一种基于芯片化培养的细胞电磁力学刺激方法

本发明属于生物力学仪器领域，特别涉及一种基于芯片化培养的细胞电磁力学刺激方法。

背景技术：

1、研究表明骨骼肌、骨、软骨、平滑肌等多种组织的细胞都能在体外培养环境中响应力学刺激而发生取向。同时，力学刺激信号能有效影响调控多种组织的生理活动，如骨骼肌组织的成肌分化、骨组织的破骨与成骨过程等。组织工程是一种结合材料支架、细胞、及生长因子在体外进行人工组织构建的新兴研究。将工程化组织整合在微流控芯片当中构建的器官组织芯片，在对药物筛选及浓度测定、器官组织生理相关的研究中有重要的价值。但如何给予器官组织芯片中的工程化组织以合适的仿生刺激，诱导其成熟而具备与体内生理组织相近的结构与功能，目前仍是一个重大挑战。

2、现有细胞产生生物力学刺激对细胞进行培养主流为基于电机驱动装置和气压驱动装置。但是电机驱动装置和气压驱动装置均存在明显缺点：(1)体内骨骼肌在动作电位后40ms-60ms内的极短时间就能达到收缩力的峰值，骨和椎间盘在人体运动时承受的负荷都是瞬时变化的，但是电机驱动或气压驱动模拟的力学刺激，如申请号200810114990.6公开的一种对细胞施加力学刺激的细胞培养装置，该细胞培养装置通过抽真空装置对真空室抽真室以产生形力从而对细胞施加力学刺激；申请号201911392383.0公开的一种体外动态细胞培养装置及其培养方法通过驱动组件带动夹具组件做往复运动对细胞施加力学刺激，这些电机驱动或气压驱动模拟的力学刺激均为连续变化，与体内组织在生理状态下的受力与发力特征有重大区别。(2)电机驱动方式需要传动杆等实体零件，将力学刺激传导至芯片内组织，不利于保持相对隔离独立，有一定染菌风险，如申请号201911392383.0的体外动态细胞培养装置需要直接与细胞接触，容易产生污染，但是器官组织需保持与外环境相对隔离独立，以保证微流控灌注并无菌无污染。

3、目前最新还出现了通过电磁力学磁刺激的方法对细胞产生刺激，如申请号202122156216.5，但是这种电磁力产生的作用力使用体积较大磁吸动子才能对细胞产生足够的作用力，磁吸动子的体积造成了培养仓整体体积较大。但是对于目前培养芯片的内部容积一般小于10ml，在这个体积不足以容纳目前磁吸动子、细胞、细胞载体及培养液等，因此这种电磁力学磁刺激无法使用适用于培养芯片。

4、因此，针对现有技术不足，提供一种基于芯片化培养的细胞电磁力学刺激方法以解决现有技术不足甚为必要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种基于芯片化培养的细胞电磁力学刺激方法。该基于芯片化培养的细胞电磁力学刺激方法生产的电磁场垂直贯穿于培养芯片，从而大大提高了作用力；同时将培养液循环进入培养芯片，因此培养芯片无需使用较大的培养液存储空间。

2、本发明的上述目的通过以下技术措施实现：

3、提供一种基于芯片化培养的细胞电磁力学刺激方法，将承载有细胞的培养芯片与培养液循环模块连接，所述培养液循环模块使培养液循环进入所述培养芯片，在需要力学刺激时将所述培养芯片放置于电磁场发生模块中，所述电磁场发生模块产生的电磁场垂直贯穿于所述培养芯片中用于承载细胞的弹性载片，使所述弹性载片受到垂直电磁力的作用，通过电磁驱动的方法实现以非接触的方式对所述培养芯片内的细胞进行生物力学刺激，在力学刺激完毕后将所述培养芯片从所述电磁场发生模块取出。

4、培养液在循环过程中，外部环境的氧气进入所述培养液循环模块的内部而培养液中的二氧化碳向外部环境释放。

5、多个所述培养芯片以并联方式与所述培养液循环模块连接。在每个力学刺激周期，先将其中一个培养芯片放置入所述电磁场发生模块中进行力学刺激，在力学刺激完成后，将该培养芯片取出；再将下一个培养芯片放置入所述电磁场发生模块进行力学刺激，在力学刺激完成后，将该培养芯片取出，直至所有培养芯片均完成力学刺激后结束。

6、在所述培养液循环模块设置有泵体、气体交换仓、半透膜、装配组件和多条液体通道，在所述泵体作用下将所述气体交换仓内部培养液输送至所述培养芯片，并将所述培养芯片原来的培养液回抽至所述气体交换仓内，从而使培养液在所述培养芯片与所述气体交换仓之间循环；同时通过装配组件将所述半透膜密封固定在所述气体交换仓的上方，多条液体通道均从外部贯穿至所述气体交换仓的内部，其中作为进液通道的液体通道与所述泵体连通，作为出液通道的液体通道与所述培养芯片连通。

7、优选的，上述气体交换仓设置有盖板与仓体，所述半透膜位于所述盖板与所述仓体之间，在所述仓体的内部通过一体连接的挡板将所述仓体分隔成多个子腔，多个子腔依次串连形成培养液流道，液体通道与所述培养液流道的末端连通。

8、将从所述培养芯片流入所述培养液循环模块的培养液定义为第一培养液，所述第一培养液在所述培养液流道中，所述第一培养液中的二氧化碳经所述半透膜向外部环境扩散，外部环境中的氧气经所述半透膜向所述培养液循环模块的内部扩散，并进入所述第一培养液内部形成第二培养液，第二培养液经所述泵体作用下进入所述培养芯片。

9、优选的，上述装配组件设置有装配上盖和装配座，所述装配上盖扣合在所述盖板的上方，所述仓体放置于所述装配座的内部，然后通过连接件将所述装配上盖与所述装配座相互装配，使所述盖板和所述仓体密封。

10、在所述装配上盖和所述盖板均设置有通孔，所述第一培养液的二氧化碳从所述半透膜经通孔进入外部环境；同时外部环境的氧气从通孔穿过所述半透膜进入所述气体交换仓的内部形成所述第二培养液。

11、优选的，上述弹性载片位于所述培养芯片的芯片本体内部，且所述弹性载片的一端与所述培养芯片固定作为固定端，所述弹性载片的一端为自由端，且所述自由端与磁性件连接。

12、优选的，上述磁性件在所述电磁场中垂直运动运动并带动所述自由端垂直伸缩，从而对细胞产生力学刺激。

13、培养液在所述培养液循环模块的泵体作用下，通过所述培养芯片中的进液管进入所述培养芯片的内部，然后通过所述培养芯片中的出液管返回所述培养液循环模块。

14、在所述电磁场发生模块中，通过两块相互平行电磁铁产生所述电磁场，所述培养芯片放置在两块所述电磁铁之间形成放置通道中，所述电磁场的磁场线垂直贯穿所述放置通道和所述培养芯片。

15、优选的，上述电磁铁固定装配于所述电磁场发生模块的支撑部的上表面，用于控制所述电磁铁产生磁场的控制电路固定于所述支撑部的内部。

16、在所述支撑部中，通过固定组件将两块所述电磁铁相互平行固定在控制仓组件的上表面，所述控制电路收纳于所述控制仓组件的内部。

17、在移动所述电磁场发生模块时，通过提起固定在所述控制仓组件两侧的把手提起整个所述电磁场发生模块以及位于所述放置通道的培养芯片。

18、每块所述电磁铁通过连接件与所述固定组件的固定竖板固定，所述固定竖板再通过连接件与所述固定组件的固定横板固定，最后所述固定横板通过连接件固定装配在所述控制仓组件的上表面。

19、在所述控制仓组件的控制主体通过面板进行密封，再通过压板将所述面板进行固定，所述面板覆盖在所述控制主体内部的空腔外表面，所述控制电路收纳于所述空腔内部。

20、优选的，上述控制电路设置有双路继电器k1、单片机scm1、蓝牙芯片h1、直流电源bt1、耦合电容c4、耦合电容c5、耦合电容c6、led2、整流二极管d1、整流二极管d2、电源模块dc1、电源模块dc2、电源模块dc3、电源模块dc4、可变电阻r1和可变电阻r2，并将两块所述电磁铁对应定义为电磁铁ya1和电磁铁ya2。

21、蓝牙芯片h1的rxd端与单片机scm1的d1/tx端连接，蓝牙芯片h1的txd端与单片机scm1的d0/rx端连接，蓝牙芯片h1的gnd端接地，蓝牙芯片h1的vcc端与单片机scm1的5v端连接，单片机scm1的gnd端接地，单片机scm1的5v端与耦合电容c4的正极、耦合电容c5的正极、耦合电容c6的正极和led2的正极连接，耦合电容c4的负极、耦合电容c5的负极、耦合电容c6的负极和led2的负极与电源模块dc4的负极接地，电源模块dc4的正极与单片机scm1的vin端，单片机scm1的d8端与双路继电器k1的pin1端连接，单片机scm1的d9端与双路继电器k1的pin2端连接，双路继电器k1的gnd端接地，双路继电器k1的vcc端与电源模块dc3的正极连接，双路继电器k1的com1端与电源模块dc2的正极连接，电源模块dc2的负极与可变电阻r1的调节端连接，可变电阻r1的一个调节端分别与整流二极管d1的正极和电磁铁ya1的一端连接，整流二极管d1的负极和电磁铁ya1的另一端均与双路继电器k1的no1端连接，双路继电器k1的com2端与电源模块dc1的正极连接，电源模块dc1的负极与可变电阻r2的一个固定端连接，可变电阻r2的调节端分别与整流二极管d2的负极和电磁铁ya2的一端连接，整流二极管d2的正极和电磁铁ya2的另一端均与双路继电器k1的no2端连接。

22、本发明的一种基于芯片化培养的细胞电磁力学刺激方法，将承载有细胞的培养芯片与培养液循环模块连接，所述培养液循环模块使培养液循环进入所述培养芯片，需要力学刺激时将所述培养芯片放置于电磁场发生模块中，所述电磁场发生模块产生的电磁场垂直贯穿于所述培养芯片承载细胞的弹性载片，使所述弹性载片受到垂直电磁力的作用，通过电磁驱动的方法实现以非接触的方式对所述培养芯片内的细胞进行生物力学刺激，在力学刺激完毕后将所述培养芯片从所述电磁场发生模块取出；培养液在循环过程中，氧气进入所述培养液循环模块的内部，而培养液中的二氧化碳向外部环境释放。本发明与现有技术相比的有益效果是：(1)电磁场垂直贯穿于培养芯片，即使在培养芯片内部磁性件体积较小情况下仍能产生较大的生物力学刺激；(2)培养芯片内部无需使用较大的培养液存储空间，培养液是通过通培养液循环模块循环流入培养芯片中，因此可实现细胞的芯片化培养；(3)磁场对细胞施加生物力学，且磁场的分布不受培养芯片的阻隔，电磁场发生模块与培养芯片完全分离，降低了染菌概率；(4)电磁场发生模块能产生瞬时变化的拉伸或压缩负荷，更符合仿生学要求。