一种利用气压进行细胞力学加载的培养机构和培养装置

1.本实用新型涉及医学生物实验仪器，具体涉及一种利用气压进行细胞力学加载的培养机构和培养装置。


背景技术：

2.根据生物医学工程和生物力学的研究进展，在体外通过力学信号刺激细胞，进而研究其行为的变化是目前生物医学研究的热点话题。已有研究显示，力学信号刺激会诱导细胞骨架形变，进而影响细胞形态、细胞增殖、细胞粘附及分化等。因此，通过力学拉伸装置拉伸或压缩材料，给予细胞力学信号已成为组织工程细胞体外培养的新趋势。因此，设计一个可模拟体内力学环境的动态培养机构具有重要意义。
3.目前已研制出多种体外细胞力学加载装置，并用于生物体对力学信号的响应研究，大体包括离心力加载装置、气体液体静压力加载装置、基底形变加载装置和流体剪切力加载装置等。其中，上述的部分装置结构十分复杂，制备困难且成本较高；另外，上述装置均无法研究力学信号与电信号联合刺激对细胞活性的影响；上述简单的装置又无法进行单独力学加载，对于细胞培养研究得不到对比观察。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目的是：提供一种结构简单、便于独立的细胞培养腔之间对比试验结果的利用气压进行细胞力学加载的培养机构和培养装置。
5.为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
6.一种利用气压进行细胞力学加载的培养机构，包括底板、支撑平台、培养平台、气囊、通气管、硅橡胶膜、导电水凝胶层；底板、支撑平台和培养平台依次连接；培养平台设有三个独立的通孔，硅橡胶膜的数量为三个，一个硅橡胶膜与一个通孔密封连接形成独立的细胞培养腔；支撑平台设有三个独立的凹槽，三个凹槽对应三个通孔设置；气囊安装在凹槽，气囊的外表面与硅橡胶膜接触，支撑平台设有三个连接孔，连接孔连通外界与凹槽；通气管的数量为三个，三个通气管分别穿过三个连接孔，通气管的一端伸入凹槽，气囊与通气管连接；导电水凝胶层覆盖在硅橡胶模的上方。采用这种结构后，三个独立的细胞培养腔通过三个独立的气囊进行力学信号刺激，每个气囊的气压可以不同或者相同，形成试验对照组，得到不同的试验结果；将导电水凝胶与电刺激装置连接，根据需求进行电信号刺激，可以得到力学信号和电信号联合刺激的试验结果。
7.作为一种优选，培养平台的底部平面和顶部平面均为三角形，支撑平台的底部平面和顶部平面均为三角形。
8.作为一种优选，底板采用玻璃制成。
9.作为一种优选，硅橡胶膜的厚度为2mm。
10.作为一种优选，三个通孔在培养平台上呈正三角形分布。
11.作为一种优选，通孔为圆形通孔。
12.作为一种优选，通气管为采用聚对苯二甲酸乙二醇酯制成的导管。
13.作为一种优选，通气管的直径为2mm。
14.一种利用气压进行细胞力学加载的培养装置，包括实验室注射泵、三个鲁尔接头、一种利用气压进行细胞力学加载的培养机构；实验室注射泵包括三个注射器；三个注射器分别与三个鲁尔接头连接；培养机构的三个通气管的一端分别与三个鲁尔接头连接。采用这种结构后，实验室注射泵控制注射器提供循环气压给气囊，从而气囊提供一个循环力学信号给细胞培养腔进行刺激，根据试验需求，采用相同或不同的气压、刺激时间和刺激频率，从而得到不同的试验结果，根据不同的试验结果进行分析力学信号对细胞培养的影响。
15.本实用新型的特点是：1)由于细胞培养的硅橡胶膜为圆形，气压在膜的周围产生张力，所以本实用新型可对硅橡胶膜表面上的细胞提供均匀的拉伸力和压缩力。2)可人为调节实验室注射泵的频率和循环气压体积，诱导硅橡胶膜拉伸和收缩强度和频率的改变。所以本实用新型可对培养在硅橡胶膜上的细胞提供不同频率和强度的周期性的拉伸应力和压缩应力。3)本实用新型采用三个培养腔和三个气囊使得整个系统在实验时具有对照组，能大大的减少工作量，提高实验效率。4)本实用新型装置体积小，可直接放置在细胞培养箱中培养细胞。
16.本实用新型的工作原理是：通气管将气体输送至气囊，气囊内气压增加，气囊上壁向上膨胀，回抽气体时，气囊内气压降低，气囊上壁向下压缩，通过控制气囊的气压变化，能轻松对细胞进行动态循环力学刺激；由于每个气囊独立设置，每个气囊单独与一个通气管连接，根据试验需求，可以进行相同循环气压供应，也可以进行不同气压供应，即每个气囊的气压可以与其他气囊的气压相同或不同，从而得到不同气压情况下，受到不同的力学信号的细胞培养结果；另外在硅橡胶模上方覆盖导电水凝胶层，可以对其中一个或全部独立的培养腔进行电信号和力学信号共同刺激细胞，对一个独立的培养腔进行电信号和力学信号共同刺激细胞时，一组试验即可得到共同刺激培养的细胞与单独力学信号刺激的不同试验结果；对全部独立的培养腔进行电信号和力学信号共同刺激细胞时，需要先单独进行力学信号刺激试验(可以根据需求制备多个培养机构同时进行)，记录试验结果，再进行电信号和力学信号共同刺激细胞，从而得到多组试验结果对比；还可以对其中一个独立的培养腔进行电信号刺激细胞，另一个独立的培养腔进行力学信号刺激细胞，最后一个独立的培养腔进行电信号和力学信号共同刺激细胞，一组试验即可得到共同刺激培养的细胞与单独力学信号和电信号刺激的不同试验结果。
17.总的说来，本实用新型具有如下优点：
18.1.本实用新型结构简单，可以对细胞培养腔中的细胞进行力学刺激，便于独立的细胞培养腔之间对比试验结果；还可以同时进行电信号和力学信号对细胞进行刺激，使细胞实验更加完善有效，促进组织工程的发展。
19.2.本实用新型中，每个气囊单独与外界提供气压的装置连接，每个气囊的气压不同，从而可以形成对照组，与同步气囊气压的装置相比，本实用新型更便于观察多个细胞培养腔在加载不同力学荷载情况下的试验结果。
20.3.本实用新型中，每个气囊单独与外界提供气压的装置连接，与一个主气囊连接几个分气囊相比，通过另外控制主气囊输入分气囊的气压控制分气囊的气压，这种结构比
较复杂，需要设置传感器以及气流通道控制阀，本实用新型只需控制提供气压的装置输出的气压即可，操作方便，结构简单。
附图说明
21.图1为一种利用气压进行细胞力学加载的培养机构的示意图。
22.图2为培养平台的立体图。
23.图3为支撑平台与通气管连接的立体图。
24.图4为一种利用气压进行细胞力学加载的培养机构的俯视图。
25.其中，1为培养平台，2为通孔，3为硅橡胶模，4为气囊，5为支撑平台，6为通气管，7为底板，8为导电水凝胶层。
具体实施方式
26.下面将结合具体实施方式来对本实用新型做进一步详细的说明。
27.实施例一
28.本实施例的一种利用气压进行细胞力学加载的培养机构，包括底板、支撑平台、培养平台、气囊、通气管、硅橡胶膜、导电水凝胶层；底板、支撑平台和培养平台依次连接；培养平台设有三个独立的通孔，硅橡胶膜的数量为三个，一个硅橡胶膜与一个通孔密封连接形成独立的细胞培养腔；支撑平台设有三个独立的凹槽，三个凹槽对应三个通孔设置；气囊安装在凹槽，气囊的外表面与硅橡胶膜接触，支撑平台设有三个连接孔，连接孔连通外界与凹槽；通气管的数量为三个，三个通气管分别穿过三个连接孔，通气管的一端伸入凹槽，气囊与通气管连接；导电水凝胶层覆盖在硅橡胶模的上方。
29.导电水凝胶层的数量为三份，三份导电水凝胶层分别覆盖在三个硅橡胶模的上方；本实施例的导电水凝胶层通过化学接枝的方式覆盖在硅橡胶模的上方。
30.培养平台和支撑平台均采用聚二甲基硅氧烷与固化剂混合制成，聚二甲基硅氧烷与固化剂的混合比例为10:1。具体制备方法是以10：1质量比混合pdms预聚物和固化剂，倾倒于模具中，60℃固化4小时。
31.培养平台的底部平面和顶部平面均为三角形，支撑平台的底部平面和顶部平面均为三角形。
32.底板采用玻璃制成。
33.硅橡胶膜的厚度为2mm。
34.三个通孔在培养平台上呈正三角形分布。
35.通孔为圆形通孔，直径为2mm。
36.通气管为采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)制成的导管。
37.通气管的直径为2mm。
38.导电水凝胶层通过化学接枝的方式覆盖在硅橡胶模的上方，化学接枝的方式为：
39.(1)配置体积比为3:1:1的水/过氧化氢/盐酸溶液，滴加至培养机构的培养腔中，氧化30分钟，随后用去离子水清洗。
40.(2)配置含有1.5％γ―甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(kh570)的乙醇/水(体积比为1:1)溶液，用乙酸调节ph为4，滴加至氧化后的培养机构培养腔中，反应1小时，随后
用去离子水洗涤，氮气干燥。
41.(3)将配置好的导电水凝胶层预聚液滴加在培养腔上，室温下固化，即可得到表面接枝导电水凝胶层的装置。
42.导电水凝胶层预聚液：
43.(1)多巴胺预聚：配制4mg/ml多巴胺(da)/盐酸缓冲液(tris-hcl)溶液，搅拌20分钟使da预聚形成pda(聚多巴胺polydopamine)。
44.(2)pda还原go：将2mg/ml的go(氧化石墨烯graphene oxide)溶液加入步骤(1)制备的pda溶液中，形成混合液，搅拌使pda与go反应1小时，得到聚多巴胺部分还原的go混合溶液(rgo/go)，rgo为还原氧化石墨烯reduced graphene oxide。
45.(3)水凝胶预聚体系：将丙烯酰胺(am)，过硫酸铵(aps)，n,n-亚甲基双丙烯酰胺(bis)和四甲基乙二胺(temed)加入步骤(2)中的rgo/go混合溶液中，并在冰浴条件下搅拌混合均匀。
46.本实施例中的一种利用气压进行细胞力学加载的培养装置，包括实验室注射泵、三个鲁尔接头、一种利用气压进行细胞力学加载的培养机构；实验室注射泵包括三个注射器；三个注射器分别与三个鲁尔接头连接；培养机构的三个通气管的一端分别与三个鲁尔接头连接。
47.力学信号的试验步骤：
48.步骤1，将配置好的骨髓间充质干细胞悬液加入细胞培养腔的导电水凝胶层上，每个培养腔接种1万个细胞，1ml细胞悬液，置于二氧化碳培养箱中，将通气管另一端通过鲁尔接头与实验室注射泵连接；
49.步骤2，启动装置，实验室注射泵参数设置为：总液量3ml，灌注时间1min，抽取时间1min，分配次数30次，设置完毕后让实验室注射泵开始工作，对接种了骨髓间充质干细胞的培养机构进行动态压缩，使细胞在此动态受压的条件下增殖与分化。
50.电信号的试验步骤：
51.步骤1，将配置好的骨髓间充质干细胞悬液加入细胞培养腔的导电水凝胶层上，每个培养腔接种1万个细胞，1ml细胞悬液，置于二氧化碳培养箱中，将通气管另一端通过鲁尔接头与实验室注射泵连接；
52.步骤2，接种细胞一天后，将两个导电电极(镍)平行放置在培养腔的两端(在一条直线上)，设置电源参数(电场强度0.1v/cm、1v/cm，电刺激时间1h/d)，设置完毕后将电源与导电电极连接开始工作，对接种了骨髓间充质干细胞的导电水凝胶层进行电信号刺激。
53.实施例二
54.本实施例的力学信号的试验步骤：
55.步骤1，将配置好的骨髓间充质干细胞悬液加入细胞培养腔的导电水凝胶层上，每个培养腔接种1万个细胞，1ml细胞悬液，置于二氧化碳培养箱中，将通气管另一端通过鲁尔接头与实验室注射泵连接；
56.步骤2，启动装置，实验室注射泵参数设置为：总液量3ml，灌注时间2min，抽取时间2min，分配次数15次，设置完毕后让实验室注射泵开始工作，对接种了骨髓间充质干细胞的培养机构进行动态压缩，使细胞在此动态受压的条件下增殖与分化。
57.本实施例未提及部分同实施例一。
58.实施例三
59.本实施例中，在进行力信号刺激之后的硅橡胶模上方设置导电水凝胶层；
60.本实施例的力学信号的试验步骤：
61.步骤1，将配置好的骨髓间充质干细胞悬液加入细胞培养腔的硅橡胶膜上，每个培养腔接种1万个细胞，1ml细胞悬液，置于二氧化碳培养箱中，将通气管另一端通过鲁尔接头与实验室注射泵连接；
62.步骤2，启动装置，实验室注射泵参数设置为：总液量3ml，灌注时间1min，抽取时间1min，分配次数30次，设置完毕后让实验室注射泵开始工作，对接种了骨髓间充质干细胞的培养机构进行动态压缩，使细胞在此动态受压的条件下增殖与分化。
63.本实施例未提及部分同实施例一。
64.实施例四
65.本实施例中，在进行力信号刺激之后的硅橡胶模上方设置导电水凝胶层；
66.本实施例的力学信号的试验步骤：
67.步骤1，将配置好的骨髓间充质干细胞悬液加入细胞培养腔的硅橡胶膜上，每个培养腔接种1万个细胞，1ml细胞悬液，置于二氧化碳培养箱中，将通气管另一端通过鲁尔接头与实验室注射泵连接；
68.步骤2，启动装置，实验室注射泵参数设置为：总液量3ml，灌注时间2min，抽取时间2min，分配次数15次，设置完毕后让实验室注射泵开始工作，对接种了骨髓间充质干细胞的培养机构进行动态压缩，使细胞在此动态受压的条件下增殖与分化。
69.本实施例未提及部分同实施例一。
70.实施例五
71.本实施例中，采用rgd替换导电水凝胶层。
72.本实施例的力学信号的试验步骤：
73.步骤1，通过化学反应在硅橡胶膜表面接枝精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(rgd)；
74.步骤2将配置好的骨髓间充质干细胞悬液加入细胞培养腔的硅橡胶膜上，每个培养腔接种1万个细胞，1ml细胞悬液，置于二氧化碳培养箱中，将通气管另一端通过鲁尔接头与实验室注射泵连接；
75.步骤3，启动装置，实验室注射泵参数设置为：总液量3ml，灌注时间1min，抽取时间1min，分配次数30次，设置完毕后让实验室注射泵开始工作，对接种了骨髓间充质干细胞的培养机构进行动态压缩，使细胞在此动态受压的条件下增殖与分化。
76.本实施例未提及部分同实施例一。
77.实施例六
78.本实施例中，采用rgd替换导电水凝胶层。
79.本实施例的力学信号的试验步骤：
80.步骤1，通过化学反应在硅橡胶膜表面接枝rgd；
81.步骤2，将配置好的骨髓间充质干细胞悬液加入细胞培养腔和硅橡胶膜上，每个培养腔接种1万个细胞，1ml细胞悬液，置于二氧化碳培养箱中，将通气管另一端通过鲁尔接头与实验室注射泵连接；
82.步骤3，启动装置，实验室注射泵参数设置为：总液量3ml，灌注时间2min，抽取时间
2min，分配次数15次，设置完毕后让实验室注射泵开始工作，对接种了骨髓间充质干细胞的培养机构进行动态压缩，使细胞在此动态受压的条件下增殖与分化。
83.本实施例未提及部分同实施例一。
84.上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。