一种基于可移动电极的细胞三维组装装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物制造技术领域，尤其是涉及一种基于可移动电极的细胞三维组装装置及方法。
【背景技术】
[0002]生物工程中要解决的一个关键问题是如何把生物细胞组装成具有生物活性的人工替代物，用以维持、恢复或提高人体组织的功能。为了更好地了解细胞如何生长发育成有功能性的组织器官，现有方法一般是通过在培养皿上培养细胞来研宄细胞的生长特性。近年来，越来越多的研宄表明，细胞在二维平面上的生长状态不能真实地反应细胞在人体中的生长环境。因此，如何把生物细胞固定在三维空间并让其生长是生物工程中的一个关键技术，即将生物细胞固定并形成一个生物细胞的三维空间固定结构。
[0003]海藻酸钠(Sodium Alginate)是一种天然多糖，具有稳定性、溶解性和无毒性，广泛应用在食品加工、药物制剂等领域。通过在含有生物细胞的海藻酸钠中加入CaCl2溶液，海藻酸钠会与Ca2+发生反应并生成一种水凝胶:海藻酸妈(Calcium Alginate)。该水凝胶具有制备简单，生物兼容性好等优点，已广泛被用作生物支架来固定细胞，实现细胞在三维空间的培养。然而，传统的制备方法中，Ca2+的浓度和分布在混合溶液中很难被控制。因此，含有细胞的水凝胶形状也难以精确控制，导致细胞在三维空间的生长也难以控制。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于可移动电极的细胞三维组装装置，其结构简单、设计合理且使用操作简便、使用效果好，能对内含细胞的水凝胶形状进行简便调整，且水凝胶形状易于控制。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种基于可移动电极的细胞三维组装装置，其特征在于:包括导电底板、位于导电底板上方的导电针管、将内含生物细胞的细胞固定液输送至所述导电针管内的注液装置和带动所述导电针管在导电底板上方移动的针管移动机构，所述导电针管安装在所述针管移动机构上；所述导电针管包括内套管和覆盖在内套管外侧壁上的导电金属层，所述内套管的上端开有进液口且其下端开有出液口，所述注液装置通过连接管与内套管的进液口连接；所述细胞固定液为由海藻酸钠、碳酸钙和水均匀混合而成的水溶液，所述水溶液中海藻酸钠的重量百分含量为1%?4%，所述水溶液中碳酸I?的重量百分含量为0.1%?0.4%;所述导电底板和导电金属层分别与直流供电单元的两个电源输出端相接，所述导电底板、导电金属层和直流供电单元组成对所述细胞固定液进行电解并生成水凝胶的电解装置，所述导电底板和导电金属层均为电解用电极；所述导电针管为将内含生物细胞的细胞固定液或内含生物细胞的水凝胶涂覆在导电底板上的涂覆装置。
[0006]上述一种基于可移动电极的细胞三维组装装置，其特征是:所述直流供电单元为电流值可调的可调直流电源，所述注液装置和/或所述连接管上装有对所述连接管内的内含生物细胞的细胞固定液流量进行调节的流量调节装置。
[0007]上述一种基于可移动电极的细胞三维组装装置，其特征是:所述导电底板呈水平布设，所述导电针管呈竖直向布设。
[0008]上述一种基于可移动电极的细胞三维组装装置，其特征是:所述注液装置为注射器，所述内套管为玻璃针管。
[0009]上述一种基于可移动电极的细胞三维组装装置，其特征是:所述内套管的中上部为圆柱管且其下部为直径由上至下逐渐缩小的圆锥管，所述圆锥管的上端直径与所述圆柱管的直径相同且其底端为所述出液口 ；所述出液口的口径为Φ50μπι?Φ200 μπι。
[0010]上述一种基于可移动电极的细胞三维组装装置，其特征是:所述针管移动机构为操作器，所述操作器包括底座、安装在所述底座上的立柱、固定在所述立柱上的支撑臂和安装在所述支撑臂上且对所述导电针管上部进行夹持的夹持机构。
[0011]上述一种基于可移动电极的细胞三维组装装置，其特征是:所述内套管的中下部外侧壁上均覆盖有导电金属层，所述导电金属层为金属沉积层。
[0012]上述一种基于可移动电极的细胞三维组装装置，其特征是:所述金属沉积层为金沉积层。
[0013]上述一种基于可移动电极的细胞三维组装装置，其特征是:所述导电金属层与直流供电单元的正电源输出端或负电源输出端连接；当导电金属层与直流供电单元的正电源输出端时，所述导电底板与直流供电单元的负电源输出端连接，此时导电金属层为所述电解装置的阳极，且所述导电针管为将内含生物细胞的水凝胶涂覆在导电底板上的涂覆装置；当导电金属层与直流供电单元的负电源输出端时，所述导电底板与直流供电单元的正电源输出端连接，此时导电底板为所述电解装置的阳极，且所述导电针管为将内含生物细胞的细胞固定液涂覆在导电底板上的涂覆装置。
[0014]同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、实现方便且使用效果好、通过控制移动电极的位置和/或电流的大小调整水凝胶形状的基于可移动电极的细胞三维组装方法，其特征在于该方法包括以下步骤:
[0015]步骤一、电解装置接线:将导电底板和导电金属层，分别与直流供电单元的两个电源输出〗而相接；
[0016]步骤二、细胞固定液输送:将生物细胞放入所述生物固定液后，通过注液装置将内含生物细胞的生物固定液送入所述导电针管内；
[0017]步骤三、导电针管位置调整及电解电流调整:开启直流供电单元，并根据预先设计的生物细胞所固定的三维空间形状，通过所述针管移动机构对所述导电针管的位置进行调整和/或对直流供电单元的电流值进行调整，便获得生物细胞的三维空间固定结构；所述三维空间固定结构为位于导电底板上且内含生物细胞的水凝胶。
[0018]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0019]1、所采用的细胞三维组装装置，结构简单、设计合理且拆装方便，投入成本较低。
[0020]2、所采用的细胞三维组装装置使用操作简便且使用效果好，能对内含细胞的水凝胶形状进行简便调整，且内含细胞的水凝胶(即生物细胞的三维空间固定结构)的形状易于控制。实际使用时，基于电沉积的原理，通过控制移动电极的位置和电流的大小(即电场的强度)，来精确控制Ca2+产生的位置和浓度，从而控制含有生物细胞的水凝胶的形状，并且能实现水凝胶形状的精确控制，最终实现细胞的三维组装。
[0021]3、使用操作方式灵活，既可以导电针管安装在针管移动机构上，将导电金属层作为移动电极，导电底板作为固定电极；也可以将导电针管作为固定电极，对导电底板的位置进行移动。也就是说，只需导电底板与导电针管之间有相对移动即可。实际使用时，通过直流供电单元在导电针管的导电金属层与导电底板上通电，便能在阳极经电沉积生成海藻酸钙，海藻酸钙生成过程中，会将生物细胞固定在水凝胶内。其中，导电底板既可以作阳极，也可以作阴极；相应地，导电针管的导电金属层既可以作阴极，也可以作阳极。
[0022]4、所采用的细胞三维组装方法步骤简单、实现方便且使用效果好、通过移动电极调整内含细胞的水凝胶形状实现细胞三维组装。并且，具有生物兼容性好、工艺步骤简单、三维形状及结构可控、控制精度高等优点。
[0023]实际使用时，基于电沉积原理，将含有生物细胞的细胞固定液通过注射器注入导电针管，当在导电针管和导电底板加电时，会在阳极形成水凝胶；通过操作器控制导电针管出液口的位置，通过直流供电单元控制电场强度的大小，来实现对水凝胶形状的精确控制，最终实现细胞的三维组装。实际使用过程中，导电针管的出液口靠近导电底板，但二者不接触；最终生成的内部固定有生物细胞的水泥浆布设于导电底板上。
[0024]下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
【附图说明】
[0025]图1为本发明细胞三维组装装置的使用状态参考图。
[0026]附图标记说明:
[0027]I —操作器；2—注射器； 3 —内套管；
[0028]3-1—导电金属层； 4 一导电底板；5—直流供电单元；
[0029]5-1—第一导线；5-2—第二导线；6—水凝胶。
【具体实施方式】
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