CN102676446B

CN102676446B - 可变形曲面上细胞流体应力加载方法、装置及实验平台

Info

Publication number: CN102676446B
Application number: CN 201210137428
Authority: CN
Inventors: 陈瀚; 张峰; 黄渝侃; 黄鲜荣
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-05-04
Filing date: 2012-05-04
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2032-05-04
Also published as: CN102676446A

Abstract

本发明公开了一种可变形曲面上细胞流体应力加载方法，流动腔与压力腔之间采用透明弹性膜隔离，透明弹性膜面向流动腔的表面接种有生物细胞，流动腔中充满细胞培养液，通过压力腔向透明弹性膜施加压力使其发生变形，通过蠕动泵驱动细胞培养液在流动腔内循环流动，从而使生物细胞受到流体切应力和压力的作用。本发明还提供了实现上述方法的装置，从上往下包括第一盖片、第一密封垫、透明弹性膜、第二密封垫和第二盖片，第一盖片、第一密封垫和透明弹性膜之间形成流动腔，透明弹性膜、第二密封垫和第二盖片之间形成压力腔。本发明可改变生物细胞所在流动腔底面的形状，同时调节生物细胞所处的流体应力状态，从而观察和检测生物细胞在不同受力状态下形态和生物学特性变化规律。

Description

可变形曲面上细胞流体应力加载方法、装置及实验平台

技术领域

本发明涉及生物力学领域，具体涉及一种可变形曲面上细胞流体应力加载方法及装置，用于研究各种细胞在可控的流体应力状态下的反应。

背景技术

在医学研究中，人们发现人体组织中的细胞（如血管内皮细胞、角膜内皮细胞等）受到流体（如血液、房水）应力（流体切应力和压力）的影响而发生形态（形状大小、细胞密度等）和生物学特性（如细胞内皮通透性、细胞因子表达、DNA合成等）的改变，因此观察流体应力对细胞的影响具有重要意义。但是，活体中观测流体应力对细胞形态和生物学特性影响规律非常困难。为解决此问题，需要使用体外培养细胞的方法，并进行细胞流体应力加载实验。

目前通常所用的流体应力加载装置大多采用平板流动腔，然而平板流动腔的上、下壁面是平面而且固定不能改变的，平板流动腔中各个截面的流体应力相同。对于生长在曲面上的生物细胞（如角膜内皮细胞），其所受到的应力随细胞所处的位置而变化，因此平板流动腔对原本生长在曲面上细胞加载流体应力的结果与细胞在活体内时的情况不同。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种可变形曲面上细胞流体应力加载方法，能够使生物细胞受到不同的流体应力，以便观察分析生物细胞在不同受力状态下的形态和生物学特性变化规律。

本发明的第二目的在于提供一种可变形曲面上细胞流体应力加载装置，提供不同的生物细胞应力状态，以便观察分析生物细胞在不同受力状态下的形态和生物学特性变化规律。

本发明的第三目的在于提供一种基于可变形曲面上细胞流体应力加载装置的细胞应力加载实验平台，提供不同的生物细胞应力状态，观察分析生物细胞在不同受力状态下的形态和生物学特性变化规律。

一种可变形曲面上细胞流体应力加载方法，涉及流动腔和压力腔，流动腔与压力腔之间采用透明弹性膜隔离，透明弹性膜面向流动腔的表面预接种有生物细胞，流动腔充满细胞培养液，通过压力腔向透明弹性膜施加压力使其产生变形，并通过蠕动泵驱动细胞培养液在流动腔内循环流动，从而向生物细胞施加流体切应力和压力。

进一步地，还从压力腔顶部开设设置射流入口，通过射流入口向流动腔内泵入细胞培养液，通过调节射流入口处进入细胞培养液的流量大小，改变在流动腔内生物细胞所受压力状态。

实现所述应力加载方法的可变形曲面上细胞流体应力加载装置，从上往下依次包括夹持固定在一起的第一盖片7、第一密封垫8、透明弹性膜9、第二密封垫10和第二盖片11；第一盖片7上开有流动出口孔12和流动入口孔13，第二盖片11上开有注射器连接孔15；第一盖片7、第一密封垫8和透明弹性膜9之间形成流动腔16，透明弹性膜9、第二密封垫10和第二盖片11之间形成压力腔17。

进一步地，所述第一盖片7上还开有射流入口孔14。

进一步地，透明弹性膜为硅胶膜、乙烯-醋酸乙烯共聚物或热塑性聚氨酯弹性体橡胶。

一种基于所述的可变形曲面上细胞流体应力加载实验平台，包括可变形曲面上细胞流体应力加载装置、压力腔调节注射器、蠕动泵和储液池，应力细胞加载装置的注射器连接孔15连接压力腔调节注射器，应力细胞加载装置的流动出口孔12和射流入口孔14通过硅橡胶管与蠕动泵相连接，应力细胞加载装置的流动入口孔13通过硅橡胶管与细胞培养液储液池5相连接，蠕动泵通过硅橡胶管与细胞培养液储液池相连接。

一种基于所述的可变形曲面上细胞流体应力加载实验平台，包括可变形曲面上细胞流体应力加载装置、压力腔调节注射器、蠕动泵和储液池，应力细胞加载装置的注射器连接孔15连接压力腔调节注射器2；应力细胞加载装置的流动出口孔12和射流入口孔14通过硅橡胶管与蠕动泵3相连接，应力细胞加载装置的流动入口孔13通过硅橡胶管与细胞培养液储液池5相连接，应力细胞加载装置的射流入口孔14通过硅橡胶管与蠕动泵相连接；蠕动泵通过硅橡胶管与细胞培养液储液池相连接。

本发明的技术效果体现在：

本发明采用可变形硅胶膜，通过改变流动腔内流体压力，使得培养有生物细胞的硅胶膜发生不同变形。本发明可以通过调节蠕动泵流量，改变生物细胞受到的流体切应力受力状态。另外，流动腔内还可开设射流入口，通过调节射流流量大小，改变生物细胞所受压力状态。

附图说明

图1是本发明细胞体外加载实验平台示意图；

图2是本发明细胞加载单元结构图示意图；

图3是细胞加载单元工作截面示意图(弹性膜变形前)；图4是细胞加载单元工作截面示意图(弹性膜变形后)。

具体实施方式

下面参照附图详细描述本发明的优选实施例。

图1为细胞应力加载实验平台，该实验平台由可变形曲面上细胞流体应力加载装置1、压力腔调节注射器2、蠕动泵3、培养液4、储液池5，和硅胶管6组成。此外在该实验平台外还可搭建有显微镜、CCD相机和电脑等数据采集和分析装置。其中，可变形曲面上细胞流体应力加载装置1是该实验平台的核心部分。

如图2所示，可变形曲面上细胞流体应力加载装置1从上往下依次包括第一盖片7、第一密封垫8、硅胶膜9、第二密封垫10和第二盖片11。第一盖片7上开有流动出口孔12、流动入口孔13和射流入口孔14。第二盖片11上开有注射器连接孔15。第一盖片7、第一密封垫8和硅胶膜9之间形成流动腔16，硅胶膜9、第二密封垫10和第二盖片11之间形成压力腔17。硅胶膜9位于流动腔16和压力腔17之间，通过第一密封圈8和第二密封圈11压紧，硅胶膜9既是流动腔16的底，也是压力腔17的顶。

本发明中密封垫可采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）、橡胶等密封材料，两盖片可采用玻璃、有机玻璃和透明硬质塑料等材料，硅胶膜可替换为乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）、热塑性聚氨酯弹性体橡胶（TPU）等透明弹性膜。盖片、密封垫和硅胶膜的形状任意，可为方形、圆形及多边形等等，优选圆形。压力腔17采用液压或气压方式。

利用本发明中的应力加载装置进行生物细胞受力加载和观察的操作步骤如下：

1.体外培养足够数量的细胞，作为待接种的细胞；

2.硅胶膜的预处理：在蒸馏水中清洗硅胶膜约5分钟，浸泡1小时，60℃干燥，将硅胶膜放置在培养皿中，加入约40ml 75％酒精，浸泡2小时；倒掉酒精，紫外照射，超净台风干；

3.细胞的接种加载：将细胞按亚融合方式接种在硅胶膜9上，置入含有完全培养液的培养皿10小时左右，待大多数细胞完全铺展后对待观察细胞进行标记；

4.应力加载装置的消毒与组装：对圆形玻璃片、环形PDMS垫使用紫外线照射消毒，依次叠合圆形玻璃片7（直径14mm，厚度为2mm）、环形PDMS垫8（外直径为14mm，内直径为10mm，厚度为0.1mm）、步骤3准备好的接种有细胞的硅胶膜9（细胞在膜的上表面，膜直径14mm，厚度为0.2mm）、环形PDMS垫10（外直径为14mm，内直径为10mm，厚度为1mm）、圆形玻璃片11（直径14mm，厚度为2mm），并用机械夹持的方式固定；

5.如图1所示，通过医用硅胶管6依此将应力细胞加载装置1、蠕动泵3、培养液储液池5和应力细胞加载装置1连接成回路。应力细胞加载装置1的注射器连接孔15连接压力腔调节注射器2；流动出口孔12和射流入口孔14通过硅橡胶管6与蠕动泵3相连接，流动入口孔13通过硅橡胶管6和培养液储液池5相连接，形成如图1所示的流体循环回路；启动蠕动泵2，使培养液循环起来，让硅橡胶管6和流动腔16内充满培养液，同时通过培养液的循环充分排除腔内的空气，形成一个密闭的流槽；

6.压力腔采用液压腔时，利用液体加压泵在压力腔17内加满蒸馏水（如图3），并连接充满蒸馏水的压力腔调节注射器2，充分排除压力腔内17的空气，先使硅胶膜9处于未受力变形状态；若压力腔采用气压腔时，则向压力腔17内充入气体；

7.当硅胶膜9上培养的细胞符合实验要求后，即可用注射器2泵出蒸馏水或气体，向硅胶膜9施加负压力，使得硅胶膜向下凹起发生弯曲变形（如图4）；也可向硅胶膜9施加正压力，使得硅胶膜向上凹起发生弯曲变形；记录硅胶变形后的曲面形状；

8.启动蠕动泵3，使得流动腔内的培养液循环流动持续48小时。

9.用夹子夹闭与流室出入口12、13、14、15相连的硅橡胶管，把应力加载单元移回超净工作台，拆卸金属夹具及流动室的圆形玻璃片盖板7、11和环形PDMS垫片8、10，把带有细胞的硅胶模膜9移回原培养环境中，将其放置在倒置相差显微镜下，调整视野和显示记录系统，观察和采集细胞图像，以提取细胞的形态特征，并依据步骤7中的变形后的硅胶模9曲面形状计算细胞受到的流体切应力和压强大小，将细胞的形态特征与细胞所处的受力环境结合对应分析，确定细胞形态和生物学特性与应力之间的变化规律。

通过注射器2对压力腔17施加不同的压力，改变压力腔内的液体或气体体积，使得硅胶膜9产生不同的变形，同时使得流动腔16的底面产生不同的形状，从而流动腔16内细胞能受到多种不同的流体应力作用。

此外，射流入口孔14可以在不同的实验需求中使用或者不使用。需要使用时，在压力腔顶部设置射流入口，通过调节射流流量大小，改变在流动腔内生物细胞所受压力状态。

为本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种可变形曲面上细胞流体应力加载方法，涉及流动腔和压力腔，其特征在于，流动腔与压力腔之间采用透明弹性膜隔离，透明弹性膜面向流动腔的表面预接种有生物细胞，流动腔充满细胞培养液，通过压力腔向透明弹性膜施加压力使其产生变形，并通过蠕动泵驱动细胞培养液在流动腔内循环流动，从而向生物细胞施加流体切应力和压力。

2.如权利要求1所述的一种可变形曲面上细胞流体应力加载方法，其特征在于还从压力腔顶部开设设置射流入口，通过射流入口向流动腔内泵入细胞培养液，通过调节射流入口处进入细胞培养液的流量大小，改变在流动腔内生物细胞所受压力状态。

3.实现权利要求1所述一种可变形曲面上细胞流体应力加载方法的可变形曲面上细胞流体应力加载装置，从上往下依次包括夹持固定在一起的第一盖片（7）、第一密封垫（8）、透明弹性膜（9）、第二密封垫（10）和第二盖片（11）；第一盖片（7）上开有流动出口孔（12）和流动入口孔（13），第二盖片（11）上开有注射器连接孔（15）；第一盖片（7）、第一密封垫（8）和透明弹性膜（9）之间形成流动腔（16），透明弹性膜（9）、第二密封垫（10）和第二盖片（11）之间形成压力腔（17）。

4.根据权利要求3所述的可变形曲面上细胞流体应力加载装置，其特征在于，所述第一盖片（7）上还开有射流入口孔（14）。

5.根据权利要求3所述的可变形曲面上细胞流体应力加载装置，其特征在于，所述透明弹性膜为硅胶膜、乙烯-醋酸乙烯共聚物或热塑性聚氨酯弹性体橡胶。

6.一种基于权利要求3或5任意一项所述的可变形曲面上细胞流体应力加载装置的可变形曲面上细胞流体应力加载实验平台，包括可变形曲面上细胞流体应力加载装置、压力腔调节注射器、蠕动泵和储液池，应力细胞加载装置的注射器连接孔（15）连接压力腔调节注射器，应力细胞加载装置的流动出口孔（12）和射流入口孔（14）通过硅橡胶管与蠕动泵相连接，应力细胞加载装置的流动入口孔（13）通过硅橡胶管与细胞培养液储液池（5）相连接，蠕动泵通过硅橡胶管与细胞培养液储液池相连接。

7.一种基于权利要求4所述的可变形曲面上细胞流体应力加载装置的可变形曲面上细胞流体应力加载实验平台，包括可变形曲面上细胞流体应力加载装置、压力腔调节注射器、蠕动泵和储液池，应力细胞加载装置的注射器连接孔（15）连接压力腔调节注射器（2）；应力细胞加载装置的流动出口孔（12）和射流入口孔（14）通过硅橡胶管与蠕动泵（3）相连接，应力细胞加载装置的流动入口孔（13）通过硅橡胶管与细胞培养液储液池（5）相连接，应力细胞加载装置的射流入口孔（14）通过硅橡胶管与蠕动泵相连接；蠕动泵通过硅橡胶管与细胞培养液储液池相连接。