CN102433258B - 一种牵张-电联合刺激三维细胞培养装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种牵张-电联合刺激三维细胞培养装置，包括细胞培养箱、三维细胞培养腔、细胞培养腔固定框架、步进电机和信号发生器；三维细胞培养腔固定在固定框架内；三维细胞培养腔包括固定螺母、固定螺杆、槽体、固定支架、三维细胞培养物、滑动支架、滑动螺杆和盖子；三维细胞培养物固定在固定支架和滑动支架上，滑动支架与滑动螺杆及步进电动机连接，从而拉伸三维细胞培养物对其产生牵张刺激；信号发生器与三维细胞培养腔盖子上的金属片电极连接，对三维细胞培养物产生电刺激。本发明模拟体内细胞处于牵张力、电刺激同时存在的物理微环境的，建立了牵张力刺激联合电刺激下的三维细胞培养方法，将促进细胞、组织培养方法及组织工程反应器的发展。

Description

一种牵张-电联合刺激三维细胞培养装置

技术领域

本发明涉及一种牵张-电联合刺激三维细胞培养装置，属于细胞工程和组织工程技术领域。

背景技术

组织工程一词最早是在1987被提出，是研究开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态的生物替代物的一门新兴学科。其基本原理和方法是将体外培养扩增的正常组织细胞吸附于一种具有优良细胞相容性并可被机体降解吸收的生物材料上形成复合物，然后将细胞-生物材料三维复合物植入人体组织、器官的病损部位，在作为细胞生长支架的生物材料逐渐被机体降解吸收的同时，细胞不断增殖、分化，形成新的并且其形态、功能方面与相应组织、器官一致的组织，从而达到修复创伤和重建功能的目的。

在组织工程中，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。力学环境的调控在细胞、组织工程培养过程中起着关键性作用，对其施加一定的牵张力，可以保持和进一步发挥细胞、组织的功能。有关牵张力学因素的生物学效应和作用机制已在多种细胞和组织中得到研究，研究表明周期性机械牵张可促进成骨细胞的功能，使转化生长因子-β、胰岛素样生长因子、成纤维细胞生长因子、骨桥素、I型胶原的mRNA水平上升，骨钙素、胶原蛋白等分泌增加(Cillo JE Jr，et al.，2000；Fong KD，et al.，2003)；可以提高骨骼肌细胞组织力学特性(Powell，et al.，2002)；可以调控组织工程血管塑形(Seliktar D，et al.，2003)；可促进内皮细胞(Hayoz D，et al.，2007)、软骨细胞(Waldman，S.D.et al.，2003)、成纤维细胞(AltmanGH，et al.，2002)的功能、分化、增殖及细胞外基质各种因子的表达等。在心肌细胞培养过程中加载周期性牵张能较好地促进心肌细胞的增殖和骨架构建，Akhyari等将人心肌细胞种植在凝胶上，形成三维心肌细胞片层，连续加载周期性牵张14天(20％，1.3HZ)，可显著促进心肌细胞的骨架构建，细胞内RNA和蛋白质合成增多，肌原纤维的数量增多，单个心肌细胞肥大，收缩力增强(Akhyari，et al.，2002)。Zimmermann等将新生大鼠心肌细胞与I型胶原混合，制备成三维环形心肌组织条带，接受7天被动牵张(10％，2HZ)，较好地改善了心肌细胞分化、收缩的力度及电生理性能，可以观察到一致排列的心肌细胞束、高度有序的肌小节、细胞桥粒、T管，以及一个围绕心肌细胞的发育良好的基膜。缝隙连接蛋白Cx-43高度表达，细胞之间产生了有效的电学联接，能看到三维心肌细胞培养物有节律地自行整体收缩(W.H.Zimmermann，et al.，2002)。

除了复杂的力学环境，电学环境也是体内细胞、组织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内环境。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，从而完成组织的功能化培养。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，实验显示加电刺激比不加电刺激神经节要增长近一倍。(Schmidt CE，et al.，1997；ZeZhang，et al.，2007)；MilicaRadisic等将新生大鼠心室肌细胞种植入胶原支架，形成三维心肌细胞培养物，采用模仿天然心脏组织的电脉冲信号(方波，2ms，5V/em，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)，肌原纤维α-肌动蛋白，间隙连接蛋白43，α-肌球蛋白重链及β-肌球蛋白重链呈高水平表达，心肌细胞形态变为狭长且平行于电场方向排列，可见润盘等超微结构，相邻心肌细胞间建立缝隙连接，呈电机械偶联(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。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。

由以上可知，力刺激或电场刺激的分别加载，能够对细胞、组织的生长产生影响。单一的力刺激和单一的电场刺激对于维持细胞、组织的正常功能的作用已经被广泛研究。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。在我们的先期研究中，采用了牵张力-电联合刺激方式对二维细胞提供力刺激和电刺激的同时。国内至今也还未发现可同时对三维细胞培养物加载牵张力和均匀电场刺激的培养装置。本发明提供一种能为三维细胞、组织培养同时加载牵张力刺激和均匀电刺激的培养装置。

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牵张力、电刺激同时存在的物理微环境的技术问题，提出一种牵张-电联合刺激三维细胞培养装置，采用牵张力刺激与电刺激联合加载，将三维细胞培养物置于牵张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，构建出具有特定功能的组织。

本发明的一种牵张-电联合刺激三维细胞培养装置，包括培养箱、三维细胞培养腔、细胞培养腔固定框架、步进电机和信号发生器。

三维细胞培养腔连同细胞培养腔固定框架放置在动物细胞培养箱内，保证37℃、95％相对湿度和5％CO₂的培养条件。培养箱两侧分别设有一个与外界相通的孔道，用于通过步进电机的电源线和信号发生器的电极线，孔道与电极线、电源线的连接处是密封的。

三维细胞培养腔固定在细胞培养腔固定框架凹槽内，细胞培养腔固定框架置于培养箱内，三维细胞培养腔包括固定螺母、固定螺杆、槽体、固定支架、三维细胞培养物、滑动支架、滑动螺杆和盖子。槽体两端固定在细胞培养腔固定框架凹槽内，固定支架、三维细胞培养物和滑动支架位于槽体内部，并且三维细胞培养物的两端分别通过套在螺钉上从而固定在固定支架和滑动支架上，固定支架的另一端连接固定螺杆，固定螺杆穿过槽体的通孔通过固定螺母固定在细胞培养腔固定框架上；滑动支架的另一端连接滑动螺杆，滑动螺杆穿过槽体的通孔与步进电机连接；三维细胞培养物内接种有所需要培养的细胞。

步进电机带动滑动螺杆运动，进而带动滑动支架牵引环形三维细胞培养物，产生牵张力刺激，可为频率为零的静态牵张或不同频率的动态牵张。

三维细胞培养腔的盖子上固定有两个金属片电极，分别与信号发生器的正极和负极连接，两个金属片电极随同盖子插入槽体内，对三维细胞培养物加载电刺激。电刺激为恒电压、脉冲电压或者直流微电流。两个金属片电极大小相同，位置相对，能提供均匀的电场刺激。

打开步进电机和信号发生器，同时对三维细胞培养物加载牵张力刺激和均匀的电场刺激，为三维细胞培养物提供牵张力-均匀电场联合刺激的生长环境。

整个三维细胞培养装置安装、拆卸方便，可消毒，消毒条件为130℃、3个大气压，时间1小时。

本发明的优点在于：

(1)本发明提供的牵张刺激与电学刺激联合加载方式更接近于细胞、组织生长、发育的体内环境，力电联合作用可改善三维细胞生长条件，从而促进细胞、组织的生长、提高细胞活性和三维培养物的功能化；

(2)本发明的牵张-电联合刺激三维细胞培养装置能够实现对离体细胞三维培养物同时加载牵张力刺激和电场刺激，选用透明的有机玻璃及聚碳酸酯材料，便于在培养过程中实时观察，且生物相容性好、操作简单；

(3)本发明既可用于细胞、组织的三维培养，也可用于细胞、组织生长研究，对三维细胞/支架复合物的体外构建及功能化有积极的意义；

(4)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是本发明一种牵张-电联合刺激三维细胞培养装置的结构示意图；

图2是本发明三维细胞培养腔的结构示意图；

图3是本发明固定支架、三维细胞培养物和滑动支架的结构示意图；

图4是本发明细胞培养腔固定框架的结构示意图。

图中：

1-细胞培养箱    2-三维细胞培养腔    3-细胞培养腔固定框架    4-步进电机

5-信号发生器

101-孔道

201-固定螺母          202-固定螺杆           203-槽体        204-固定支架

205-三维细胞培养物    206-滑动支架           207-滑动螺杆    208-盖子

209-金属片电极        210-“C”型主体结构    211-螺钉        212-螺孔

301-凹槽302-圆孔

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。

本发明是一种牵张-电联合刺激三维细胞培养装置，如图1所示的，包括细胞培养箱1、三维细胞培养腔2、细胞培养腔固定框架3、步进电机4和信号发生器5；

培养箱1两侧分别设有一个与外界相通的孔道101，其内的步进电机4的电源线与信号发生器5的电极线分别通过孔道101与外界电源连接。培养箱1为密封结构，可提供细胞生长所需的二氧化碳、温度和湿度环境。

三维细胞培养腔2如图2、图3所示，包括固定螺母201、固定螺杆202、槽体203、固定支架204、三维细胞培养物205、滑动支架206、滑动螺杆207和盖子208。

其中固定支架204和滑动支架206均包括“C”型主体结构209和螺钉211，“C”型主体结构209的顶部设有螺孔，螺钉211通过螺孔固定，环形的三维细胞培养物205两端分别套入固定支架204和滑动支架206的螺钉211上以便固定。

固定支架204、滑动支架206和环形的三维细胞培养物205置于槽体203内部，槽体203两端对应螺孔212的位置也设有通孔，固定螺杆202依次穿过框架3的圆孔302、槽体203的通孔和固定支架204背部的螺孔212，然后用固定螺母201将固定螺杆202和固定支架204固定。滑动螺杆207依次穿过框架3中的圆孔302、槽体203的通孔和滑动支架206背部的螺孔212，连接步进电机4；固定支架204一端通过固定螺母固定后，步进电机4工作带动滑动螺杆207和滑动支架206移动，拉伸环形的三维细胞培养物205。

细胞培养腔固定框架3置于培养箱1内，如图4所示，细胞培养腔固定框架3为长方形框架结构，相对两侧分别开有凹槽301，用于固定三维细胞培养腔2的槽体203，凹槽301上开有圆孔302，用于安装三维细胞培养腔的固定螺杆202和滑动螺杆207。

环形三维细胞培养物205为下列中的一种：

(1)细胞与胶原、基质胶Matrigel和DMEM培养基混合后浇注在环形磨具中，置于5％CO2、37℃培养箱中凝固成环形三维细胞培养物；

(2)细胞接种在环形三维生物材料多孔支架内，生物材料可为壳聚糖、聚乳酸、聚乙醇酸或聚己内酯；聚乳酸与聚乙醇酸按(90～10)∶(10～90)比例共聚的无规共聚物；聚乳酸-壳聚糖、聚乳酸-胶原不同聚合物形成的复合材料。

槽体203内部盛有细胞培养液，盖子208盖在槽体203上，起到通气隔菌的作用。

固定支架204、环形三维细胞培养物205、滑动支架206、滑动螺杆207与步进电机4构成牵张刺激加载系统，通过改变步进电机4的转速，提供不同频率的牵张刺激，牵张刺激是指频率为零的静态牵张或者不同频率的动态牵张刺激，由步进电机4产生。

牵张刺激加载系统通过步进电机4拉动三维细胞培养腔2的滑动螺杆207和滑动支架206，从而拉伸固定在固定支架204和滑动支架206上的环形三维细胞培养物205，对接种于其上的细胞施加牵张刺激。

金属片电极209可为不锈钢电极、金电极或铂电极，铂电极惰性最高，但是价格昂贵，可以根据经费来考虑。

三维细胞培养腔2内的金属片电极209、电极线和信号发生器5构成电刺激加载系统，信号发生器5的正极、负极通过电极线与两个金属片电极209分别相连。通过改变信号发生器5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5产生。

三维细胞培养腔2提供细胞生长所需空间，通过与步进电机4和信号发生器5相连，为三维细胞培养物205提供牵张力-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：

将环形三维细胞培养物205固定于三维细胞培养腔2的固定支架204和滑动支架206中，在槽体203加入培养基浸没环形三维细胞培养物205，通过牵张刺激加载系统拉伸环形三维细胞培养物205，提供静态或动态牵张刺激；信号发生器5与三维细胞培养腔2内金属片电极209通过电极线相连提供电学刺激，在加载期间使环形三维细胞培养物205上的细胞处于机械载荷和电载荷双重刺激的环境下生长、发育，最后完成细胞的三维培育。

实施例1：

将液态I型胶原与2×DMEM等比例混合，用NaOH溶液调为中性，再加入Matrigel。将分离的1-3天龄SD大鼠乳鼠的心肌细胞按与上述混合物混合，加入环形模具中，然后加入培养液，于细胞培养箱中培养，制备环形三维心肌细胞培养物205。预培养7天后，将环形三维心肌细胞培养物205套入固定支架204和滑动支架206的螺钉211上，从而固定环形三维细胞培养物205。把固定有环形三维细胞培养物205的固定支架204和滑动支架206放入三维细胞培养腔2的槽体203内，固定支架204放置在左边，滑动支架206放置在右边。再将三维细胞培养腔2放入细胞培养腔固定框架3中，通过固定螺杆202和滑动螺杆207固定三维细胞培养腔2。将10ml细胞培养液加入三维细胞培养腔2的槽体203内，加上盖子208。

将连接好的装置放入培养箱1中，以保证心肌细胞生长对温度、湿度及二氧化碳的要求。分别将步进电机4的电源线和信号发生器5的电极线穿过培养箱1侧面的孔道101接入培养箱1内。步进电机4与三维细胞培养腔2的滑动螺杆207相连，步进电机4工作后通过滑动螺杆207，带动滑动支架206，从而拉伸被支架套住的环形三维细胞培养物205，对环形三维细胞培养物205上的心肌细胞加载牵张刺激。由三维细胞培养腔2的盖子208上的金属片电极209引出电极线，与信号发生器5的正、负极相连。打开调节好的步进电机4和信号发生器5的电源，使得牵张力刺激和电刺激联合作用于三维心肌细胞培养物，使心肌细胞在牵张载荷和电载荷双重刺激的环境下生长、发育，完成培养物的三维培育。

施加的牵张力刺激为频率1Hz的动态牵张，应变为10％；电刺激为电脉冲信号，幅值为150mV，脉冲宽度为5ms，频率为1Hz。联合刺激时间为12h。

实施例2：

在无菌条件下把平滑肌细胞按1×10⁵/cm²密度接种在环形聚乳酸生物材料支架上，制备环形三维平滑肌细胞培养物205。平滑肌细胞接种第三天后，将环形三维细胞培养物205套入固定支架204和滑动支架206的螺钉211上，从而固定环形三维细胞培养物205。把固定有环形三维细胞培养物205的固定支架204和滑动支架206放入三维细胞培养腔2的槽体203内，固定支架204放置在左边，滑动支架206放置在右边。再将三维细胞培养腔2放入细胞培养腔固定框架3中，通过固定螺杆202和滑动螺杆207固定三维细胞培养腔2。将10ml细胞培养液加入三维细胞培养腔2的槽体203内，加上盖子208。

将连接好的装置放入培养箱1中，以保证平滑肌细胞生长对温度、湿度及二氧化碳的要求。分别将步进电机4的电源线和信号发生器5的电极线穿过培养箱1侧面的孔道101接入培养箱1内。步进电机4与三维细胞培养腔2的滑动螺杆207相连，步进电机4工作后通过滑动螺杆207，带动滑动支架206，从而拉伸被支架套住的环形三维细胞培养物205，对环形三维细胞培养物205上的平滑肌细胞加载牵张刺激。由三维细胞培养腔2的盖子208上的金属片电极209引出电极线，与信号发生器5的正、负极相连。打开调节好的步进电机4和信号发生器5的电源，使得牵张力刺激和电刺激联合作用于三维平滑肌细胞培养物，使平滑肌细胞在牵张载荷和电载荷双重刺激的环境下生长、发育，完成培养物的三维培育。

施加的牵张力刺激为静态牵张应变5％，电刺激为恒电压，幅值为200mV。联合刺激时间为6h。

实施例3：

在无菌条件下把骨骼肌细胞按1×10⁵/cm²密度接种在环形聚乳酸生物材料支架上，制备环形三维骨骼肌细胞培养物205。骨骼肌细胞接种第三天后，将环形三维细胞培养物205套入固定支架204和滑动支架206的螺钉211上，从而固定环形三维细胞培养物205。把固定有环形三维细胞培养物205的固定支架204和滑动支架206放入三维细胞培养腔2的槽体203内，固定支架204放置在左边，滑动支架206放置在右边。再将三维细胞培养腔2放入细胞培养腔固定框架3中，通过固定螺杆202和滑动螺杆207固定三维细胞培养腔2。将10ml细胞培养液加入三维细胞培养腔2的槽体203内，加上盖子208。

将连接好的装置放入培养箱1中，以保证骨骼肌细胞生长对温度、湿度及二氧化碳的要求。分别将步进电机4的电源线和信号发生器5的电极线穿过培养箱1侧面的孔道101接入培养箱1内。步进电机4与三维细胞培养腔2的滑动螺杆207相连，步进电机4工作后通过滑动螺杆207，带动滑动支架206，从而拉伸被支架套住的环形三维细胞培养物205，对环形三维细胞培养物205上的骨骼肌细胞加载牵张刺激。由三维细胞培养腔2的盖子208上的金属片电极209引出电极线，与信号发生器5的正、负极相连。打开调节好的步进电机4和信号发生器5的电源，使得牵张力刺激和电刺激联合作用于三维骨骼肌细胞培养物，使骨骼肌细胞在牵张载荷和电载荷双重刺激的环境下生长、发育，完成培养物的三维培育。

施加的牵张力刺激为频率1Hz动态牵张，应变为5％，电刺激为100μA恒电流。联合刺激时间为6h。

上述牵张力刺激、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 (1)

1.一种牵张-电联合刺激三维细胞培养装置，其特征在于：包括细胞培养箱、三维细胞培养腔、细胞培养腔固定框架、步进电机和信号发生器；

细胞培养箱两侧分别设有一个与外界相通的孔道，用于通过步进电机的电源线和信号发生器的电极线，所述的孔道与电极线、电源线的连接处是密封的；培养箱提供细胞生长所需的二氧化碳、温度和湿度环境；

所述的三维细胞培养腔固定在细胞培养腔固定框架的凹槽内，置于培养箱内；三维细胞培养腔包括固定螺母、固定螺杆、槽体、固定支架、三维细胞培养物、滑动支架、滑动螺杆和盖子；所述的槽体两端固定在细胞培养腔固定框架内，固定支架、三维细胞培养物和滑动支架位于槽体内部，并且三维细胞培养物的两端分别固定在固定支架和滑动支架上；固定支架的另一端连接固定螺杆，固定螺杆穿过槽体通过固定螺母固定在细胞培养腔固定框架上，滑动支架的另一端连接滑动螺杆，滑动螺杆穿过槽体与步进电机连接；所述的三维细胞培养物内接种有所需要培养的细胞；

三维细胞培养腔的盖子上固定有两个金属片电极，分别与信号发生器的正极和负极连接，两个金属片电极随同盖子插入槽体内；

固定支架和滑动支架均包括“C”型主体结构和螺钉，“C”型主体结构的顶部设有螺孔，螺钉通过螺孔固定，环形的三维细胞培养物两端分别套入固定支架和滑动支架的螺钉上以便固定，“C”型主体结构的侧面设有螺孔，用于安装固定螺杆或滑动螺杆；

所述的细胞培养腔固定框架为长方形框架结构，相对两侧分别开有一个凹槽，用于固定三维细胞培养腔的槽体，凹槽上开有圆孔，用于安装三维细胞培养腔的固定螺杆和滑动螺杆；

所述的槽体两端在对应固定支架和滑动支架侧面螺孔的位置设有通孔，固定螺杆依次穿过框架中的圆孔、槽体的通孔和固定支架的侧面螺孔，用固定螺母固定在框架上；滑动螺杆依次穿过框架中的圆孔、槽体的通孔和滑动支架的侧面螺孔，并与步进电机连接；

环形三维细胞培养物为下列中的一种：

（1）细胞与胶原、基质胶Matrigel和DMEM培养基混合后浇注在环形模具中，置于5%CO₂、37℃培养箱中凝固成环形三维细胞培养物；

（2）细胞接种在环形三维生物材料多孔支架内，生物材料可为壳聚糖、聚乳酸、聚乙醇酸或聚己内酯；聚乳酸与聚乙醇酸按（90～10）:（10～90）比例共聚的无规共聚物；聚乳酸-壳聚糖复合材料或聚乳酸-胶原复合材料；

所述步进电机带动滑动螺杆运动，进而带动滑动支架牵引环形三维细胞培养物，产生牵张力刺激，所述的牵张是指频率为零的静态牵张或不同频率的动态牵张；

所述的金属片电极安装在三维细胞培养腔的盖子上，用生物胶固定，随同盖子插入槽体的细胞培养液中；通过电极线将两个金属片电极分别与信号发生器的正极、负极相连，对培养腔内的环形三维细胞培养物施加电刺激；

所述的信号发生器产生的电刺激为恒电压、脉冲电压或直流微电流；

所述的细胞培养腔固定框架的材质为不锈钢、聚四氟乙烯、有机玻璃或聚碳酸酯；

所述的三维细胞培养腔的固定螺母、固定螺杆、槽体、固定支架、螺钉、滑动支架、滑动螺杆和盖子的材质为有机玻璃或聚碳酸酯。

Images