黏附和生长，为细胞新陈代谢提供了基本框架和代谢场所。
所述距离检测装置为激光测距器，将激光光学信号转换为电信号，弹性膜在压力的作用下，发生形变使弹性膜的中心上下直线移动，激光光学信号实时测量弹性膜在负压作用下的弹性变形量并发送控制单元，得到力学刺激下每个刺激腔内的弹性膜形变数值，在细胞接种量、水凝胶成分、培养温度等其他条件保持一致时，弹性膜形变数值可以作为评估三维网状层中细胞在负压下所受力学作用的量化参数。
所述压力板的底部设置有密封塞2，密封塞的中心设置有气道21，真空装置与气道21的一端连接，气道的另一端伸入至刺激腔中，试验时，使压力板下移，使密封塞2与刺激腔接触并将其密封，真空装置通过气道对刺激腔施加负压，以实现对细胞施加力学刺激的目的。
刺激腔为广口的锥孔，密封塞能够配装在刺激腔中对其密封，密封塞的高度小于刺激腔的深度，密封塞优选为橡胶塞，采用医用级硅胶密封垫圈，对细胞无毒性。
真空装置包括负压泵、气体过滤器、真空传感器和管道，管道的一端密封塞的气道连接，另一端与负压泵连接，气体过滤器和压力传感器设置在管道上，气体过滤器对进入刺激腔的气体进行过滤，避免外部环境影响培养液，同时通过真空传感器实时监控刺激腔的真空度，真空传感器与控制单元连接，控制单元根据真空参数调节真空度。
真空装置为闭环控制，真空装置的真空度在0-40KPa,真空误差为±1.0kPa，流量大于1L/min，真空***的真空持续时间一次不少于24小时，连续操作保持在7天以上。
真空***的输入端还设置有空气干燥器，防止水汽进入控制电路。
试验过程中采用的气源为氧气、二氧化碳和空气的混合气体，并在气源端设置有二氧化碳传感器、氧气传感器和温度传感器，监测二氧化碳和氧气浓度以及混合气体的温度，保证细胞生长需要。
在实验过程中，在不同时间设置不同真空度，弹性膜的硬度环境与人体肌肉组织接近，使弹性膜按照一定的浮动上下波动，模拟静态波、正旋波、三角形波、心形波等，真实的模拟细胞在体内的状态。
固定架包括底座以及设置在其顶部的伸缩架，培养板设置在底座的顶部，压力板1设置在伸缩架的顶部，密封塞设置在压力板的底部，管道穿过压力板与密封塞的气道的连接，伸缩架带动压力板上下滑动，实现对刺激腔的密封或打开。
伸缩架包括导向柱和驱动装置，两个导向柱和两个驱动装置分别沿压力板的对角设置，即压力板的一侧分别设置一导向柱和驱动装置，导向柱的上端与压力板连接，下端与底座连接连接，驱动装置带动压力板沿导向柱上下活动。
所述导向柱为伸缩杆，包括套设的内杆和外杆，外杆的下端与底座连接，内杆的上端压力板连接，压力板移动时，内杆相对与外杆上下移动。
所述驱动装置为气缸或电动伸缩杆。
压力板的两侧设置有连接板11，连接板的一端与压力板的侧壁连接，另一端分别与内杆和驱动装置连接，实现压力板的垂直移动，连接板上设置有多个安装孔，压力板的顶部设置有管道接头，管道穿过安装孔并通过管道接头与密封塞的气道连接，通过安装孔将管道固定，在上下移动的过程中，避免造成松动，同时也更加整洁便于维护。
培养板通过平移装置与底座连接，在壳体上设置有出口，通过平移装置带动培养板水平移动，在填充培养液时，通过平移装置使培养板通过壳体的出口伸出至壳体的外部。
平移装置包括移动板、导轨和驱动装置，移动板的顶面设置有凹槽，培养板配装在凹槽中，凹槽中设置有通孔，使弹性膜与激光测距器正对，移动板的两侧通过导轨与固定架连接，驱动装置设置在固定架上并与移动板连接，驱动装置能够使移动板沿轨道水平移动。
轨道包括滑槽和滑轨，滑槽设置在固定架上，滑轨设置在移动板的一侧，并与滑槽配合，在滑槽的末端设置有限位装置，对移动板的移动位置进行定位，使其在试验过程中与激光测距器正对，同时当密封塞配装在刺激腔中，由于密封塞和刺激腔采用斜面配合，也能够对移动板进行定位，保证弹性膜和距离检测装置的精准定位。
挡板9上端与壳体的出口铰接，移动板滑动的过程中碰撞挡板，使出口露出，移动板通过出口伸出。
所述培养板上阵列设置多个刺激腔，在压力板的底面对应设置多个密封塞，这样实现同时多中培养液的试样，每个培养液连接一套真空装置，对每个刺激腔单独控制。
壳体上还设置有触摸屏，显示器与控制单元连接，用于显示和设置每个刺激腔的设定真空度、实际真空度，波形，时间、启动停止等，同时控制单元还用于储存试验数据，同时连接有USB接口，用于导出数据。
下面对本发明的一种细胞力学刺激装置的试验方法，包括以下步骤：
(1)、将细胞力学刺激装置放置于二氧化碳培养箱内，打开气源储气瓶气阀，调节混合气体比例为95％空气和5％CO2，将混合气体与负压细胞力学刺激装置相连；
(2)、将含有细胞的水凝胶滴加在灭菌后的刺激腔的环状网状层上，培养板在移动板的带动下移动到仪器内部，固定位置，使密封塞下移封闭刺激腔。
(3)、设定需要的真空压力大小、频率及波形，控制单元通过驱动电路控制真空泵，调节并控制刺激腔内的真空压力；
(4)、所述真空传感器将检测的真空数据发送给控制单元，同时激光测距器得到的距离数据被传导至控制主板，控制单元根据压力参数和距离参数调控真空度，或是真空度维持在一定状态，并并实时记录和显示数据。
本发明提供一种细胞力学刺激装置，将细胞黏结在弹性膜上，并通过真空泵输入氧气和二氧化碳的混合气体，控制刺激腔的气体含量，调高细胞的成活率，避免细胞在负压环境下的氧气会大大减少，加上细胞的生长会加快消耗氧气，氧气的不足会直接造成细胞生长缓慢甚至死亡，严重影响实验结果；同时，通过设置真空度使弹性膜按照一定的浮动上下波动，模拟静态波、正旋波、三角形波、心形波等，真实的模拟细胞在体内的状态，提高实验数据的真实性，其次，将细胞通过黏结层固定，解决了负压力学刺激下，细胞会被动拉伸变形，贴壁生长的细胞很容易滑脱，从而使负压导致的力学拉伸刺激失效，得不到正确的实验结果的问题。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种对含细胞的培养物进行负压和力学刺激的培养装置，其特征在于，包括培养装置、真空装置、距离检测装置、固定架和控制单元；
所述培养装置包括压力板(1)和培养板(3)，压力板(1)和培养板(3)均设置在固定架上，培养板(3)上设置由若干个贯穿的刺激腔(31)，刺激腔(31)的底部覆盖有弹性膜(32)，弹性膜(32)的表面涂覆一层黏结膜，黏结膜顶面形成一层三维网状结构，用于对细胞提供基本框架和代谢场所；
所述压力板(1)位于培养板(3)的顶部，并能够沿固定架(5)上下滑动将刺激腔(31)密封，真空装置与刺激腔连通，用于对刺激腔(31)施加负压，距离检测装置位于弹性膜(32)的底部，用于测量弹性膜在负压作用下的变形量，真空装置和弹性膜(32)分别与控制单元连接，控制单元根据弹性膜(32)的变形量控制负压压力。
2.根据权利要求1所述的一种对含细胞的培养物进行负压和力学刺激的培养装置，其特征在于，所述弹性膜为聚有机硅氧烷聚合物薄膜。
3.根据权利要求1所述的一种对细胞进行负压和力学刺激的培养装置，其特征在于，所述黏结膜为具有带正电荷氨基的多肽形成的黏结膜。
4.根据权利要求1所述的一种对含细胞的培养物进行负压和力学刺激的培养装置，其特征在于，所述三维网状层为网状支架、纺丝支架、脱细胞后生物组织、消毒脱脂棉花、或具备空隙结构的高分子化合物。
5.根据权利要求1所述的一种对含细胞的培养物进行负压和力学刺激的培养装置，其特征在于，所述压力板的底部设置有密封塞(2)，密封塞的中心设置有气道(21)，真空装置与气道(21)的一端连接，气道的另一端伸入至刺激腔中。
6.根据权利要求1所述的一种对含细胞的培养物进行负压和力学刺激的培养装置，其特征在于，所述密封塞为圆台结构的橡胶塞。
7.根据权利要求5所述的一种对含细胞的培养物进行负压和力学刺激的培养装置，其特征在于，所述真空装置包括负压泵、气体过滤器、真空传感器和管道，管道的一端密封塞的气道连接，另一端与负压泵连接，气体过滤器和压力传感器设置在管道上。
8.根据权利要求1所述的一种对含细胞的培养物进行负压和力学刺激的培养装置，其特征在于，所述固定架包括底座以及设置在其顶部的伸缩架，培养板设置在底座的顶部，压力板(1)设置在伸缩架的顶部，伸缩架带动压力板上下滑动，实现对刺激腔的密封或打开。
9.根据权利要求8所述的一种对含细胞的培养物进行负压和力学刺激的培养装置，其特征在于，所述伸缩架包括导向柱和驱动装置，两个导向柱和两个驱动装置分别沿压力板的对角设置，导向柱的上端与压力板连接，下端与底座连接连接，驱动装置带动压力板沿导向柱上下活动。
10.根据权利要求1所述的一种对含细胞的培养物进行负压和力学刺激的培养装置，其特征在于，所述培养板通过平移装置与固定架连接，平移装置包括移动板、导轨和驱动装置，移动板的顶面设置有凹槽，培养板配装在凹槽中，凹槽中设置有通孔，使弹性膜与距离检测装置正对，移动板的两侧通过导轨与固定架连接，驱动装置设置在固定架上并与移动板连接，驱动装置能够使移动板沿轨道水平移动。
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