专利名称：体外细胞开放式压力程控培养装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及医学基础学科中研究压力与细胞生理功能关系的细胞体外培 养装置，具体地指一种主要用于青光眼等发病机制研究的体外细胞开放式压力程 控培养装置。
背景技术：
眼压升高是青光眼的特征之一，也是导致青光眼视功能损害的主要因素。相 关研究已经证实眼压波动或持续升高，可以导致视网膜神经节细胞和色素上皮 细胞等的功能损害或细胞死亡，最终导致视功能丧失。目前，青光眼研究模型可 分为活体青光眼动物模型和离体青光眼模型，后者又包括体外高眼压灌注模型和 细胞培养加压模型。活体青光眼动物模型与体外高眼压灌注模型的优点是接近活 体青光眼的病理过程，有利于多因素相互作用的研究，问题在于该类模型来源少、 实验操作复杂、影响因素多。细胞培养加压模型作为细胞水平的青光眼研究模型， 其突出的优点是能够自由设定压力水平、能够获得恒定的压力、能够排除混杂因 素的影响，而且容易进行大通量的实验。医学科研人员运用密闭加压培养法研究 模型证实压力可以引起体外培养的小梁细胞、筛板细胞、视网膜神经节细胞凋 亡，并且引起细胞外基质分泌以及一氧化氮合成异常等变化，这从细胞水平证实 了压力与眼内细胞损害的相关关系，使人们对压力与青光眼发病机制的关系有了 更深入的理解。相对于体内青光眼研究模型而言，细胞培养加压模型是进行体外 青光眼研究必不可少的研究平台。
然而，现有的密闭加压培养装置隔绝了培养瓶与培养箱中气体的交换，随着 实验时间的延长，可能会引起培养液pH值、HC03"浓度、氧气分压(P02)、 二
氧化碳分压(pco2)的变化，从而影响细胞的生理功能。气体是人体细胞培养生
存的必需条件之一，所需气体主要有02和c02。 02参与三羧酸循环，产生供给细
胞生长增殖的能量和合成细胞生长所需用的各种成份。c02既是细胞代谢产物， 也是细胞生长繁殖所需成份，它在细胞培养中的主要作用在于维持培养基的pH 值。环境pH值的变化可以影响培养细胞的形态和功能高pH值可以使大鼠微血 管和主动脉内皮细胞NOS活性及mRNA表达增高，低pH值则可以使其降低，并 可以使肝脏细胞合成NO增高，从而加重肝细胞损伤。而细胞内pH值则与细胞内
钙离子浓度信息传递途径密切相关，可能在诱导凋亡中发挥重要作用。pH值的升 高也可以调节水通道蛋白的构象，改变晶状体细胞水通透性。溶液的pH由溶液中 酸性离子与碱性离子的比值决定，HCO^浓度与C02分压正相关，当气体中C02 浓度降低时，由于C02分压的降低可以导致HC03"浓度的降低和pH的升高，类
似于血液在呼吸性碱中毒中发生的情况。因而，合理的细胞加压培养装置应该保 持培养液的pH值、HCCb"浓度、氧气分压(P02)、 二氧化碳分压(PC02)恒定， 从而达到实验条件的均衡，而现有的细胞密闭加压培养装置还无法满足上述要求。
发明内容
本实用新型的目的旨在克服现有体外细胞加压培养装置的弊病，提供一种能 够简单有效地调控培养瓶内的压力、且能够保持培养液的pH值、HC03—'浓度、 氧气分压、二氧化碳分压恒定的体外细胞开放式压力程控培养装置。
为实现上述目的，本实用新型所设计的体外细胞开放式压力程控培养装置，
包括封闭的C02恒温培养箱，所述C02恒温培养箱内设置有细胞培养瓶组，所述
细胞培养瓶组上设置有培养瓶进气口和培养瓶排气口，所述培养瓶排气口直接与 C02恒温培养箱的内腔相通，所述培养瓶进气口通过管路和气体湿化装置与微型 气泵的出口相连，所述微型气泵的进口通过管路与C02恒温培养箱的内腔相通； 所述细胞培养瓶组内设置有气体压力传感器，所述气体压力传感器通过导线与压 力程控器的信号输入端相连，所述压力程控器的控制输出端通过导线与微型气泵 连接。
本实用新型根据帕斯卡流体力学原理，采用循环气流来调控培养瓶组内的压
力，该循环气流取自温度为37t:， <:02浓度为5%的标准培养环境，同时采用压力
程控器反馈输入气流的压力，来调控压力波动，使压力在0 100mmHg之间自由变
化。由于气流在不断地循环交换，因而能够保持P02和PC02的恒定，从而保持培
养液pH值、HC03—'浓度的稳定。
本实用新型综合利用了气体交换和程序化控制的优势，其优点主要体现在如 下两方面第一、采用动态循环气流，在施加压力的同时可保持培养环境的稳定 性；第二、采用程序化自动控制器，可使压力保持恒定或按设定程序波动变化， 从而可以逼真地模拟青光眼压力波动的变化过程，对青光眼的基础研究有重要意 义。同时，本实用新型还可用于除眼科之外的骨科等需要对培养细胞施加压力影 响的基础科学研究，如软骨细胞病变的研究等。
附圉说明
附图
为一种体外细胞开放式压力程控培养装置的结构示意图。具体实鰌方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细描述 图中所示的体外细胞开放式压力程控培养装置，具有一个封闭的C02恒温培
养箱6， C02恒温培养箱6可以提供温度为37'C， C02浓度为5%的标准培养环境。 CCb恒温培养箱6内布置有细胞培养瓶组2，细胞培养瓶组2由多个标准培养瓶通 过管路串联而成，其温度保持与标准培养环境一致，其上设置有培养瓶进气口 7 和培养瓶排气口 8，其内可培养贴壁生长型细胞。它还具有一个设置在C02恒温 培养箱6外面的微型气泵4，采用日本medo公司型号为DP0105/DC24V的产品。 微型气泵4的进口通过管路与C02恒温培养箱6的内腔相通，可抽吸C02恒温培 养箱6内C02分压、02分压和温度均恒定的气体。微型气泵4的出口通过管路与 气体湿化装置5的进口相连，可以向气体湿化装置5提供0~0.25MPa压力的输入 气流。气体湿化装置5采用传统简单的反向水囊结构，其进气管伸入水囊内的水 中，其出气管设在水囊内的水面上方，从微型气泵4输入的气流经过时可与水充 分接触，达到100%的水饱和度。气体湿化装置5的出口则通过管路与细胞培养瓶 组2的培养瓶进气口 7相连，为细胞培养提供设定的压力气流。细胞培养瓶组2 的培养瓶排气口 8采用微量排气口，直接与C02恒温培养箱6的内腔相通。细胞 培养瓶组2内设置有气体压力传感器3，气体压力传感器3通过导线与压力程控器 1的信号输入端相连，压力程控器1的控制输出端通过导线与微型气泵4连接。这 样，气体压力传感器3可以实时检测细胞培养瓶组2内的气体压力，其检测值作 为输入信号传递给压力程控器1，压力程控器1对输入信号进行比较后，控制徼型 气泵4工作。压力程控器l的输入、比较和输出元件均可采用成熟技术实现，于 此不多赘述。
本实用新型的工作原理是这样的以对细胞施加40mmHg压力培养为例，压 力程控器1的比较元件设定压力值为40mmHg，工作启动时，气体压力传感器3 检测到的细胞培养瓶组2内的压力值为OmmHg，压力程控器1的输入元件得到信 号与设定值比较为低，压力程控器1的输出元件发出指令增加微型气泵4的功率， 微型气泵4输出气流压力增加，从而使细胞培养瓶组2内压力值逐渐升高至40 mmHg。当细胞培养瓶组2内压力值高于40 mmHg时，压力程控器1的输出元件 发出指令降低微型气泵4的功率，微型气泵4输出的气流压力降低，从而使细胞 培养瓶组2内压力值降低至40 mmHg。这种反馈调节使细胞培养瓶组2内的气体 压力恒定于40mmHg。由于细胞培养瓶组2处于C02恒温培养箱6内，在工作过
程中，其内温度、C02分压和02分压均可保持恒定。
将本实用新型用于模拟青光眼压力波动，对视网膜色素上皮细胞进行培养，
设定压力程控器1的比较压力值在24h内自10 mmHg升高至30 mmHg，再降为 10mmHg，通过上述反馈调节实现胞培养瓶组2内压力的相应波动变化。同时，采 用常规的细胞密闭加压培养方法作为比较。实验结果显示视网膜色素上皮细胞 培养24h后，本实用新型培养组与常规培养组相比，pH值、HCCb"浓度、P02及 PC02差异均无显著性意义(尸>0.05);视网膜色素上皮细胞增殖能力无明显变化 (尸=0.719)。说明本实用新型可以实现对培养环境压力及培养液pH值、HC(V1 浓度、P02及PC02的均衡调控。相对于密闭压力控制培养装置而言，本实用新型 可以排除培养条件差异对研究结果的影响。
权利要求1.一种体外细胞开放式压力程控培养装置，包括封闭的CO2恒温培养箱(6)，所述CO2恒温培养箱(6)内设置有细胞培养瓶组(2)，其特征在于所述细胞培养瓶组(2)上设置有培养瓶进气口(7)和培养瓶排气口(8)，所述培养瓶排气口(8)直接与CO2恒温培养箱(6)的内腔相通，所述培养瓶进气口(7)通过管路和气体湿化装置(5)与微型气泵(4)的出口相连，所述微型气泵(4)的进口通过管路与CO2恒温培养箱(6)的内腔相通；所述细胞培养瓶组(2)内设置有气体压力传感器(3)，所述气体压力传感器(3)通过导线与压力程控器(1)的信号输入端相连，所述压力程控器(1)的控制输出端通过导线与微型气泵(4)连接。
2. 根据权利要求1所述的体外细胞开放式压力程控培养装置，其特征在 于所说的细胞培养瓶组(2)是多个标准培养瓶通过管路串联而成的，所说 的培养瓶排气口 (8)是微量排气口。
3. 根据权利要求1或2所述的体外细胞开放式压力程控培养装置，其特 征在于所说的气体湿化装置(5)是一个反向水囊。
4. 根据权利要求1或2所述的体外细胞开放式压力程控培养装置，其特 征在于所说的微型气泵(4)、气体湿化装置(5)和压力程控器(1)设置在 C02恒温培养箱(6)的箱体外面。
5. 根据权利要求3所述的体外细胞开放式压力程控培养装置，其特征在 于所说的微型气泵(4)、气体湿化装置(5)和压力程控器(1)设置在C02 恒温培养箱(6)的箱体外面。
专利摘要一种体外细胞开放式压力程控培养装置，包括CO<sub>2</sub>恒温培养箱，CO<sub>2</sub>恒温培养箱内设有细胞培养瓶组，细胞培养瓶组上设有培养瓶进气口和培养瓶排气口，培养瓶排气口直接与CO<sub>2</sub>恒温培养箱的内腔相通，培养瓶进气口通过管路和气体湿化装置与微型气泵的出口相连，微型气泵的进口通过管路与CO<sub>2</sub>恒温培养箱的内腔相通；细胞培养瓶组内设有气体压力传感器，气体压力传感器通过导线与压力程控器的信号输入端相连，压力程控器的控制输出端通过导线与微型气泵连接。该装置能简单有效地调控培养瓶内的压力、且能保持培养液的pH值、HCO<sub>3</sub><sup>-1</sup>浓度、氧气分压、二氧化碳分压恒定，适合于需要对培养细胞施加压力影响的基础科学研究，如青光眼、软骨细胞病变等的研究。
文档编号C12M3/00GK201065407SQ2007200852
公开日2008年5月28日 申请日期2007年6月14日 优先权日2007年6月14日
发明者虹 张, 李贵刚, 汪学方 申请人:华中科技大学同济医学院附属同济医院