CN101892154B - 一种压力-电联合刺激细胞培养装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力-电联合刺激细胞培养装置，包括细胞培养箱、细胞培养腔固定装置、细胞培养腔、传动装置、步进电机和信号发生器；培养箱设有与外界相通的孔道；细胞培养腔固定在细胞培养腔固定装置上，细胞培养腔包括连接杆、上腔体、压头、细胞-材料复合培养物、下腔体，上腔体固定在传动装置的传动板上，通过滑动螺杆与步进电机相连，下腔体固定在细胞培养腔固定装置的底座圆槽内，细胞-材料复合培养物放置在下腔体内；信号发生器与细胞培养腔内的金属电极连接。本发明克服了现有方法不能模拟体内细胞处于压力、电刺激同时存在的物理微环境的缺陷，建立了压力刺激联合电刺激下的细胞培养方法，将促进细胞、组织培养方法及相关组织工程反应器的发展。

Description

一种压力-电联合刺激细胞培养装置

技术领域

本发明涉及一种压力-电联合刺激细胞培养装置，属于细胞工程和组织工程技术领域。

背景技术

在组织工程中，细胞、组织的体外功能化培养已成为组织工程的核心，也是形成组织工程产业的必要技术基础。而提供与细胞体内生存条件相近似的体外生长环境，对于细胞、组织的三维培养和功能化至关重要，其中，力学、电学等物理影响因子在其中起着不可忽视的作用。

力学环境对器官、组织、细胞甚至亚细胞等各个层次的生命活动都有重要的影响。机械力可以激活多种力学敏感型细胞，如内皮细胞、平滑肌细胞、成骨细胞和破骨细胞等，其对细胞增殖、分化、功能、细胞持续及迁移等多方面均有着重要的调控作用。细胞在体内会受到剪切应力、牵张力以及压力等不同类型的应力。有研究将牛主动脉内皮细胞置于50、100和150mmHg压力下24h，观察细胞形态学变化及钙黏蛋白的表达，压力作用结束后，细胞伸长，形态扭曲，粗应力纤维向中心聚集，细胞内肌动蛋白重新排列，增殖活跃，钙黏蛋白水平也显著降低(Ohashi T，et al.，2003，2007)。也有研究人脐静脉内皮细胞在正弦压力(60/20mmHg，100/60mmHg，140/100mmHg)作用24h后的增殖和凋亡反应，正常血清和生长因子条件细胞在60/20mmHg和100/60mmHg的压力下导致DNA合成增加，但细胞密度和凋亡指数没有显著影响；正常血清和生长因子条件140/100mmHg压力作用下细胞DNA合成减少，说明循环压力可以调节人脐静脉内皮细胞的增殖率和死亡率，增殖和凋亡是细胞对循环压力的两个独立反应(SHIN H Y，et al.，2002)。应用人主动脉内皮和腔静脉内皮细胞，研究了压力对内皮细胞基础水平组织因子以及细胞因子诱导的组织因子的影响，结果显示高压力(170mmHg)可引起前述两组组织因子活性短暂性增高，但不改变细胞组织因子mRNA和蛋白的表达(Silverman M D，et al.，1999)。对近端肾小管上皮细胞进行20～120mmHg的压力作用，结果表明一氧化氮、一氧化氮合酶以及环磷酸鸟苷的表达增加，一氧化氮合酶活性增强(Broadbel T N V，et al.，2007)。

除了复杂的力学环境，电学环境也是体内细胞生长的重要微环境之一。在生理电场存在的情况下，细胞产生分裂、分化和迁移。没有电场的细胞培养环境缺少了一种胚胎自然发育过程中所具有的细胞外环境。通过模拟体内细胞、组织生长所处的电学微环境，可为体外细胞、组织的生长提供较为真实的环境，能使细胞快速、优质扩增。如电刺激可以诱导人成骨细胞钙离子浓度的增加，促进成骨细胞的增殖、生长因子的分泌以及细胞外基质的合成(Khatib L，et al.，2004；Supronwicz PR，et al.，2002)；使用导电聚吡咯作为培养基质材料对神经细胞PC-12等进行培养，实验显示聚吡咯膜支持鸡的包含雪旺氏细胞的坐骨神经细胞、纤维原细胞和其它神经节派生细胞的生长和分化，对PC-12而言，加电刺激比不加电刺激神经节要增长近一倍。(Schmidt CE，et al.，1997；Ze Zhang，et al.，2007)；MilicaRadisic等将新生大鼠心室肌细胞种植入胶原支架，采用模仿天然心脏组织的电脉冲信号(方波，2ms，5V/cm，1Hz)对细胞进行刺激8天，诱发了心肌细胞的有序生长、排列，提高了心肌细胞同步收缩的程度(是未加电脉冲心肌细胞收缩程度的7倍)，增加了α-肌动蛋白、心肌钙蛋白等心脏蛋白分泌量(Milica Radisic，et al.，2004)。

由以上可知，力刺激或电刺激的分别加载，能促进细胞的生长。但细胞本身处于力、电同时存在的环境，这两个环境是缺一不可的，对于维持细胞正常功能、分化、分泌等都是非常重要的。而现有的细胞、组织培养方法都没有综合这两种环境影响。目前已经有研究者开始考虑将这两种因素的综合影响应用在组织、细胞的培养中(Feng ZG，2005；魏严等，2008)。但是，国内至今还未发现可同时对细胞加载力电刺激的培养装置。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有方法不能模拟体内细胞处于压力、电刺激同时存在的物理微环境的技术问题，提出一种压力-电联合刺激细胞培养装置，采用压力刺激与电刺激联合加载，将细胞置于压力刺激与电刺激的联合作用下，模拟体内细胞生存环境，促进细胞的生长及分化，构建出功能化的细胞或组织。

一种压力-电联合刺激细胞培养装置，包括细胞培养箱、细胞培养腔固定装置、传动装置、细胞培养腔、步进电机和信号发生器；

培养箱两侧分别设有一个与外界相通的孔道，培养箱内的步进电机与信号发生器的电源线分别通过孔道与各自的电源连接；培养箱为密封结构，提供细胞生长所需的二氧化碳、温度和湿度环境；

细胞培养腔固定装置置于培养箱内，用于固定细胞培养腔和步进电动机；

细胞培养腔竖直方向固定在细胞培养腔固定装置与传动装置之间，传动装置固定连接步进电动机；步进电机控制传动装置上下往复运动；

细胞培养腔包括上腔体、压头、细胞-材料复合培养物和下腔体；上腔体一端固定连接传动装置，下腔体固定在细胞培养腔固定装置上，细胞-材料复合培养物放置在下腔体内，下腔体内盛有细胞培养液，浸没细胞-材料复合培养物；上腔体套在下腔体外围，压头位于细胞-材料复合培养物与上腔体之间；

细胞培养腔上腔体和下腔体设有金属电极，金属电极通过电极线连接信号发生器。

本发明的优点在于：

(1)本发明提供的压力刺激与电学刺激联合加载方式更接近于细胞生长、发育的体内环境，力电联合作用可改善细胞生长条件，从而促进细胞生长、提高细胞活性；

(2)本发明既可用于细胞、组织培养，也可用于细胞、组织生长研究，并且对细胞体外扩增、细胞/支架复合物的体外构建及功能化有积极的意义；

(3)本发明操作简单，稳定性好，具有较大的应用前景。

附图说明

图1是本发明一种压力-电联合刺激细胞培养装置的结构示意图；

图2是本发明细胞培养腔固定装置的结构示意图；

图3是本发明传动装置的结构示意图；

图4是本发明细胞培养腔的结构示意图；

图5是本发明细胞培养腔的组装结构示意图。

图中：

1-细胞培养箱    2-细胞培养腔固定装置    3-传动装置    4-细胞培养腔

5-步进电机      6-信号发生器

101-孔道

201-底座        202-竖杆      203-横杆

301-滑动螺杆    302-传动板    303-紧固环

401-连接杆      402-上腔体    403-压头    404-细胞-材料复合培养物

405-下腔体

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种压力-电联合刺激细胞培养装置，如图1所示的，包括细胞培养箱1、细胞培养腔固定装置2、传动装置3、细胞培养腔4、步进电机5和信号发生器6；

培养箱1两侧分别设有一个与外界相通的孔道101，培养箱1内的步进电机5的电源线与信号发生器6的电源线分别通过孔道101与外界电源连接。培养箱1为密封结构，提供细胞生长所需的二氧化碳、温度和湿度环境；

细胞培养腔固定装置2置于培养箱1内，如图2所示，细胞培养腔固定装置2为可拆装结构，包括底座201、竖杆202和横杆203，其中底座201为长方体结构，长方体结构的一面设有N个圆柱体槽，本发明的附图中，N为6，圆柱体槽的直径与细胞培养腔4的下腔体405外径相匹配，用于放置并且固定细胞培养腔的下腔体405，可同时放置N个细胞培养腔下腔体405；竖杆202的一端固定连接在底座201上，另一端固定连接横杆203，横杆203的另一端用于放置并且固定步进电动机5。

传动装置3如图3所示，包括滑动螺杆301、传动板302和紧固环303，传动板302为长方体结构，长方体结构设有N个圆柱体通孔，圆柱体通孔的直径与细胞培养腔4的连接杆401外径相匹配，紧固环303将穿过圆柱体通孔的连接杆401一端固定，传动板302上圆柱体通孔与底座201的圆柱体槽相对应，使得细胞培养腔4固定在竖直方向。滑动螺杆301一端固定连接传动板302，另一端连接步进电动机5，步进电机5控制滑动螺杆301上下运动。

细胞培养腔4如图4、图5所示，包括连接杆401、上腔体402、压头403、细胞-材料复合培养物404和下腔体405。上腔体402和下腔体405为圆柱体，圆柱体内部设有圆柱形槽，圆柱形槽的轴线与上腔体402和下腔体405的轴线重合。上腔体402封闭的一端固定连接连接杆401，通过紧固环303固定连接杆401，将上腔体402固定在传动板302上，传动板302上N个紧固环303可用来固定N个上腔体402。下腔体405封闭一端固定在细胞培养腔固定装置2的底座201的圆柱体槽内，细胞-材料复合培养物404放置在下腔体405内，下腔体405内盛有细胞培养液，浸没细胞-材料复合培养物404。上腔体402的圆柱形槽套在下腔体405外围，压头403位于细胞-材料复合培养物404与上腔体402之间。上腔体402、下腔体405及细胞-材料复合培养物404安装好后，步进电机5工作带动滑动螺杆301和传动板302上下运动，从而使得上腔体402内的压头403压缩下腔体405内的细胞-材料复合培养物404，对细胞提供压力刺激。

所述的细胞-材料复合培养物404的制备采取两种方式，分别为：

1)细胞与生物材料混合后，注入圆柱形模子共同培养，生物材料凝固后取出圆柱形细胞-材料复合培养物404。

2)将生物材料制备成圆柱形，用注射针将细胞悬浮液注入生物材料的内部，共培养后为细胞-材料复合培养物404。

所述的生物材料为下列中的一种：

(1)聚合物材料：胶原、壳聚糖、聚乳酸、聚乙醇酸或者聚己内酯；

(2)无机物材料：羟基磷灰石、磷酸钙或者β-磷酸三钙；

(3)复合物材料：无机材料磷酸钙与胶原、壳聚糖及聚乳酸聚合物复合，或者聚乳酸、聚乙醇酸的共聚物及聚乳酸、透明质酸不同聚合物之间的复合。

下腔体405、细胞-材料复合培养物404、压头403、上腔体402、连接杆401、传动板302、滑动螺杆301、紧固环303与步进电机5构成压力刺激加载系统，通过改变步进电机5的转速，提供不同频率的压力刺激，压力刺激是指频率为零的静态压缩或者不同频率的动态压缩刺激，由步进电机5产生。

细胞培养腔上腔体402压头403靠近细胞-材料复合培养物404的顶端部位和下腔体405底部设有金属电极，金属电极通过电极线连接信号发生器6，金属电极、电极线和信号发生器6构成电刺激加载系统，通过改变信号发生器6的电压或者电流，提供不同大小的电刺激，电刺激为恒电压、脉冲电压或者直流微电流，由信号发生器6产生。

所述的金属电极，分为不锈钢电极或铂电极。铂电极价格昂贵，但性能更加稳定。

细胞培养腔4提供细胞生长空间，通过与步进电机5和信号发生器6相连，为细胞提供压力-电刺激共同作用的生长环境。

本发明的细胞培养具体过程如下：

将细胞与生物材料进行三维共培养，制成圆柱体细胞-材料复合培养物404。在细胞培养腔的下腔体405内固定金属电极后放入圆柱体细胞-材料复合培养物404，将细胞培养液加入下腔体405浸没圆柱体细胞-材料复合培养物404。通过压力刺激加载系统压缩细胞-材料复合培养物404，提供静态或动态压力刺激；信号发生器6与细胞培养腔的上腔体402、下腔体405内金属电极相连提供电学刺激，在加载期间使细胞-材料复合培养物404内的细胞处于压力载荷和电载荷双重刺激的环境下生长、发育，最后完成细胞的培育。

实施例1：

将液态I型胶原与细胞培养液混合，调节骨髓间充质干细胞悬液密度为5×106个细胞/ml，然后将骨髓间充质干细胞与上述混合物混合。将混合液加入细胞培养板圆孔中，置于细胞培养箱中复合培养。细胞-材料复合培养物404成型后取出待用。

将细胞培养腔固定装置2、传动装置3及细胞培养腔4等灭菌后组装。先将一圆形铂电极片放入下腔体405底部，另一铂电极用胶固定在上腔体402的压头403顶部。将上腔体402的连接杆401固定在传动板302的紧固环303上，从而将上腔体402固定在传动板302上，与传动装置3连接。再把下腔体405放置在细胞培养腔固定装置2底座201的圆柱体槽内。然后把骨髓间充质干细胞-胶原复合培养物404放入下腔体405中，加入细胞培养液浸没复合培养物404。

将连接好的装置放入培养箱1中，以保证细胞生长对温度、湿度及二氧化碳的要求。分别将步进电机5的电源线和信号发生器6的电极线穿过培养箱1侧面的孔接入培养箱1内。步进电机5与传动板302上的滑动螺杆301相连，步进电机5工作后通过滑动螺杆301，带动传动板302、压头403，从而压缩骨髓间充质干细胞-胶原复合培养物404，对骨髓间充质干细胞加载压力刺激。由细胞培养腔上腔体402、下腔体405内的铂电极引出电极线，与信号发生器6的正、负极相连。打开调节好的步进电机5和信号发生器6的电源，使得压力刺激和电刺激联合作用于骨髓间充质干细胞，使细胞在压力载荷和电载荷双重刺激的环境下生长、发育，完成培养物的培育。

施加的压力刺激为动态压缩形变20％，频率为1Hz，电刺激为电脉冲信号，幅值为200mV，脉冲宽度为2ms，频率为1Hz，刺激时间为12h。

实施例2：

无菌操作条件下，将辐射灭菌的交联明胶/壳聚糖支架材料取出，置于细胞培养板中。将单层培养成骨细胞用胰蛋白酶溶液消化，制成细胞悬液，细胞悬液浓度1.0×10⁶个细胞/ml，将细胞悬液通过注射针加入生物材料内，待细胞贴附材料后再加入大量培养液，静态培养2天。

将细胞培养腔固定装置2、传动装置3及细胞培养腔4等灭菌后组装。先将一圆形不锈钢电极片放入下腔体405底部，另一不锈钢电极用胶固定在上腔体402的压头403顶部。将上腔体402的连接杆401固定在传动板302的紧固环303上，从而将上腔体402固定在传动板302上，与传动装置3连接。再把下腔体405放置在细胞培养腔固定装置2底座201的圆柱体槽内。然后把成骨细胞-交联明胶/壳聚糖复合培养物404放入下腔体405中，加入细胞培养液浸没复合培养物404。

将连接好的装置放入培养箱1中，以保证细胞生长对温度、湿度及二氧化碳的要求。分别将步进电机5的电源线和信号发生器6的电极线穿过培养箱1侧面的孔接入培养箱1内。步进电机5与传动板302上的滑动螺杆301相连，步进电机5工作后通过滑动螺杆301，带动传动板302、压头403，从而压缩成骨细胞-交联明胶/壳聚糖复合培养物，对成骨细胞加载压力刺激。由细胞培养腔上腔体402、下腔体405内的不锈钢电极引出电极线，与信号发生器6的正、负极相连。打开调节好的步进电机5和信号发生器6的电源，使得压力刺激和电刺激联合作用于成骨细胞，使细胞在压力载荷和电载荷双重刺激的环境下生长、发育，完成培养物的培育。

施加的压力刺激为动态压缩形变15％，频率为1Hz，电刺激为电脉冲信号，幅值为1000mV，脉冲宽度为2ms，频率为2Hz，刺激时间为6h。

实施例3：

无菌操作条件下，将辐射灭菌的聚乳酸(PLLA)/β-磷酸三钙(β-TCP)多孔支架材料取出，置于细胞培养板中。将单层培养软骨细胞用胰蛋白酶溶液消化，制成细胞悬液，细胞悬液浓度1.0×10⁶个细胞/ml，将细胞悬液通过注射针加入PLLA/β-TCP生物材料内，待细胞贴附材料后再加入大量培养液，静态培养2天。

将细胞培养腔固定装置2、传动装置3及细胞培养腔4等灭菌后组装。先将一圆形铂电极片放入下腔体405底部，另一铂电极用胶固定在上腔体402的压头403顶部。将上腔体402的连接杆401固定在传动板302的紧固环303上，从而将上腔体402固定在传动板302上，与传动装置3连接。再把下腔体405放置细胞培养腔固定装置2底座201的圆柱体槽内。然后把软骨细胞-PLLA/β-TCP复合培养物404放入下腔体405中，加入细胞培养液浸没复合培养物404。

将连接好的装置放入培养箱1中，以保证细胞生长对温度、湿度及二氧化碳的要求。分别将步进电机5的电源线和信号发生器6的电极线穿过培养箱1侧面的孔接入培养箱1内。步进电机5与传动板302上的滑动螺杆301相连，步进电机5工作后通过滑动螺杆301，带动传动板302、压头403，从而压缩软骨细胞-PLLA/β-TCP复合培养物，对软骨细胞加载压力刺激。由细胞培养腔上腔体402、下腔体405内的铂电极引出电极线，与信号发生器6的正、负极相连。打开调节好的步进电机5和信号发生器6的电源，使得压力刺激和电刺激联合作用于软骨细胞，使细胞在压力载荷和电载荷双重刺激的环境下生长、发育，完成培养物的培育。

施加的压力刺激为动态压缩形变10％，频率为1Hz，电刺激为恒电压，幅值为100mV，刺激时间为12h。

上述压力刺激、电刺激参数的设置，材料的改变是根据所培养的细胞特点不同进行选择的。

Claims (5)

1.一种压力-电联合刺激细胞培养装置，其特征在于：包括细胞培养箱、细胞培养腔固定装置、细胞培养腔、传动装置、步进电机和信号发生器；

培养箱两侧分别设有一个与外界相通的孔道，培养箱内的步进电机与信号发生器的电源线分别通过孔道与各自的电源连接；培养箱为密封结构，提供细胞生长所需的二氧化碳、温度和湿度环境；

细胞培养腔固定装置置于培养箱内，用于固定细胞培养腔和步进电动机；

细胞培养腔竖直方向固定在细胞培养腔固定装置与传动装置之间，传动装置固定连接步进电动机；步进电机控制传动装置上下往复运动；

细胞培养腔包括上腔体、压头、细胞-材料复合培养物和下腔体；上腔体一端固定连接传动装置，下腔体固定在细胞培养腔固定装置上，细胞-材料复合培养物放置在下腔体内，下腔体内盛有细胞培养液，浸没细胞-材料复合培养物；上腔体套在下腔体外围，压头位于细胞-材料复合培养物与上腔体之间；

所述的细胞-材料复合培养物的制备为：

1）细胞与生物材料混合后，注入圆柱形模子共同培养，生物材料凝固后取出圆柱形细胞-材料复合培养物；

所述的生物材料为液态Ⅰ型胶原，

将液态Ⅰ型胶原与细胞培养液混合，调节骨髓间充质干细胞悬液密度为5×10⁶个细胞/ml，然后将骨髓间充质干细胞与上述混合物混合,将混合液加入细胞培养板圆孔中，置于细胞培养箱中复合培养，成型后取出待用；

2）将生物材料制备成圆柱形，用注射针将细胞悬浮液注入生物材料的内部，共培养后为细胞-材料复合培养物；

所述的生物材料为交联明胶/壳聚糖支架材料或聚乳酸/β-磷酸三钙多孔支架材料；

细胞培养腔上腔体和下腔体设有金属电极，金属电极通过电极线连接信号发生器；

所述的细胞培养腔包括连接杆、上腔体、压头、细胞-材料复合培养物和下腔体；上腔体和下腔体为圆柱体，圆柱体内部设有圆柱形槽，圆柱形槽的轴线与上腔体和下腔体的轴线重合；上腔体封闭的一端固定连接连接杆，通过紧固环固定连接杆，将上腔体固定在传动板上；下腔体封闭一端固定在细胞培养腔固定装置的底座的圆柱体槽内，细胞-材料复合培养物放置在下腔体内，下腔体内盛有细胞培养液，浸没细胞-材料复合培养物；上腔体的圆柱形槽套在下腔体外围，压头位于细胞-材料复合培养物与上腔体之间；上腔体、下腔体及细胞-材料复合培养物安装好后，步进电机工作带动滑动螺杆和传动板上下运动，从而使得上腔体内的压头压缩下腔体内的细胞-材料复合培养物，对细胞提供压力刺激；

所述的细胞培养腔上腔体压头靠近细胞-材料复合培养物的顶端部位和下腔体底部设有金属电极，金属电极通过电极线连接信号发生器；

传动装置包括滑动螺杆、传动板和紧固环，紧固环将穿过传动板的细胞培养腔连接杆一端固定，传动板上圆柱体通孔与底座的圆柱体槽相对应，使得细胞培养腔固定在竖直方向；滑动螺杆一端固定连接传动板，另一端连接步进电动机，步进电机控制滑动螺杆带动上腔体上下运动；

所述的传动板为长方体结构，长方体结构设有N个圆柱体通孔，圆柱体通孔的直径与细胞培养腔的连接杆外径相匹配。

2.根据权利要求1所述的一种压力-电联合刺激细胞培养装置，其特征在于：所述的细胞培养腔固定装置包括底座、竖杆和横杆，底座用于固定细胞培养腔的下腔体；竖杆一端固定连接底座，另一端固定连接横杆，横杆的另一端固定连接步进电动机；

所述的底座为长方体结构，长方体结构的一面设有N个圆柱体槽，圆柱体槽的直径与细胞培养腔的下腔体外径相匹配，用于放置并且固定细胞培养腔的下腔体。

3.根据权利要求1所述的一种压力-电联合刺激细胞培养装置，其特征在于：所述步进电机产生的压力刺激是指频率为零的静态压缩或者不同频率的动态压缩刺激。

4.根据权利要求1所述的一种压力-电联合刺激细胞培养装置，其特征在于：所述信号发生器产生的电刺激为恒电压、脉冲电压或者直流微电流。

5.根据权利要求1所述的一种压力-电联合刺激细胞培养装置，其特征在于：所述的金属电极为不锈钢电极或铂电极。

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