CN101985598A - 组织工程皮肤动态三维应变培养装置 - Google Patents

Abstract

一种组织工程皮肤动态三维应变培养装置，由定时器、脉冲信号发生器、空压机、压力控制器、储气罐、减压阀、三通电磁阀、气缸、活塞调压器、应变培养盒和固皮环组装而成；应变培养盒内设置至少1个圆筒培养室，圆筒培养室的底部开设有搁皮孔，圆筒培养室底部与应变培养盒底部之间留有间距，圆筒培养室的外围设计成密封气流道，应变培养盒顶部设有盒盖使圆筒培养室上口与大气相通；活塞调压器用调压器导管与应变培养盒的密封气流道连通。它能促进组织工程皮肤基底膜的重建、增强真表皮的结合力、提高最大张力强度和弹性，满足组织工程皮肤对临床移植手术的操作要求。它为提高组织工程皮肤力学性能，为三维培养条件下研究细胞力学生物学，提供了一种手段和新的工具。

Description

组织工程皮肤动态三维应变培养装置

技术领域

本发明属于人体组织细胞培养装置，特别涉及一种对组织工程皮肤膜状材料施加动态三维应变力的培养装置。

背景技术

组织工程皮肤为伤口的愈合和修复提供了一种好的可选方案，临床上有着巨大的市场需求。现有的组织工程皮肤如已商品化的Apligraft等双层胶原凝胶类产品已具有真表皮双层结构，但均缺乏完整的基底膜，真表皮结合力不强，易于分离，弹性差，易脆，力学性能还远未达到令人满意的程度，难以满足移植手术的操作要求，这已成为组织工程皮肤产品急需解决的关键技术问题。

诞生于上世纪90年代的力学生物学(mechanobiology)，是一门新兴交叉学科，为提高组织工程产品力学性能提供了新手段。它主要研究力学刺激信号、细胞对力学刺激信号的感受及转导机制和细胞受力后的反应等。研究表明，流体剪切力、静水压、负压吸引、拉伸应变及压缩应变等机械外力对细胞的增殖、分化、基因表达及蛋白合成有显著的影响。而组织工程皮肤可以作为力学生物学研究的良好三维模型，可研究机械外力对其物理特性以及细胞生物学功能的影响。

不同组织细胞对应变大小的承受力有巨大的差异，受到的机械力作用方式也各不相同，关键技术是研制适合不同组织细胞的施加机械力的装置，并探索合适的应变大小、频率及加载时间。力学生物学研究的主要模式是根据所研究细胞在体内受到外力的作用形式及应变大小，来设计相应的施加机械力的装置，利用装置对所研究细胞施加机械力后，研究细胞对力学信号的感受、转导机制及受力后的反应，从而在细胞及分子水平探索外力对机体的影响。

现有的针对特异的心血管内皮、平滑肌、尿道、骨、软骨等组织的力学施加装置有较多报道，它们的结构原理各异，功能各不相同，在体受力情况等均与皮肤有着极大的差异，不能直接用于皮肤。现有技术中，在Biotechnol Bioeng,2009,103(1):217-225上，公开有一篇主题名称为“3D collagen cultures under well-defined dynamic strain: a novel strain device with a porous elastomeric support[J].”的论文，它报道的一个三维培养模型，是向盛满硅酸盐微球的模具中加入液态聚氨酯，聚氨酯交链后呈固态，溶去硅酸盐微球，构建出海绵状弹性支架，然后将混有成纤维细胞的胶原凝胶接种于弹性支架内，对支架单轴拉伸实现对细胞施加力学刺激。但这种装置还无法实时观察到动态拉伸时细胞的变化；而且结构复杂，需要向支架中添加弹性支撑材料，不便于也不能向应用型设备转化，未解决三维培养时营养与代谢产物更难传递的问题；它更不适合对低强度、膜状组织工程材料施加动态三维应变力。目前，我们还没有检索到与提高组织工程皮肤力学生物学性能的动态三维应变培养装置密切相关的公开技术文献。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，拟设计制造一种组织工程皮肤动态三维应变培养装置，意欲将胶原凝胶组织工程皮肤膜状材料固定于应变培养盒中，通过向培养盒中注入、抽出气体驱动培养液流动，实现向组织工程皮肤施加动态三维拉伸应变力，从而有效促进在静水压变化的三维培养条件下营养与代谢产物传递，达到改善组织工程皮肤的生物力学性能——即促进基底膜的重建、增强真表皮的结合力、提高最大张力强度和弹性等的目的，以满足移植手术的操作要求。

本发明所采取的技术方案如下。

一种组织工程皮肤动态三维应变培养装置，其特征在于：

1) 它由定时器、脉冲信号发生器、空压机、压力控制器、储气罐、减压阀、三通电磁阀、气缸、活塞调压器、应变培养盒和固皮环组装而成；

2）储气罐进口与空压机之间以及储气罐顶部与压力控制器之间用气管连通，并在空压机与压力控制器之间连接有导线以反馈压力控制信号，减压阀用气管分别与储气罐出口和三通电磁阀进口连通，三通电磁阀两个出口分别用支气管与气缸的前、后端连通；

3）定时器与脉冲信号发生器之间以及脉冲信号发生器与三通电磁阀之间连接有导线以脉冲控制电磁阀两个出口的交替开关；

4）应变培养盒内设置至少1个圆筒培养室，圆筒培养室的底部开设有搁皮孔，圆筒培养室底部与应变培养盒底部之间留有间距，圆筒培养室的外围设计成密封气流道，应变培养盒顶部设有盒盖使圆筒培养室上口与大气相通，应变培养盒底部设有排液管并装有堵头；

5）固皮环和圆筒培养室内壁相匹配，放置在搁皮孔上，气缸的活塞杆与活塞调压器的活塞杆相连，活塞调压器用调压器导管与应变培养盒的密封气流道连通。

本发明的组织工程皮肤动态三维应变培养装置，在运行前先将胶原凝胶组织工程皮肤膜状材料搁置在圆筒培养室的搁皮孔上，再将固皮环置入圆筒培养室内将膜状材料固定于培养室底部，并在排液管上装好堵头，随后从圆筒培养室上口加入培养液，使膜状材料淹没在培养液中。装置运行时，启动空压机，当储气罐内压缩空气高于或低于压力控制器预先设定的压力时，压力控制器发出控制信号经导线反馈控制操纵空压机的运转，使储气罐内压缩空气压力稳定在设定压力范围内；定时器预先设定组织工程皮肤动态三维应变培养的时间、脉冲频率及占空比，脉冲信号发生器按照所设定的频率及占空比控制操纵三通电磁阀两个出口的交替开关，压缩空气交替通过两个支气管驱动气缸的活塞做往复运动，再带动活塞调压器同步运动，从而使应变培养盒中的密封气流道内气压产生高、低交替变化；密封气流道内气压升高时使培养盒中的培养液向组织工程皮肤膜状材料下方流动并施加压力，拉伸组织工程皮肤膜状材料呈拱桥形；密封气流道内气压降低时则相反，使组织工程皮肤膜状材料由拱桥形回复到平板形；装置按照定时器预先设定的组织工程皮肤动态三维应变培养时间，如此交替反复，实现对组织工程皮肤的动态三维应变培养。

本发明动态三维应变培养装置，结构简单合理，其动态三维应变培养的时间、脉冲频率及占空比可调，它完全克服了现有技术的不足，能有效地对组织工程皮肤膜状材料进行动态三维应变培养，实时观察培养过程中细胞形态变化以及监测生长情况，并有效改善三维培养中营养物质及代谢产物的传递问题，相对于静态培养，细胞的增殖率提高了46%，I型胶原沉积率提高了133%，表皮真皮间形成了完整的基底膜，培养两周后最大抗张强度增加了20%，培养出的组织工程皮肤能满足移植手术的操作要求。另外，该装置还可用于对其他组织细胞三维培养材料进行动态三维应变培养。本发明装置为提高组织工程皮肤力学性能，为三维培养条件下研究细胞力学生物学，提供了一种手段和新的工具。

附图说明

附图为本发明组织工程皮肤动态三维应变培养装置一个实例产品的局部剖视结构示意图。

在图中，1－定时器，2－导线，3－脉冲信号发生器，4－空压机， 5－气管，501－支气管，6－压力控制器，7－储气罐，8－减压阀，9－三通电磁阀，10－气缸，11－活塞调压器，1101－调压器导管，12－应变培养盒，1201－盒盖，1202－圆筒培养室，1203－密封气流道，1204－排液管，1205－堵头，1206－搁皮孔，13－固皮环，14－组织工程皮肤膜状材料，15－培养液。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明装置的具体结构和工作原理。需要指出的是，本发明绝不局限于附图所指的实例产品。

一种组织工程皮肤动态三维应变培养装置，其特征在于：

1) 它由定时器1、脉冲信号发生器3、空压机4、压力控制器6、储气罐7、减压阀8、三通电磁阀9、气缸10、活塞调压器11、应变培养盒12和固皮环13组装而成；

2）储气罐7进口与空压机4之间以及储气罐7顶部与压力控制器6之间用气管5连通，并在空压机4与压力控制器6之间连接有导线2以反馈压力控制信号，减压阀8用气管5分别与储气罐7出口和三通电磁阀9进口连通，三通电磁阀9两个出口分别用支气管501与气缸10的前、后端连通；

3）定时器1与脉冲信号发生器3之间以及脉冲信号发生器3与三通电磁阀9之间连接有导线2以脉冲控制电磁阀两个出口的交替开关；

4）应变培养盒12内设置至少1个圆筒培养室1202，圆筒培养室1202的底部开设有搁皮孔1206，圆筒培养室1202底部与应变培养盒12底部之间留有间距，圆筒培养室的外围设计成密封气流道1203，应变培养盒12顶部设有盒盖1201使圆筒培养室1202上口与大气相通，应变培养盒12底部设有排液管1204并装有堵头1205；

5）固皮环13和圆筒培养室1202内壁相匹配，放置在搁皮孔1206上，气缸10的活塞杆与活塞调压器11的活塞杆相连，活塞调压器11用调压器导管1101与应变培养盒12的密封气流道1203连通。

本发明的组织工程皮肤动态三维应变培养装置，在运行前先将胶原凝胶组织工程皮肤膜状材料14搁置在圆筒培养室1202的搁皮孔1206上，再将固皮环13置入圆筒培养室1202内将膜状材料固定于培养室底部，并在排液管1204上装好堵头1205，随后从圆筒培养室1202上口加入培养液15。装置运行时，启动空压机4，当储气罐7内压缩空气高于或低于压力控制器6预先设定的压力时，压力控制器6发出控制信号经导线2反馈控制操纵空压机4的运转，使储气罐7内压缩空气压力稳定在设定压力范围内；定时器1预先设定组织工程皮肤动态三维应变培养的时间、脉冲频率及占空比，脉冲信号发生器3按照所设定的频率及占空比控制操纵三通电磁阀9两个出口的交替开关，压缩空气交替通过两个支气管501驱动气缸10的活塞做往复运动，再带动活塞调压器11同步运动，从而使应变培养盒12中的密封气流道1203内气压产生高、低交替变化；密封气流道1203内气压升高时使培养盒12中的培养液15向组织工程皮肤膜状材料14下方流动并施加压力，拉伸组织工程皮肤膜状材料14呈拱桥形；密封气流道1203内气压降低时则相反，使组织工程皮肤膜状材料14由拱桥形回复到平板形；装置按照定时器1预先设定的组织工程皮肤动态三维应变培养时间，如此交替反复，实现对组织工程皮肤的动态三维应变培养。

Claims (1)

1.一种组织工程皮肤动态三维应变培养装置，其特征在于：

1) 它由定时器（1）、脉冲信号发生器（3）、空压机（4）、压力控制器（6）、储气罐（7）、减压阀（8）、三通电磁阀（9）、气缸（10）、活塞调压器（11）、应变培养盒（12）和固皮环（13）组装而成；

2）储气罐（7）进口与空压机（4）之间以及储气罐（7）顶部与压力控制器（6）之间用气管（5）连通，并在空压机（4）与压力控制器（6）之间连接有导线（2）以反馈压力控制信号，减压阀（8）用气管（5）分别与储气罐（7）出口和三通电磁阀（9）进口连通，三通电磁阀（9）两个出口分别用支气管（501）与气缸（10）的前、后端连通；

3）定时器（1）与脉冲信号发生器（3）之间以及脉冲信号发生器（3）与三通电磁阀（9）之间连接有导线（2）以脉冲控制电磁阀两个出口的交替开关；

4）应变培养盒（12）内设置至少1个圆筒培养室（1202），圆筒培养室（1202）的底部开设有搁皮孔（1206），圆筒培养室（1202）底部与应变培养盒（12）底部之间留有间距，圆筒培养室的外围设计成密封气流道（1203），应变培养盒（12）顶部设有盒盖（1201）使圆筒培养室（1202）上口与大气相通，应变培养盒（12）底部设有排液管（1204）并装有堵头（1205）；

5）固皮环（13）和圆筒培养室（1202）内壁相匹配，放置在搁皮孔（1206）上，气缸（10）的活塞杆与活塞调压器（11）的活塞杆相连，活塞调压器（11）用调压器导管（1101）与应变培养盒（12）的密封气流道（1203）连通。

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