专利名称：模拟体内环境下可视化细胞精密拉伸装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在模拟体内环境下可进行实时观察的细胞精密拉伸加载装置，属 于细胞力学的技术领域。
背景技术：
力学刺激的生物学效应和它们的作用机制目前已在许多细胞类型和组织中开始 研究，这些研究结果已使人们对它们在细胞分化、基因表达、细胞和组织生长以及伤口愈合 的修复和功能整合中所起的作用，引起了重视。如周期性应变可影响细胞形态，导致细胞骨 架重排。不同的应力刺激可导致骨髓间充质干细胞分化方向改变，周期性加载可影响组织 工程软骨中细胞增殖等。然而，对于机械应力是如何被细胞感受并传递至细胞内，最终导致 细胞发生一系列生物学效应的，其确切机制尚不清楚。因此，需要设计特定的体外力学加载实验装置使力学刺激作用于所培养的细胞， 观察细胞受应力作用后的增殖、凋亡、分化，以及细胞力学特性、基因、蛋白和酶的表达等的 变化，该实验方法是目前生物力学领域发展十分迅速的一种研究方法。但由于体内力学和 生物学环境异常复杂，人体细胞的大小在十几到几十个微米之间，细胞膜的厚度仅有几个 纳米到几十个纳米，因此，无法直接使用常规的宏观力学加载方法和实验技术；建立合适的 加载培养模型是细胞力学面临的首要问题。为建立细胞加载力的合理方法，早在1939年，科学家就在体外培养细胞的力学加 载方面进行了开拓性的研究。经过多年改进和发展，已研制出多种体外培养细胞的力学加 载装置。大致可分为单细胞加载装置、压力传导加载装置、离心力加载装置、流体剪切力加 载装置和基底形变加载装置。基底形变加载技术开始于弹性细胞培养膜的问世。装置的设计思路是以弹性膜作 为基底材料，通过将细胞种植于弹性膜上，由装置产生可控制的运动使得弹性膜发生形变， 而培养在弹性膜表面上的细胞因基底的形变而受力，从而实现拉伸应力下细胞生长规律研 究的可能性。这种加载装置的加力方式较为合适，且不限制实验周期，是目前一种较为理想 的实验装置，可用于各种细胞的体外力学加载，主要用于研究牵张力对体外培养细胞增殖 和代谢等的影响。其加载技术主要有矩形基底拉伸、圆形基底拉伸等，其中圆形基底的拉伸 更为常见。现有的圆形基底拉伸装置一般采用模拟电路进行控制，拉伸频率、刺激大小范围 有限，且装置设计完成后，相关参数不易更改，适用面有限。从测量情况看，在IHz控制频率 下，由于使用硅胶管内径限制及蠕动泵本身参数影响，液体流量受到一定限制，膜难以达到 10%以上的伸长比。而非平面圆形基底延伸系统通过可变形的圆形基底的运动来施加应 变，Flexercell加载系统是这类非平面圆形基底延伸系统的典型，能够提供较大范围的应 变刺激；然而该装置中，弹性基膜在不同位置的应变分布不均勻，这就给实验结果分析带来 了系统误差。并且针对不同细胞所需研究的加载或为频率拉伸或为连续拉伸，据此开发了 体内环境模拟可视化细胞精密拉伸装置。
发明内容
本发明的目的是针对现有细胞加载装置的不足之处，提供一种计算机编程控制的 细胞拉伸加载装置，具有在模拟体内环境下能实现连续拉伸，且拉伸范围更大，细胞受力均 勻，能精确控制拉伸幅度和频率，能够对细胞生长情况进行实时观察，同时也能对多张基底 膜进行拉伸。为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案一种模拟体内环境下可视化细胞精密拉伸装置，包括用于夹持基底膜的基底膜安 装装置、支座、用于拉动基底膜安装装置平行移动时间、频率以及幅度的自动拉伸装置、用 于实时观察基底膜的可视化观察装置、培养池以及用于放置培养池的培养池安装座，所述 基底膜安装装置包括固定杆和行程杆，所述固定杆和行程杆的相邻端皆分别安装基底膜夹 持器，基底膜夹持安装在两基底膜夹持器之间，且固定杆与支座固定连接，而行程杆则可水 平移动地支撑在支座上，同时行程杆与自动拉伸装置的输出端固定连接，另外，所述培养池 安装座安装在支座上，而培养池则置于培养池安装座上，且培养池与固定杆和行程杆的连 线中心对齐，所述可视化观察装置包括CCD摄像头以及与CCD摄像头相连接的光纤，所述光 纤置于基底膜上方。进一步地，所述自动拉伸装置包括拉伸仪以及用于控制拉伸仪的拉伸时间、拉伸 频率以及拉伸幅度的控制器，所述拉伸仪包括压电陶瓷电机，而控制器则基于Work bench V5界面建立。进一步地，所述支座包括水平放置的定位板以及固定地间隔安装在该定位板上的 固定立架和滑动立架，所述固定杆与固定立架固定连接，行程杆可移动地支撑在滑动立架 上，而培养池安装座则安装在定位板上。 进一步地，所述行程杆包括第一行程杆分体和第二行程杆分体，所述第一行程杆 分体和第二行程杆分体通过固定连接件连接成一体，且第一行程杆分体架设在滑动立架 上，同时该第一行程杆分体的端部安装基底膜夹持器，而第二行程杆分体则与自动拉伸装 置连接，且第二行程杆上安装有定位衬套。进一步地，所述基底膜夹持器，包括第一 U形板和第二 U形板，所述第一 U行板套 接在第二 U形板内，且第一 U行板和第二 U形板的封闭端皆呈平板设置，同时第一 U形板上 安装有用于与行程杆连接的连接杆，另外所述第一 U行板和第二 U形板的敞口端皆呈外凸 缘设置，第一 U形板和第二 U形板通过连接在两者凸缘端上的紧固件固紧连接，基底膜夹紧 在第一 U行板和第二 U形板的两封闭端之间。进一步地，所述固定杆和行程杆分别通过止动螺钉安装在固定立架和滑动立架 上。根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果1、本发明采用自动拉伸装置拉动基底膜安装装置平行移动，并对该基底膜安装装 置的平行移动时间、频率和幅度进行控制，即对夹持安装在基底膜安装装置上的基底膜进 行拉伸时间、拉伸频率和拉伸幅度的自动控制，同时可实现对细胞的连续拉伸。由此可知， 本发明即为动态轴向基底膜牵张系统，在基底膜弹性范围以内，其应变是无限可调的，适用 范围更广。2、本发明还添加了可视化观察装置，该可视化观察装置通过与CXD摄像头相连的光纤，可在加载过程中进行定时、定点的观察基底膜细胞的变化，而无需移动细胞培养单 元，避免了培养膜及细胞被污染的可能性。3、本发明在设计上考虑了体内环境模拟的问题，把细胞培养单元置于CO2培养箱 中进行实验，以获得更精准的实验结果。在这一实验方案下，还可把对照组一同放入培养 箱，使拉伸加载组处于相同的培养环境，满足不同实验需求。4、本发明还特别设计了基底膜夹持器，其最大的优点是可同时夹上几张基底膜， 膜受力均勻且装载方便，简化了操作程序。本装置结构简单、价格便宜，可广泛用作医学实 验仪器的细胞力学加载装置，是在生物力学中对生物组织和细胞进行力学刺激响应研究的 理想加载装置。
图1为本发明的结构示意图；图2为细胞培养单元示意图；其中，控制器1、导线2、拉伸仪3、行程杆4、第一行程杆分体41、第二行程杆分体 42、定位衬套5、固定螺钉6、滑动立架7、止动螺钉8、培养池9、基底膜夹持器10、培养池安 装座11、固定杆12、固定立架13、定位板14、光纤15、(XD摄像头16、细胞培养箱17、培养池 顶盖18、基底膜19、培养液20、夹持器活动槽21。
具体实施例方式附图非限制性地公开了本发明一个优选实施例的结构示意图，以下将结合附图详 细地说明本发明的技术方案。如图1和图2所示，本发明所述的模拟体内环境下可视化细胞精密拉伸装置，包括 用于夹持基底膜19的基底膜安装装置、支座、用于拉动基底膜安装装置平行移动时间、频 率以及幅度的自动拉伸装置、用于实时观察基底膜19的可视化观察装置、培养池9以及用 于放置培养池9的培养池安装座11，所述基底膜安装装置包括固定杆12和行程杆4，所述 固定杆12和行程杆4的相邻端皆分别安装基底膜夹持器10，基底膜夹持安装在两基底膜 夹持器10之间，且固定杆12与支座固定连接，而行程杆4则可水平移动地支撑在支座上， 因此，基底膜安装装置与支座形成稳固的刚性基础，能保证拉伸过程的平稳，同时行程杆4 与自动拉伸装置的输出端固定连接，所述自动拉伸装置包括拉伸仪3以及用于控制拉伸仪 3的拉伸时间、拉伸频率以及拉伸幅度的控制器1，所述拉伸仪3包括压电陶瓷电机，而控制 器1则基于Work bench V5界面建立，因此，本发明通过计算机编程可实现对细胞的连续拉 伸，行程杆4在拉伸仪3的驱动下可在水平方向上来回移动，即行程杆4将拉伸仪3的动力 传递给夹持拉伸膜的细胞培养单元作水平直线运动，以便对附着的细胞进行加载拉伸，另 外，所述培养池安装座11安装在支座上，而培养池9则置于培养池安装座11上，且培养池9 与固定杆12和行程杆4的连线中心对齐，所述可视化观察装置包括CXD摄像头16以及与 CXD摄像头16相连接的光纤15，所述光纤15置于基底膜19上方。所述支座包括水平放置的定位板14以及固定地间隔安装在该定位板14上的固定 立架13和滑动立架7，所述固定杆12与固定立架13固定连接，行程杆4可移动地支撑在滑 动立架7上，而培养池安装座11则安装在定位板14上。
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所述培养池安装座11通过一实验用机械升降台支撑在支座上。即本发明所述的 培养池安装座11高度可调节，有效地保证了本发明的普适性。所述行程杆4包括第一行程杆分体和第二行程杆分体，所述第一行程杆分体和第 二行程杆分体通过固定连接件连接成一体，且第一行程杆分体架设在滑动立架7上，同时 该第一行程杆分体的端部安装基底膜夹持器10，而第二行程杆分体则与自动拉伸装置连 接，且第二行程杆4上安装有定位衬套5。所述基底膜夹持器10，包括第一 U形板和第二 U形板，所述第一 U行板套接在第二 U形板内，且第一 U行板和第二 U形板的封闭端皆呈平板设置，同时第一 U形板上安装有用 于与行程杆4连接的连接杆，连接杆穿过培养池顶盖18后与行程杆4连接，培养池顶盖18 由两分体形成，即连接杆可以随着行程杆4的移动在培养池顶盖18的两分体之间平移，相 当于培养池顶盖18的两分体之间间隙形成夹持器活动槽21，另外所述第一 U行板和第二 U 形板的敞口端皆呈外凸缘设置，使得第一 U形板和第二 U形板通过连接在两者凸缘端上的 紧固件固紧连接，基底膜19夹紧在第一 U行板和第二 U形板的两封闭端之间。因此，与现 有技术中，直接将基底膜19放置在平台上相比，本发明所述的基底膜夹持器10可以同时夹 持几张基底膜19，而且每一张基地膜受力均勻且装载方便，简化了操作程序。所述固定杆12通过止动螺钉8安装在固定立架13上，同时行程杆4也是通过止 动螺钉8定位安装在滑动立架7上，因此，在竖直方向上，可通过止动螺钉8的调节，使得行 程杆4在滑动立架7上移动定位，而固定杆12则在固定立架13上移动定位。因此，本发明所述的模拟体内环境下可视化细胞精密拉伸装置主要包括控制系 统、机械系统、实时观察系统。控制系统采用计算机控制，通过编程控制拉伸仪3的拉伸频 率、拉伸幅度、拉伸时间。机械系统主要由拉伸仪3、行程杆4、滑动立架7、固定杆12、固定立 架13、定位板14和细胞培养单元构成。实时观察系统为CXD摄像头16，其上连接光纤15。 控制系统设置在滑动立架7外，拉伸仪3固接在滑动立架7的一端，控制系统和拉伸仪3之 间通过导线2连接。拉伸仪3是动力装置与行程杆4相连，行程杆4将拉伸仪3的动力传 递给夹持拉伸膜的细胞培养单元作水平直线运动，以便对附着的细胞进行加载拉伸。行程 杆4的一端与拉伸仪3输出轴固定连接，另一端与定位衬套5固接。行程杆4的另一端穿 过定位衬套5架搭在滑动立架7上，连接基底膜夹持器10。行程杆4在拉伸仪3的驱动下 可在水平方向上来回移动，在竖直方向上可通过止动螺钉8在滑动立架7上移动定位。固 定杆12与固定立架13相连，在竖直方向上可通过止动螺钉8在固定立架13上移动定位。 滑动立架7与固定立架13的两端分别通过固定螺钉6与定位板14固定连接。因此，固定 杆12、行程杆4、固定立架13、滑动立架7与定位板14构成稳固的刚性基础，能保证拉伸过 程的平稳。附着有细胞的基底膜19的一端通过夹持器与固定杆12连接，另一端通过基底 膜夹持器10与行程杆4连接，在基底膜19下方的高度可调的培养池安装座11上放置有半 密闭培养池9，该半密闭培养池9上安装有培养池顶盖18。附着有细胞的培养膜通过滑动 立架7，在动力系统的作用下由行程杆4进行单向拉伸，并通过拧下固定螺钉6可方便地从 机架上拆下拉伸运动部分进行显微观察。也可通过悬于培养皿上方与CXD摄像头16相连 的光纤15进行显微观察，以了解细胞的生长情况。在整个装置中除拉伸仪3外的机械系统 及实时观察系统均置于细胞培养箱17中。培养时，把细胞培养单元置于CO2培养箱中、夹持有基底膜19的基底膜夹持器10
6浸于培养液20中进行实验，以模拟体内环境，获得更精准的实验结果。在这一实验方案下， 还可把对照组一同放入所述的CO2培养箱，使拉伸加载组处于相同的培养环境，满足不同实 验需求。
权利要求
一种模拟体内环境下可视化细胞精密拉伸装置，其特征在于，包括用于夹持基底膜的基底膜安装装置、支座、用于拉动基底膜安装装置平行移动时间、频率以及幅度的自动拉伸装置、用于实时观察基底膜的可视化观察装置、培养池以及用于放置培养池的培养池安装座，所述基底膜安装装置包括固定杆、行程杆和基底膜夹持器，所述固定杆和行程杆的相邻端皆分别安装基底膜夹持器，基底膜夹持安装在两基底膜夹持器之间，且固定杆与支座固定连接，而行程杆则可水平移动地支撑在支座上，同时行程杆与自动拉伸装置的输出端固定连接，另外，所述培养池安装座安装在支座上，而培养池则置于培养池安装座上，且培养池与固定杆和行程杆的连线中心对齐，所述可视化观察装置包括CCD摄像头以及与CCD摄像头相连接的光纤，所述光纤置于基底膜上方。
2.根据权利要求1所述模拟体内环境下可视化细胞精密拉伸装置，其特征在于，所述 自动拉伸装置包括拉伸仪以及用于控制拉伸仪的拉伸时间、拉伸频率以及拉伸幅度的控制 器，所述拉伸仪包括压电陶瓷电机，而控制器则基于Work bench V5界面建立。
3.根据权利要求1所述模拟体内环境下可视化细胞精密拉伸装置，其特征在于，所述 支座包括水平放置的定位板以及固定地间隔安装在该定位板上的固定立架和滑动立架，所 述固定杆与固定立架固定连接，行程杆可移动地支撑在滑动立架上，而培养池安装座则安 装在定位板上。
4.根据权利要求3所述模拟体内环境下可视化细胞精密拉伸装置，其特征在于，所述 行程杆包括第一行程杆分体和第二行程杆分体，所述第一行程杆分体和第二行程杆分体通 过固定连接件连接成一体，且第一行程杆分体架设在滑动立架上，同时该第一行程杆分体 的端部安装基底膜夹持器，而第二行程杆分体则与自动拉伸装置连接，且第二行程杆上安 装有定位衬套。
5.根据权利要求1所述模拟体内环境下可视化细胞精密拉伸装置，其特征在于，所述 基底膜夹持器，包括第一 U形板和第二 U形板，所述第一 U行板套接在第二 U形板内，且第一U行板和第二 U形板的封闭端皆呈平板设置，同时第一 U形板上安装有用于与行程杆连 接的连接杆，另外所述第一 U行板和第二 U形板的敞口端皆呈外凸缘设置，第一 U形板和第二U形板通过连接在两者凸缘端上的紧固件固紧连接，基底膜夹紧在第一 U行板和第二 U 形板的两封闭端之间。
6.根据权利要求1所述模拟体内环境下可视化细胞精密拉伸装置，其特征在于，所述 固定杆和行程杆分别通过止动螺钉安装在固定立架和滑动立架上。
全文摘要
本发明公开了一种模拟体内环境下可视化细胞精密拉伸装置，涉及医学实验仪器中的细胞力学加载装置，包括用于夹持基底膜的基底膜安装装置、支座、用于拉动基底膜安装装置平行移动时间、频率以及幅度的自动拉伸装置、用于实时观察基底膜的可视化观察装置、培养池以及用于放置培养池的培养池安装座，由于本发明自动拉伸装置具有通过计算机编程可实现对细胞的连续拉伸，拉伸精密度高、范围大，可在加载过程中实时观察细胞的变化及模拟体内环境，基底膜夹持器可同时夹持几张基底膜等特点。所以本发明可广泛用作医学实验仪器的细胞力学加载装置，是在生物力学中对生物组织和细胞进行力学刺激响应研究的理想加载装置。
文档编号C12M1/00GK101906379SQ20101022298
公开日2010年12月8日 申请日期2010年7月9日 优先权日2010年7月9日
发明者冯章启, 田甜, 顾忠泽 申请人:东南大学