体外模拟血脑屏障的细胞共培养流动腔装置的制作方法

本发明涉及细胞体外培养及细胞的力学刺激响应研究领域，具体涉及体外模拟血脑屏障的细胞共培养流动腔装置。

背景技术：

力(例如剪切力)可以通过影响细胞内基因的表达和蛋白质的合成来调控细胞的功能，从而在细胞的生理、病理过程中起到重要的作用。

现有技术中存在用于研究剪切力刺激对细胞影响的流体装置，然而现有的该类装置的剪切环境与生物实体环境存在较大的差异性，试验结果不能够很好地反应实际情况。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种体外模拟血脑屏障的细胞共培养流动腔装置，以解决现有的流体装置的流体剪切环境与生物实体环境存在较大的差异性，使试验结果不能够很好地反应实际情况的问题。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明实施例提供一种体外模拟血脑屏障的细胞共培养流动腔装置，其包括第一板件、第二板件、第三板件和第四板件四个板件，且该四个板件被构造成能够沿竖向由下而上依次叠合连接在一起；第四板件的下表面和第三板件的上表面之间限定平流腔、连通于平流腔一端的入口稳流腔以及连通于平流腔另一端的出口稳流腔；体外模拟血脑屏障的细胞共培养流动腔装置上开设有连通入口稳流腔的入口通道和连通出口稳流腔的出口通道，以形成能够供流体从入口通道依次流经入口稳流腔、平流腔、出口稳流腔后从出口通道流出的流道；第二板件的上表面分布有多个上凸的凸台，凸台中间部分内凹形成下腔室；第三板件具有对应凸台的通孔；在第三板件和第二板件叠合的状态下，凸台配合于通孔内；凸台的上端面覆接有两侧均种植有细胞的半透膜，半透膜盖合下腔室，以部分透过地分隔平流腔和下腔室；半透膜的上表面和平流腔的底面共面。

进一步地：体外模拟血脑屏障的细胞共培养流动腔装置还包括锁环，锁环的高度小于凸台的高度；锁环接触地套接于凸台的外周；半透膜覆盖在各个凸台上之后，锁环从上而下将半透膜锁紧在凸台上；第三板件的下表面设有用于容纳锁环的环槽，且在第二板件和第三板件的叠合状态下，锁环配合在第二板件的上表面和环槽限定的环腔中。在附加该进一步内容后的体外模拟血脑屏障的细胞共培养流动腔装置具有额外的技术效果：半透膜通过锁环和凸台之间的配合，方便地固定在凸台上，且能够确保其处于拉紧状态；第三板件下端设置环槽能够方便地容纳锁环。

进一步地：多个凸台沿平流腔的流动方向依次设置。在附加该进一步内容后的体外模拟血脑屏障的细胞共培养流动腔装置具有额外的技术效果：多个凸台沿平流腔的流动方向依次设置，凸台限定的下腔室沿平流腔的流动方向依次分布，这样在不同下腔室对应的半透膜的两侧的细胞的代谢产物可在流体流动带动下进行交换，从而形成更加符合生物实体环境的共培养环境。

进一步地：凸台中间部分内凹至贯通第二板件，使第一板件的上表面和该内凹围成下腔室。在附加该进一步内容后的体外模拟血脑屏障的细胞共培养流动腔装置具有额外的技术效果：凸台设置为贯通，方便结构的加工，并且在试验完成后方便清理下腔室内壁。并且，该实施方式下，还可进一步设置为：第一板件和第二板件之间还叠设弹性垫片，该弹性垫片为环形结构，并封闭地围于各下腔室外侧。该弹性垫片可以在竖向弹性变形以使其厚度发生弹性变化。设置该弹性垫片使得，本装置还具有一种额外的使用模式：在装置的各板件密封连接在一起的状态下，适当降低锁紧力，使得弹性垫片弹性地上顶第二板件，从而使得在弹性垫片的环形内侧形成缝隙，该缝隙连通各下腔室的下端面，使得各个下腔室之间能够实现物质交换，从而形成另一种类型的共培养环境，适应不同试验需求。

进一步地：还包括连接螺钉，连接螺钉穿过各个板件并将四个板件锁紧连接在一起。在附加该进一步内容后的体外模拟血脑屏障的细胞共培养流动腔装置具有额外的技术效果：通过连接螺钉穿过各个板件并将各板件连接在一起，可方便地实现各板件的组装货拆卸。在本实施例中，为避免相邻板件之间的缝隙漏液，该连接螺钉连接后的四个板件之间的接触应足够紧密，从而确保密封性。

进一步地：第一板件和/或第四板件对应平流腔的区域设置为透明结构。在附加该进一步内容后的体外模拟血脑屏障的细胞共培养流动腔装置具有额外的技术效果：第一板件和/或第四板件对应平流腔的区域设置为透明结构，使得本装置能够对试验过程进行实时观察。

进一步地：第一板件的上表面垂直设置有入口接管和出口接管，入口接管对应连通入口稳流腔，出口接管对应连通出口稳流腔。在附加该进一步内容后的体外模拟血脑屏障的细胞共培养流动腔装置具有额外的技术效果：入口接管和出口接管可方便外接的细胞培养液管道和该装置的连通。并且入口接管和出口接管垂直设置，可使得竖向流入的流体的流速被充分吸收和缓冲后90度角转换为水平地流过平流腔，确保平流腔流过的液体的流动符合要求。

进一步地：第三板件的上表面的中间部分具有下凹的矩形槽，矩形槽的长向两端下凹形成缓冲槽；第四板件的下表面为平面，其在第四板件连接第三板件的状态下封闭矩形槽和缓冲槽以形成平流腔、入口稳流腔和出口稳流腔。在附加该进一步内容后的体外模拟血脑屏障的细胞共培养流动腔装置具有额外的技术效果：缓冲槽的底面位于平流腔底面之下，使得流体进入缓冲槽后由于惯性先向下压缓冲槽的底面和侧壁吸收大部分竖向速度后才向上流动到平流腔的入口，从而由于流体的连续流动，在缓冲槽中形成向下流动的部分和向上流动的部分，两者之间的相互摩擦和粘连作用进一步降低流体的竖向速度分量，从而避免进入平流腔的流体存在影响流动稳定性的过大的竖向速度分量。

进一步地：半透膜为有圆形片状的底膜和连接于底膜边沿的环形的周膜；半透膜倒扣于凸台上，且周膜密封地压紧于凸台的外柱面和第三板件的通孔的内周面之间；凸台的外周设有弹性密封环层，弹性密封环层在未受力的情况下的外径大于通孔的直径，以使弹性密封环层和通孔之间形成过盈配合。在附加该进一步内容后的体外模拟血脑屏障的细胞共培养流动腔装置具有额外的技术效果：由于该过盈配合，半透膜的周膜被使弹性密封环层弹性地密封压紧于通孔内表面和弹性密封环层之间，一方面避免半透膜受机械损坏，另一方面能够确保通孔和凸台之间的密封性。

进一步地：四个板件的任意两个相邻板件之间垫设有密封垫片。在附加该进一步内容后的体外模拟血脑屏障的细胞共培养流动腔装置具有额外的技术效果：设置密封垫片可确保相邻板件之间接触面的密封性，避免漏液。可选地，密封垫片可以是硅胶垫片或其他合适的材料构成的垫片。密封垫片为对应于各板件外周位置的环形结构，平流腔、下腔室、入口稳流腔和出口稳流腔均位于其内侧，避免装置的外表面漏液。

有益效果：

本方案中的细胞共培养流动腔装置使用时，可从入口通道通入细胞培养基，在入口稳流腔缓冲稳流后，平流地经过平流腔，然后经出口稳流腔缓冲而从出口通道通出。两面种植细胞的半透膜固定在凸台上，并部分透过地分隔上方的平流腔和下方的下腔室。由于半透膜的选择性透过特性，平流腔中的部分物质可透过半透膜进入各个下腔室内，从而形成细胞共培养环境，而流体平流地经过平流腔时可施加种植于半透膜上的细胞以剪切力，从而实现对共培养的细胞加载剪切力刺激。由于两侧均种植细胞的半透膜的一侧接触平流腔中的流体，另一侧接触下腔室中的流体，使得其整体处于流体的浸润之下，相较于现有结构的培养装置更符合生物实体环境。

本方案中的细胞共培养流动腔装置采用四个板件叠合的组合式设计，巧妙地形成方便半透膜固定和实现非常接近地模仿生物实体环境下细胞受剪切应力刺激的实验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1中示出了体外模拟血脑屏障的细胞共培养流动腔装置的第一种实施方式的结构示意图(剖视展示)；

图2中示出了第二板件和锁环配合时的俯视图；

图3中示出了第二板件和锁环配合时的正视图；

图4中示出了第三板件的俯视图；

图5为图4沿a-a线的剖视图的比例视图；

图6中示出了密封垫片的俯视图；

图7中示出了第四板件的俯视图；

图8中示出了第一板件的俯视图；

图9中示出了体外模拟血脑屏障的细胞共培养流动腔装置的第二种实施方式的结构示意图(剖视展示)。

图标：100-体外模拟血脑屏障的细胞共培养流动腔装置；1-第一板件；2-第二板件；3-第三板件；4-第四板件；q1-平流腔；q2-入口稳流腔；q3-出口稳流腔；q4-入口通道；q5-出口通道；8-凸台；q6-下腔室；k1-通孔；30-半透膜；5-连接螺钉；19-密封垫片；15-入口接管；16-出口接管；c1-矩形槽；c2-缓冲槽；9-锁环；c4-环槽；35-底膜；36-周膜；38-弹性密封环层；31-弹性垫片；f1-缝隙；k5-连接孔；17-透明结构。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。此外，本发明的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，本发明的描述中若出现术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

参见图1，本实施例提供一种体外模拟血脑屏障的细胞共培养流动腔装置100，其包括第一板件1、第二板件2、第三板件3和第四板件4四个板件，且该四个板件被构造成能够沿竖向由下而上依次叠合连接在一起。第四板件4的下表面和第三板件3的上表面之间限定平流腔q1、连通于平流腔q1一端的入口稳流腔q2以及连通于平流腔q1另一端的出口稳流腔q3。体外模拟血脑屏障的细胞共培养流动腔装置100上开设有连通入口稳流腔q2的入口通道q4和连通出口稳流腔q3的出口通道q5，以形成能够供流体从入口通道q4依次流经入口稳流腔q2、平流腔q1、出口稳流腔q3后从出口通道q5流出的流道(流道的方向参见图中额外用箭头示出的方向)。配合参见图2和图3，第二板件2的上表面分布有多个上凸的凸台8，凸台8中间部分内凹形成下腔室q6。配合参见图4和图5，第三板件3具有对应凸台8的通孔k1。在第三板件3和第二板件2叠合的状态下，凸台8配合于通孔k1内。凸台8的上端面覆接有两侧均种植有细胞的半透膜30，半透膜30盖合下腔室q6，以部分透过地分隔平流腔q1和下腔室q6。半透膜30的上表面和平流腔q1的底面共面。

本方案中的细胞共培养流动腔装置使用时，可从入口通道q4通入细胞培养基，在入口稳流腔q2缓冲稳流后，平流地经过平流腔q1，然后经出口稳流腔q3缓冲而从出口通道q5通出。两面种植细胞的半透膜30固定在凸台8上，并部分透过地分隔上方的平流腔q1和下方的下腔室q6。由于半透膜30的选择性透过特性，平流腔q1中的部分物质可透过半透膜30进入各个下腔室q6内，从而形成细胞共培养环境，而流体平流地经过平流腔q1时可施加种植于半透膜30上的细胞以剪切力，从而实现对共培养的细胞加载剪切力刺激。由于两侧均种植细胞的半透膜30的一侧接触平流腔q1中的流体，另一侧接触下腔室q6中的流体，使得其整体处于流体的浸润之下，相较于现有结构的培养装置更符合生物实体环境。

本方案中的细胞共培养流动腔装置采用四个板件叠合的组合式设计，巧妙地形成方便半透膜30固定和实现非常接近地模仿生物实体环境下细胞受剪切应力刺激的实验。

前述四个板件的叠合连接方式，可以通过如图1中示出的通过一连接螺钉5穿过各个板件并通过螺纹连接将该四个板件锁紧连接在一起(图中的连接螺钉5处于未连接状态)。连接螺钉5可沿板件的周向间隔地分布一圈，具体数量和分布方式可根据实际情况设置，只需达到实现各板件的连接和确保相邻板件的接触面的密封性即可。为供连接螺钉5通过和连接，四个板件均分布有一周彼此对应连通的连接孔k5。通过连接螺钉5穿过各个板件并将各板件连接在一起，可方便地实现各板件的组装或拆卸。在本实施例中，为避免相邻板件之间的接触面漏液，该连接螺钉5连接后的四个板件之间的接触应足够紧密，从而确保密封性。在一种实施方式下，四个板件的任意两个相邻板件之间垫设有密封垫片19。设置密封垫片19可确保相邻板件之间接触面的密封性，避免漏液。可选地，密封垫片19可以是硅胶垫片或其他合适的材料构成的垫片。配合参见图6，密封垫片19为对应于各板件外周位置的环形结构，平流腔q1、下腔室q6、入口稳流腔q2和出口稳流腔q3均位于其内侧，避免装置的外表面漏液。为容许连接螺钉5通过，密封垫片19的外周也设置对应的连接孔k5。

当然，四个板件也可以通过其他方式叠合连接，例如采用焊接、密封胶粘接等。

参见图1、图2和图3，本实施例中，还可设置多个凸台8沿平流腔q1的流动方向依次设置。多个凸台8沿平流腔q1的流动方向依次设置，凸台8限定的下腔室q6沿平流腔q1的流动方向依次分布，这样在不同下腔室q6对应的半透膜30的两侧的细胞的代谢产物可在流体流动带动下进行交换，从而形成更加符合生物实体环境的共培养环境。

可选的实施方式下，参见图1和图7，第一板件1的上表面垂直设置有入口接管15和出口接管16，入口接管15对应连通入口稳流腔q2，出口接管16对应连通出口稳流腔q3。入口接管15和出口接管16可方便外接的细胞培养液管道和该装置的连通。并且入口接管15和出口接管16垂直设置，可使得竖向流入的流体的流速被充分吸收和缓冲后90度角转换为水平地流过平流腔q1，确保平流腔q1流过的液体的流动符合要求。本实施例中，第三板件3的上表面的中间部分具有下凹的矩形槽c1，矩形槽c1的长向两端下凹形成缓冲槽c2。第四板件4的下表面为平面，其在第四板件4连接第三板件3的状态下封闭矩形槽c1和缓冲槽c2以形成平流腔q1、入口稳流腔q2和出口稳流腔q3。缓冲槽c2的底面位于平流腔q1底面之下，使得流体进入缓冲槽c2后由于惯性先向下压缓冲槽c2的底面和侧壁吸收大部分竖向速度后才向上流动到平流腔q1的入口，从而由于流体的连续流动，在缓冲槽c2中形成向下流动的部分和向上流动的部分，两者之间的相互摩擦和粘连作用进一步降低流体的竖向速度分量，从而避免进入平流腔q1的流体存在影响流动稳定性的过大的竖向速度分量。

参见图7和图8，为方便观测，第一板件1和/或第四板件4对应平流腔q1的区域设置为透明结构17，以作为观测窗口。可选地透明结构17可以为石英玻璃。第一板件1和/或第四板件4对应平流腔q1的区域设置为透明结构17，使得本装置能够对试验过程进行实时观察。

参见图1、图2和图3，本实施例中，体外模拟血脑屏障的细胞共培养流动腔装置100还包括锁环9，锁环9的高度小于凸台8的高度。锁环9接触地套接于凸台8的外周。半透膜30覆盖在各个凸台8上之后，锁环9从上而下将半透膜30锁紧在凸台8上。第三板件3的下表面设有用于容纳锁环9的环槽c4，且在第二板件2和第三板件3的叠合状态下，锁环9配合在第二板件2的上表面和环槽c4限定的环腔中。半透膜30通过锁环9和凸台8之间的配合，方便地固定在凸台8上，且能够确保其处于拉紧状态。第三板件3下端设置环槽c4能够方便地容纳锁环9。进一步地，半透膜30为有圆形片状的底膜35和连接于底膜35边沿的环形的周膜36。半透膜30倒扣于凸台8上，且周膜36密封地压紧于凸台8的外柱面和第三板件3的通孔k1的内周面之间。凸台8的外周设有弹性密封环层38，弹性密封环层38在未受力的情况下的外径大于通孔k1的直径，以使弹性密封环层38和通孔k1之间形成过盈配合。由于该过盈配合，半透膜30的周膜36被使弹性密封环层38弹性地密封压紧于通孔k1内表面和弹性密封环层38之间，一方面避免半透膜30受机械损坏，另一方面能够确保通孔k1和凸台8之间的密封性。

实施例二

参见图9，本实施例公开的体外模拟血脑屏障的细胞共培养流动腔装置100为从实施例一的基础上变化而来，其不同指出在于，在凸台8中间部分内凹至贯通第二板件2使第一板件1的上表面和该内凹围成下腔室q6的基础上，进一步在第一板件1和第二板件2之间叠设弹性垫片31，该弹性垫片31为环形结构，并封闭地围于各下腔室q6外侧。该弹性垫片31可以在竖向弹性变形以使其厚度发生弹性变化。设置该弹性垫片31使得本装置还具有一种额外的使用模式：在装置的各板件密封连接在一起的状态下，适当降低锁紧力，使得弹性垫片31弹性地上顶第二板件2，从而使得在弹性垫片31的环形内侧形成缝隙f1，该缝隙f1连通各下腔室q6的下端面，使得各个下腔室q6之间能够实现物质交换，从而形成另一种类型的共培养环境，适应不同试验需求。另外，凸台8设置为贯通，方便结构的加工，并且在试验完成后方便清理下腔室q6内壁。

需要说明的是本实施例中，在第一板件1和第二板件2之间的密封垫片19可以省略，也可使用。

实施例三

配合参见图1-图9，本实施例公开一种细胞流体剪切应力刺激试验方法，其基于实施例一/实施例二的体外模拟血脑屏障的细胞共培养流动腔装置100，并包括以下步骤：从入口通道q4通入细胞培养基。细胞培养基在入口稳流腔q2缓冲稳流后，平流地经过平流腔q1，在出口稳流腔q3缓冲后，从出口通道q5通出。细胞培养基中的流体中包括水的可透过物质透过半透膜30并填满各个下腔室q6(实施例二中还可实现各下腔室q6之间通过缝隙f1进行物质交换的共培养环境)，使半透膜30形成两侧浸没于流体中的状态，形成细胞共培养环境。流体平流地经过平流腔q1时施加种植于半透膜30上的细胞以剪切力，从而实现对共培养的细胞加载剪切力刺激。

该细胞流体剪切应力刺激试验方法基于上述的体外模拟血脑屏障的细胞共培养流动腔装置100，能够很好地模拟生物实体环境，试验结果具有较高的使用价值。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。