一种模拟振荡血流剪切应力环境的平行平板流动腔系统的制作方法
【专利摘要】本发明属于细胞生物力学【技术领域】，涉及一种模拟振荡血流剪切应力环境的平行平板流动腔系统。该系统包括平行平板流动腔和振荡切应力刺激产生装置两部分。平行平板流动腔横截面为矩形，高度为0.02～0.025cm，宽度为0.002～0.0025cm，长度为5～10cm；振荡切应力刺激产生装置包括上贮液槽、医用电磁阀、弹性腔、阻力阀、下贮液槽、蠕动泵和硅胶管道。通过改变医用电磁阀开关的频率、以及平行平板流动腔的前后流动负荷的大小和比例，在平行平板流动腔内部实现不同平均值、振荡幅度和振荡频率组合的振荡流环境，从而为培养在平行平板流动腔底部的血管内皮细胞施加不同特征的振荡切应力。
【专利说明】一种模拟振荡血流剪切应力环境的平行平板流动腔系统
【技术领域】
[0001]本发明属于细胞生物力学实验装置【技术领域】，涉及一种模拟振荡血流剪切应力环境的平行平板流动腔系统，是基于血液动力学原理和方法的细胞力学实验系统，用于分析不同振荡剪切应力环境定量调控血管内皮细胞生物学行为及其机制。
【背景技术】
[0002]血管内皮细胞位于血管的最内层，直接与血液接触，受到轴向血流产生的壁面剪切应力作用。大量研究证实，内皮细胞能识别血流剪切应力信号的刺激并将信号转导成细胞内部的生物化学信号，从而导致细胞的生物学响应，包括细胞形态、功能和基因表达的改变。内皮细胞的这些响应被认为与血管形成、血管重建、动脉粥样硬化形成等依赖血流的现象密切相关。
[0003]在动脉粥样硬化斑块容易发生的动脉分叉和弯曲部位，内皮细胞往往受到低平均值的振荡血流剪切应力作用。大量在体或离体的实验证实，低振荡血流剪切应力是一种重要的致动脉粥样硬化的物理因子；振荡血流剪切应力的大小、幅度和频率都是影响血管内皮细胞功能从而参与动脉粥样硬化形成的关键因素。近年来的研究还证实，不同的运动训练方式可在人体颈总动脉、肱动脉等部位产生不同特征的振荡血流剪切应力信号，这些不同平均值、幅度和频率的前后双向振荡剪切应力信号刺激内皮细胞释放一氧化氮(NO)和内皮素I (ET-1)，被认为是运动训练调节血液动力学从而影响动脉功能的关键环节之一。
[0004]离体构建不同特征的振荡血流剪切应力环境是研究血管内皮细胞生物力学的前提。目前，高度远小于横向和纵向几何尺寸、且尺寸在微米、毫米或厘米量级的平行平板流动腔是离体构建振荡血流剪切应力环境、研究流体剪切应力作用下血管内皮细胞生物学行为及其机制的重要实验装置之一。通常，人们采用机械往复泵产生振荡流并输入到平行平板流动腔内部，给培养在平行平板流动腔底部的血管内皮细胞施加振荡血流剪切应力作用。然而，传统的机械式、叶片式脉动流发生泵不仅结构复杂制作成本高，而且振荡流的控制过程困难。因此迫切需要一种新型的平行平板流动腔及其外围系统，能给培养在平行平板流动腔底部的血管内皮细胞施加不同平均值、振荡幅度和振荡频率组合的振荡剪切应力刺激。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种模拟振荡血流剪切应力环境的平行平板流动腔系统，该系统将血液动力学原理和方法与平行平板流动腔技术相结合，通过改变电磁阀开关频率以及平行平板流动腔的后流动负荷 大小和比例，在平行平板流动腔内部实现不同平均值、振荡幅度和振荡频率组合的振荡流环境，从而为培养在平行平板流动腔底部的血管内皮细胞施加不同特征的振荡剪切应力。
[0006]本发明的技术方案如下:
[0007]—种模拟振荡血流剪切应力环境的平行平板流动腔系统，该系统由两个基本单元构成:第一个基本单元为模拟体内振荡剪切应力的平行平板流动腔系统，包括平行平板流动腔、弹性腔A、弹性腔B、阻力阀A和阻力阀B。平行平板流动腔系统分为两条支路，一条是由平行平板流动腔、弹性腔A和阻力阀A用硅胶管道连接组成的支路，另一条是由弹性腔B和阻力阀B用硅胶管道连接组成的支路。第二个基本单元是为平行平板流动腔提供振荡流的外围设备，包括上贮液槽、电磁阀、计算机、下贮液槽和蠕动泵。其中，上贮液槽内部容器与电磁阀相连，上贮液槽外部容器与下贮液槽直接相连，电磁阀与平行平板流动腔系统输入端相连，平行平板流动腔系统输出端与下贮液槽相连，计算机定量调控电磁阀开放/关闭程度、频率、开闭时间长短及闭合延迟时间，蠕动泵两端分别连接下贮液槽和上贮液槽。
[0008]平行平板流动腔室可以采用的尺寸为:高度为0.02-0.025厘米，宽度为2.5-4厘米，长度为5-10厘米，横截面样式可以采用矩形。
[0009]本发明的上贮液槽与下贮液槽产生的液压差为培养液进入平行平板流动腔系统提供驱动力，培养液经过电磁阀，通过计算机控制系统定量调控电磁阀开放/关闭程度、开闭时间长短及闭合延迟时间可给平行平板流动腔系统输入不同幅度的近生理脉动流量波形，另外通过调控电磁阀开/关的频率可改变近生理脉动流量波形的频率，进而在平行平板流动腔内得到不同幅度和不同频率的流量波形。
[0010]当电磁阀开启时，电磁阀输出的培养液沿着管道进入平行平板流动腔系统的两条支路。流入各支路中的培养液一部分通过阻力阀流入下贮液槽，另一部分培养液由于受到阻力阀的阻力作用，使得管道培养液的压强大于弹性腔内气体压强，迫使培养液进入弹性腔内。在此期间，平行平板流动腔内保持前向脉动流。
[0011]当电磁阀闭合时，电磁阀输入到各支路的培养液为零。各支路中的培养液一部分通过阻力阀流入下贮液槽，随着支路中培养液的减少，各个弹性腔室内的压强逐渐大于支路中培养液压强，驱动弹 性腔中培养液重新流入支路中。当系统中弹性腔A的顺应性远大于弹性腔B的顺应性时，在电磁阀开启时段，进入弹性腔A的培养液也远大于进入弹性腔B的培养液，弹性腔A内的压强也远大于弹性腔B内的压强；在电磁阀闭合后，由于弹性腔A与弹性腔B之间存在显著的液压差，从而驱使弹性腔A中的培养液，一部分通过阻力阀A流入下贮液槽，另一部分沿着弹性腔A、平行平板流动腔、弹性腔B和阻力阀B所组成的回路流入下贮液槽或弹性腔B，在此期间，平行平板流动腔内会出现后向脉动流。
[0012]另外通过调节两阻力阀的阻力之比可控制支路中培养液流入下贮液槽的流量比，也可控制平行平板流动腔内输出前向/后向脉动分量的脉动流。
[0013]图2给出了图1所示模拟系统的等效回路，等效回路满足如下方程组:
【权利要求】
1.一种模拟振荡血流剪切应力环境的平行平板流动腔系统，其特征在于:该系统由两个基本单元构成: 第一个基本单元为模拟体内振荡剪切应力的平行平板流动腔系统，包括平行平板流动腔、弹性腔A、弹性腔B、阻力阀A和阻力阀B ;平行平板流动腔系统分为两条支路，一条是由平行平板流动腔、弹性腔A和阻力阀A用硅胶管道连接组成的支路，另一条是由弹性腔B和阻力阀B用硅胶管道连接组成的支路； 第二个基本单元是为平行平板流动腔提供振荡流的外围设备，包括上贮液槽、电磁阀、计算机、下贮液槽和蠕动泵；其中，上贮液槽内部容器与电磁阀相连，上贮液槽外部容器与下贮液槽直接相连，电磁阀与平行平板流动腔系统输入端相连，平行平板流动腔系统输出端与下贮液槽相连，计算机定量调控电磁阀开放/关闭程度、频率、开闭时间长短及闭合延迟时间，蠕动泵两端分别连接下贮液槽和上贮液槽。
2.如权利要求1所述的平行平板流动腔系统，其特征在于:平行平板流动腔的腔室尺寸为:高度0.02-0.025厘米、宽度2.5-4厘米、长度5_10厘米；弹性腔A和弹性腔B提供的顺应性为O~10_3ml/pa,阻力阀A和阻力阀B提供的阻力值为O~107pa.s/ml。
3.如权利要求1或2所述的平行平板流动腔，其特征在于:所述的平行平板流动腔由上下两块平行的聚碳酸酯板和中间的硅胶垫构成。
4.如权利要求1或2所述的平行平板流动腔系统，其特征在于:所述的弹性腔A和弹性腔B是由聚碳酸酯材料构成的中空密封圆筒。
5.如权利要求3所述的平行平板流动腔系统，其特征在于:所述的弹性腔A和弹性腔B是由聚碳酸酯材料构成的 中空密封圆筒。
【文档编号】C12M1/36GK103881899SQ201410117574
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月27日 优先权日:2014年3月27日
【发明者】覃开蓉, 侯杰, 郑晓旭, 朱亚冰 申请人:大连理工大学