细胞力学加载培养装置及其使用方法

本发明涉及细胞力学培养，尤其涉及细胞力学加载培养装置及其使用方法。

背景技术：

1、细胞处于复杂的生理力学和物理环境中，前者包括剪切、拉伸、压缩、扭转等，后者则涵盖细胞外基质硬度与拓扑、空间限位、体积受限、渗透压力等，呈现多方式、多模态和多参数的特点。细胞力学重点关注细胞力学性质变化及其亚细胞组元的力学重建，不同力学和物理环境下细胞发育、生长、增殖、分化和凋亡的动力学过程，细胞对作用力的感知、传递、传导和响应机制及其与周围环境的相互作用等，深入研究细胞的力学性能有望为研发基于力学原理的疾病诊疗新技术提供基础。

2、细胞力学如今仍算是一门新兴学科，涉及到力学、生物学、化学、医学等学科知识的交叉融合，远超出了传统生物医学工程的范畴。如今，细胞力学的诸多最新进展在生命科学领域得以应用，促进了生命科学的不断发展。目前，细胞力学作为新兴交叉学科的研究还处于上升阶段，深入的理论知识体系仍需发展和完善。

3、细胞力学加载培养装置是一种可以用来研究细胞力学特性的工具，它可以测量细胞的力学特性，例如细胞的硬度、粘性、弹性等。也可以根据实验细胞具体生存环境，通过专用细胞力学培养装置模拟细胞生存环境。从而研究细胞的生理和病理过程，为研究细胞力学特性或制造其它产品提供实验依据。细胞力学培养装置的发展经历了多个阶段，从最初的手动操作到现在的自动化系统，不断地进步和改进。

4、现有的细胞力学培养装置由细胞培养系统、驱动控制系统和动力传递系统三部分组成。采用可控制编程器的控制面板控制机械力作用条件（拉伸频率、应变大小、循环周期），通过驱动器向步进电机分配脉冲及控制进给分辨率。同时设计一种培养小室，细胞种植在硅橡胶制成的柔性硅橡胶小室内，置于固定桩上，由控制器控制步进电机，进而通过机械装置对小室腔内的细胞进行间接应变刺激。

5、目前体外细胞加载的主要有基底形变加载、磁力加载和正-负压加载。其中，基底形变加载方式适用于各种细胞的体外力学实验，是目前一种重要的实验装置。经过多年来研究人员的不断改进，细胞加载装置依托于基底膜形变技术，可进行精准实验研究，但其操作复杂，价格昂贵。

6、现有常规的细胞力学加载培养装置通常存在如下问题：1、采用顶杆直接施加力在基底膜上的方式对细胞进行力学加载，该方式存在受力不均匀的问题；2、细胞培养通道单一，多组不同力学条件的细胞在加载时存在相互影响的问题；3、封闭装置内电机产生的热量造成细胞培养环境的不稳定；4、传统力学加载装置需要将张、压力分离，无法在同一装置上实现。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种细胞力学加载培养装置，可用于各种细胞力学实验。该仪器由机械执行部分和水冷散热系统组成。仪器运行时，细胞种植在机械执行部分培养小室下方弹性膜上，通过电机对弹性膜上的细胞加载拉、压或拉-压的机械力。首要解决了现有利用顶杆抻拉弹性膜，受力不均匀的问题，其次仪器设置的六组独立的培养通道，可保证在有多组不同力学条件细胞培养时互不影响，同时水冷系统保证了细胞培养环境的稳定。

2、本发明技术方案如下：

3、一种细胞力学加载培养装置，包括机械执行部分和水冷散热系统，所述机械执行部分包括细胞培养室、力学加载单元、支撑底座，所述细胞培养室设置在支撑底座的顶部，用于提供细胞培养的场所；所述力学加载单元设置在支撑底座的内部，用于对细胞培养室内的细胞提供力学加载；所述水冷散热系统用于对力学加载单元产生的热量进行散热。

4、进一步的，所述细胞培养室包括相互配合固定的培养皿和分隔板以及设置在培养皿和分隔板之间的弹性基底膜，所述培养皿上阵列设置有垂直底部的第一通孔，并设置有下凹部，所述分隔板上设置有与所述下凹部对应的凹槽，凹槽内设置有与所述第一通孔对应的凸台，凸台的底部中心设置有垂直底部的第二通孔，分隔板的底面设置有与所述凸台对应的安装台。

5、进一步的，所述弹性基底膜设置在分隔板的凹槽的底部，并与培养皿的下凹部底部贴紧设置。

6、进一步的，所述培养皿和分隔板通过螺栓组固定在支撑底座上，培养皿和分隔板之间设置有密封圈进行密封；所述支撑底座包括由中部隔板分成的上腔体和下腔体，中部隔板上设置有与所述第二通孔位置对应的第三通孔。

7、进一步的，所述力学加载单元的数量的第一通孔的数量相对应，力学加载单元包括直线电机、活塞杆以及气室，直线电机固定设置在中部隔板上，电机轴穿过第三通孔进入上腔体内部，并通过连轴器与活塞杆的一端配合连接，活塞杆的另一端通过活塞与气室配合连接，通过直线电机驱动活塞杆上下运动，气室的顶部与分隔板底部的安装台固定连接，气室的内部通孔与所述第二通孔对应设置。

8、进一步的，所述水冷散热系统包括内置部分和外置部分，所述内置部分包括内置散热板，所述外置部分包括外置散热板、支撑架、支撑座、底板、水泵。以水为冷却介质，通过水泵驱动水的流动；内置散热板固定在支撑底座的下腔体中，外置部分单独装配，内置部分和外置部分通过水管连接。

9、优选的，在培养皿的上方还设置有透明罩，在支撑底座的底部还设置有底盖，在支撑底座的端盖上还设置有d-usb接口，直线电机连接至d-usb接口，再通过数据传输线连接接口控制各个电机。

10、本发明还提出了上述细胞力学加载培养装置的使用方法，包括以下步骤：

11、将机械执行部分装配完成后，将培养细胞所需的营养液注入细胞培养室中，再将细胞种植在小室底部的弹性基底膜上；

12、将机械执行部分放置到保温箱内，启动电机，电机轴带动活塞杆上下移动，使气室内的空气压缩或膨胀，带动基底膜面积的扩大或缩小，将力间接加载到种植在基底膜上的细胞上；

13、开启水泵，将直线电机产生的多余热量排散到外部。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

15、1.现有技术抻拉基底膜是利用顶杆直接施加力在基底膜上，本申请通气缸内气体压强实现对基底膜实现抻拉，所施加的力更均匀。

16、2.本申请可实现外源性应力多向多参数调控：

17、2.1静态动态力调控：可设置力学周期加载参数，或设定静态牵张；

18、2.2牵张力及轴向压缩力调控：通过设计不同行程，可实现轴向张/压力，克服了传统力学加载装置将张、压力分离，无法在同一装置上实现的限制。

19、3.本申请在细胞培养规格上具有以下有益效果：

20、弹性盒内设多个培养隔间，将细胞培养单元独立分隔，互不影响，可灵活设计实验变量，满足一次力学加载实现不同时序设计模式，满足不同力学加载需求。

21、4.本申请在考虑仪器完备性具有以下有益效果：

22、设置水冷散热系统，避免出现仪器自身产热影响仪器使用效果的现象。

技术特征：

1.一种细胞力学加载培养装置，其特征在于，包括机械执行部分和水冷散热系统，所述机械执行部分包括细胞培养室、力学加载单元、支撑底座（1），所述细胞培养室设置在支撑底座（1）的顶部，用于提供细胞培养的场所；所述力学加载单元设置在支撑底座（1）的内部，用于对细胞培养室内的细胞提供力学加载；所述水冷散热系统用于对力学加载单元产生的热量进行散热。

2.根据权利要求1所述的一种细胞力学加载培养装置，其特征在于，所述细胞培养室包括相互配合固定的培养皿（2）和分隔板（3）以及设置在培养皿（2）和分隔板（3）之间的弹性基底膜（4），所述培养皿（2）上阵列设置有垂直底部的第一通孔（201），并设置有下凹部（202），所述分隔板（3）上设置有与所述下凹部（202）对应的凹槽（301），凹槽（301）内设置有与所述第一通孔（201）对应的凸台（302），凸台（302）的底部中心设置有垂直底部的第二通孔（303），分隔板（3）的底面设置有与所述凸台（302）对应的安装台（304）。

3.根据权利要求2所述的一种细胞力学加载培养装置，其特征在于，所述弹性基底膜（4）设置在分隔板（3）的凹槽（301）的底部，并与培养皿（2）的下凹部（202）底部贴紧设置。

4.根据权利要求2所述的一种细胞力学加载培养装置，其特征在于，所述培养皿（2）和分隔板（3）通过螺栓组固定在支撑底座（1）上，培养皿（2）和分隔板（3）之间设置有密封圈（5）进行密封；所述支撑底座（1）包括由中部隔板（101）分成的上腔体和下腔体，中部隔板（101）上设置有与所述第二通孔（303）位置对应的第三通孔（102）。

5.根据权利要求4所述的一种细胞力学加载培养装置，其特征在于，所述力学加载单元的数量的第一通孔（201）的数量相对应，力学加载单元包括直线电机（6）、活塞杆（7）以及气室（8），直线电机（6）固定设置在中部隔板（101）上，电机轴穿过第三通孔（102）进入上腔体内部，并通过连轴器与活塞杆（7）的一端配合连接，活塞杆（7）的另一端通过活塞与气室（8）配合连接，通过直线电机（6）驱动活塞杆（7）上下运动，气室（8）的顶部与分隔板（3）底部的安装台（304）固定连接，气室（8）的内部通孔与所述第二通孔（303）对应设置。

6.根据权利要求4所述的一种细胞力学加载培养装置，其特征在于，所述水冷散热系统包括内置部分（9）和外置部分（10），所述内置部分（9）包括内置散热板（91），所述外置部分（10）包括外置散热板（1001）、支撑架（1002）、支撑座（1003）、底板（1004）以及水泵（1005）；以水为冷却介质，通过水泵（1005）驱动水的流动；内置散热板（91）固定在支撑底座（1）的下腔体中，外置部分（10）单独装配，内置部分（9）和外置部分（10）通过水管连接。

7.根据权利要求4所述的一种细胞力学加载培养装置，其特征在于，在培养皿（2）的上方还设置有透明罩（11），在支撑底座（1）的底部还设置有底盖（12），在支撑底座（1）的端盖（103）上还设置有d-usb接口（13），直线电机（6）连接至d-usb接口（13），再通过数据传输线连接接口控制各个电机。

8.一种如权利要求5-7任意一项所述的细胞力学加载培养装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明公开一种细胞力学加载培养装置，可用于各种细胞力学实验。该仪器由机械执行部分和水冷散热系统组成，所述机械执行部分包括细胞培养室、力学加载单元以及支撑底座。仪器运行时，细胞种植在机械执行部分培养皿小室下方弹性基底膜上，通过直线电机对弹性基底膜上的细胞加载拉、压或拉‑压的机械力。首要解决了现有利用顶杆抻拉弹性基底膜不均匀的问题，其次仪器设置的六组独立的培养通道，可保证在有多组不同力学条件细胞培养时互不影响，同时水冷系统保证了细胞培养环境的稳定。

技术研发人员：李吉泉,刘传杰,颉俊,蒋林
受保护的技术使用者：浙江工业大学台州研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17