CN103756898A - 一种可施加动态载荷的细胞三维受力培养装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可施加动态载荷的细胞三维受力培养装置，包括带有出液口和进液口的壳体；设于壳体内用于夹持生物结构的夹紧装置；对夹紧装置提供驱动力的驱动电机；用于对壳体内培养液进行加热的加热装置；用于检测培养液温度的温度传感器，并将温度信号输出；用于检测生物结构所受拉力的拉力传感器，并将拉力信号输出；控制器，同于接收所述温度信号和拉力信号，同时根据接收的信号信息，对驱动电机和加热装置输出控制信号。本发明的装置结构简单，制造成本低，易于操作，将混有细胞的生物结构安装在细胞培养装置中，通过液晶显示屏的操作，装置就会按照设定的程序对其进行力可控的往复拉伸操作，模拟体内环境，实现细胞的培养。

Description

一种可施加动态载荷的细胞三维受力培养装置

技术领域

本发明涉及细胞培养技术领域，尤其是涉及一种可施加动态载荷的细胞三维受力培养装置。

背景技术

随着社会的发展，越来越多的人从事到生命科学领域，促进了生命科学的迅速发展。机体的器官、组织、细胞和生物大分子在力学作用下发生相应的形态和功能改变，这是机体对力学刺激的响应过程，而机体对一定范围力学刺激的自适应，对于维持正常生理功能具有重要作用。细胞由生物大分子构成，是生命活动的基本单位。研究力对细胞的作用，是揭示器官、组织生物力学特性的基础，也是进一步研究细胞内生物大分子的生物力学特性的出发点。研究表明，力可以通过影响细胞内基因表达和蛋白质合成来调节细胞功能，在细胞的生理、病理过程中发挥着重要作用。目前，细胞培养已成为细胞生物学、分子生物学、遗传学和免疫学等学科研究的重要基础。因此，开发出具有不同针对性的细胞培养方法，对于深入探讨细胞的生长活动规律具有重要意义。

当前，细胞培养广泛使用各种培养瓶，但局限于单一静态培养环境，实际上，在正常的生理条件下，细胞往往处于复杂的力学环境当中，如骨细胞、血管内皮细胞以及心肌细胞等等，这些细胞在生长过程中受到一些物理因素的影响如：血流的流体剪切应力、拉伸力和液体压力等。在常规的细胞培养条件下，此类细胞的真实生长环境无法模拟。因此，需要开发新的细胞培养方法提供与体内细胞生长环境近似的微环境，较为真实的反映细胞的生长情况。

目前，对细胞的拉伸力作用通常是借助使细胞粘附的基底材料发生形变来实现，其中大多数装置采用弹性模为基底材料，通过液体或气体产生的压力使基底膜变形，然后拉伸细胞，对细胞产生一定范围的力学刺激，通过控制形变量大小来控制细胞受力大小。例如，Leung等使用马达驱动的活塞—联动装置拉伸矩形硬蛋白基底，使附着在其上的细胞受到不同大小、不同周期的拉伸力（Leung D Y，Glagov S，Matthews M B.A new in vitrosystem for studying cell response to mechanical stimulation.Different effectsof cyclic stretching and agitation on smooth muscle cell biosynthesis[J].ExpCell Res，1977,109（2）：285-298）。Carosi和Neidlinger-Wilke等改用DC马达控制偏心杆使矩形基底膜产生更为规则的位移（Carosi J A,Eskin S G，Mcintire L V.Cyclical strain effects on the production of vasoactive material inendothelial cells[J].J Cell Physiol,1992,151（1）：29-36）（Neidlinger-WilkeC，Grood E S，Wang J H，et al.Cell alignment is induced by cyclic changes incell length:studies of cells grown in cyclically stretched subtrates[J].J OrthopRes，2001,19（2）：286-293）。Kaspar等用电磁驱动矩形硅胶膜产生四点弯曲低应力循环拉伸细胞基底（Kaspar D，Seidl W，Neidlinger-Wilke C，et al.Dynamic cell stretching increases human osteoblast proliferation andCICP synthesis but decreases osteocalcin synthesis and alkaline phosphataseactivity[J].J Biomech，2000,33（1）：45-51）。Flexercell公司的拉伸装置，由真空底座和密封垫、正负压力控制模块、柔性细胞培养板、计算机监控系统等组成，通过计算机监控系统控制气体流入速率，通过调节柔性细胞培养板基底膜的垂直形变来控制细胞受力大小。

专利申请号为CN201310043685.3的专利文献公开了一种可机械拉伸的微流控芯片细胞培养装置，利用微量注射泵控制其微通道内的液体流量，进而控制细胞粘附的基底材料应变量，实现在微流控芯片条件下，为细胞提供一个具有机械拉伸作用的生长环境。但该装置提供的细胞生长环境与以前的装置没有很明显的改善。

目前现有的发明及装置中，细胞多处在培养液中，和人体内细胞所处在的一个三维受力环境还有很大的区别，因而目前的细胞培养装置中细胞的分化、细胞间的通讯方式和体内细胞存在较大的差别，不能够为医学研究、细胞生物力学研究等提供很好的借鉴。

发明内容

本发明提供一种可施加动态载荷的细胞三维受力培养装置，可使细胞培养处在一个拟体内环境，并可根据不同细胞应力刺激的需要，施加不同频率，不同幅值的动态载荷，以更好的模拟体内的各种受力环境，能够对医学研究、细胞生物力学研究等提供很好的借鉴。

一种可施加动态载荷的细胞三维受力培养装置，包括用于盛放培养液的壳体；还包括：

设于壳体内用于夹持生物结构的夹紧装置，包括一个或多个固定夹具、以及与所述固定夹具相互对正的移动夹具，所述生物结构夹持于固定夹具与移动夹具之间；

对移动夹具提供驱动力的驱动电机；

用于对壳体内培养液进行加热的加热装置；

用于检测培养液温度的温度传感器，并将温度信号输出；

用于检测生物结构所受拉力的拉力传感器，并将拉力信号输出；

控制器，同于接收所述温度信号和拉力信号，同时根据接收的信号信息，对驱动电机和加热装置输出控制信号。

为便于对壳体内运行状况的观察，作为优选，所述的壳体上至少设有一块区域为透明壳。同时，透明壳的设置，便于在人工进行培养液加注时对液面的控制。

为便于实现培养液的自动加注，提高控制精度，所述优选，所述的可施加动态载荷的细胞三维受力培养装置还包括：用于对壳体注入培养液的加料装置；用于检测培养液的液面高度的液位传感器，并将高度信号输出；所述控制器同时接收所述的高度信号，并对加料装置输出控制信号。通过液位传感器和控制器可实现对培养液的自动注入，避免人工操作带来的不稳定因素影响。同时，根据需要所述的进液口和出液口设有电控阀，通过液位传感器、进液口和出液口处电控阀开度的控制，可实现在流动培养液环境中的检测操作，进一步提高了本发明的培养装置的功能性。

作为优选，所述的可施加动态载荷的细胞三维受力培养装置还包括设置在壳体内用于对培养液进行杀毒的紫外灯。紫外灯一般设置在壳体内壁，设置的数量可根据需要设置，一般沿壳体内壁周向均匀设置。

为便于现场检测人员实时读取检测数据，作为优选，所述的壳体上设有用于显示所述温度信号、拉力信号和高度信号的液晶显示屏，该液晶显示屏上设有对所述控制器进行参数设定的输入区域。用户通过液晶显示屏读取和设置培养装置内部的信息。通过控制器实现对各部件的控制，实现对细胞的培养。

为便于生物结构的夹持和拆卸，同时便于装置的维修和清理，作为优选，所述的壳体包括顶端敞口的筒体、以及盖设在筒体顶端的顶板；所述的顶板底端固定有用于支撑所述驱动电机的电机底座，所述驱动电机输出轴通过所述拉力传感器与所述移动夹具固定连接。顶板与筒体之间通过锁紧装置相互锁定，所述锁紧装置为分布在顶板四个角落上的锁，当把锁旋转90度时，锁的上端位于筒体顶端的上表面，锁的下端位于筒体内壁设置的槽内，实现顶板与筒体的固定。

所述的电机底座可通过多种方式实现与顶板的固定，作为优选，所述的顶板下表面固定有电机水平支架，电机水平支架上固定有电机垂直支架，所述的电机底座固定在电机垂直支架之间，驱动电机布置在电机底座上。

为保证电机输出轴按照预定的方向移动，作为优选，所述的电机底座底端固定有拉力导轨；所述的驱动电机输出轴上固定有穿套在所述拉力导轨上的导轨滑块。拉力导轨一般设置两个或者两个以上，且沿电机输出轴周向均匀设置。拉力导轨一般为外壁光滑的金属轴结构。通过控制器控制电机的工作频率，在控制器和拉力传感器的配合下，拉力传感器反馈当前的拉伸力大小，实现可控的，不同频率和不同幅值的动态载荷。

所述的固定夹具与移动夹具可选用多种具有夹持功能的夹具结构，作为优选，所述的固定夹具与移动夹具结构相同，包括：固定座；固定在固定座一侧的固定杆；固定在固定座内的夹紧头，该夹紧头与固定杆的夹紧端之间构成夹持所述生物结构的夹持位；设置在固定座另一侧用于将夹紧头向固定杆的夹紧端方向推进的推杆，该推杆与所述固定座之间为螺纹配合；将推杆与固定座相对固定的固定件；以及设于固定座与夹紧头之间实现夹紧头向远离推杆的夹紧端方向回位的复位弹簧。

针对生物结构的特殊结构构造，一般生物结构采用圆柱形，为便于生物结构的夹持，作为优选，所述的夹紧头夹紧端端面为圆柱面，夹紧头的材质为硅胶，所夹生物结构的直径为2～40mm。

为提高夹紧头对生物结构的夹紧力，避免生物结构脱落，作为优选，所述的夹紧头夹紧端端面设有与所述固定杆夹紧端配合夹紧槽。为便于推杆顺利的将夹紧头向固定杆夹紧端方向推进，作为优选，所述的夹紧头背向夹紧端的一端设有容纳推杆端部的凹槽，凹槽的直径一般大于推杆的直径，防止推杆与夹紧头卡牢。

所述的推杆与固定座之间为螺纹配合，所述的固定件一般为套设在推杆上与其螺纹配合的螺母。为便于螺母的锁紧，作为优选，所述的推杆远离夹紧头的一端端部设有防滑纹，或者在该端端部设置扳手卡接口等。

安装在固定座一侧的固定杆横穿夹持物，夹持过程中固定杆的一端位于夹紧头内，通过固定杆固定螺栓将固定杆固定在固定座中，在固定座内安装有夹紧头，夹紧头背对固定杆的一侧与推杆相连，推杆上安装有推杆固定螺母，推杆与固定座采用螺纹连接，当转动推杆带动夹紧头运动，实现对夹持物的夹紧时，用推杆固定螺母实现对推杆当前位置的固定，在固定夹具和夹紧头之间安装有2个复位弹簧，当松开推杆时，通过复位弹簧实现夹紧头的复位，在固定座的上表面安装有盖板，用来防止夹紧头的脱落。通过固定杆横穿夹持物，使得在夹紧头夹紧夹持物的同时，又受到固定杆的作用力，保证夹具的夹紧作用，防止在拉伸过程中，夹持物的脱落。

所述顶板底面固定有两个平行设置的支撑板，该两个支撑板之间固定有用于隔离培养液的隔离板、以及高度可调的固定夹具底座，所述固定夹具固定在固定夹具底座上；所述温度传感器、液位传感器和加热装置均设置在隔离板上。固定夹具底座与支撑板之间可采用多种可调结构，作为优选，所述的固定夹具底座两侧设有若干对螺纹孔；所述的两个支撑板上设有对应的固定孔，通过螺栓穿过固定孔将固定夹具底座固定在支撑板上。上述固定夹具底座可以在支撑板上运动，调节固定夹具底座与移动夹具底座之间的距离，实现对不同长度的生物结构的细胞培养。

所述加热装置可采用加热棒，加热棒对称分布在隔离板的两端，通过加热棒对培养液进行加热，液体的温度通过温度传感器反馈回来，实时读取液体的温度，并在液晶显示屏上显示，当温度达到设定的温度时，控制器关闭加热棒。

所述隔离板的材质为亚克力透明板，能让安装在支撑板上的紫外灯的紫外光透过隔离板，起到杀菌的效果。

所述的隔离板与固定夹具底座之间固定有夹具导轨；所述的驱动电机输出轴端部穿过所述隔离板且固定有移动夹具底座，该移动夹具底座上设有供夹具导轨穿过的通孔，该通孔内设有套接在夹具导轨的直线轴承；所述的移动夹具固定在所述移动夹具底座上。

对于本发明的装置所培养的细胞，其包含在三维棒料结构内部，该结构可以利用已有的技术，制造含细胞的活性凝胶棒料。方法1：采用琼脂糖溶液混入细胞，浇注入圆柱形模具中，通过4℃的冷藏形成含细胞的活性琼脂糖凝胶棒料。方法2：采用典型的三维生物打印设备打印出来，如可以采用微压电式喷头或微热泡式喷头喷射混有细胞的海藻酸钠溶液到氯化钙溶液中，形成混有细胞的海藻酸钙凝胶棒状结构，上述细胞可以是软骨细胞。

本发明的细胞培养方法，通过将细胞包含在棒状结构内部，利用电机对棒状结构施加不同频率和不同幅值的动态载荷，实现对细胞施加三维动态载荷，并且加上装置内部液体的流动和温控装置，实现对体内环境的模拟，将混有细胞的生物棒状结构安装在细胞培养装置中，根据不同细胞应力刺激的需要，按照设定的程序对其施加可控的，不同频率和不同幅值的三维动态载荷，模拟体内环境，实现细胞的培养。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）本发明的装置结构简单，制造成本低，易于操作，将混有细胞的生物结构安装在细胞培养装置中，通过液晶显示屏的操作，装置就会按照设定的程序对其进行力可控的往复拉伸操作，模拟体内环境，实现细胞的培养。

（2）本发明的装置体积小，便携，能同时对多个结构进行细胞培养。

（3）本发明的装置是一个独立的细胞培养装置，使用时，只需要装置接上电源，外部提供培养液即可，在一般的实验室都能进行操作。

（4）本发明的装置能够对细胞受到的载荷进行控制，按照不同细胞应力刺激的需要，产生不同频率，不同幅值的动态载荷，可以长时间的自动工作，而且机构简单，工作可靠。

（5）能够对细胞施加三维动态载荷，并且加上装置内部液体的流动和温控装置，实现对体内环境更好的模拟。

（6）夹紧装置的独特设计，可以装夹不同尺寸的结构。

（7）支撑板的独特设计，使得固定夹具底座能在支撑板上运动，实现对不同长度的生物结构的拉伸。

附图说明

图1是本发明的可施加动态载荷的细胞三维受力培养装置结构示意图。

图2是本发明的锁紧装置锁紧结构示意图。

图3是本发明的锁紧装置松开结构示意图。

图4是本发明的驱动电机安装结构示意图。

图5是本发明的夹紧装置结构示意图。

图6是本发明的夹紧装置的俯视图。

图7是本发明的加热装置安装结构主视图。

图8是本发明的隔离板的俯视图。

图中：1为筒体，2为顶板，3为液晶显示屏，4为驱动电机，5为控制器，6为加热装置，7为进液阀，8为夹紧装置，9为出液阀，10为支撑板，11为隔离板，12为紫外灯，13为锁，14为电机水平支架，15为电机垂直支架，16为电机本体，17为电机底座，18为拉力导轨，19为导轨滑块，20为导轨下板，21为传感器上端连接器，22为拉力传感器，23为传感器下端连接器，24为移动夹具底座，25为直线轴承，26为夹具导轨，27为固定夹具底座，28a为固定夹具、28b为移动夹具，29为固定座，30为盖板，31为推杆固定螺母，32为推杆，33为夹紧头，34为复位弹簧，35为固定杆固定螺栓，36为固定杆，37为加热棒，38为温度传感器，39为液位传感器。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，一种可施加动态载荷的细胞三维受力培养装置，包括：用于盛放培养液的壳体、用于对生物结构进行夹持的夹紧装置8、对夹紧装置8提供驱动力的驱动电机4、用于对壳体内培养液进行加热的加热装置6、用于检测培养液温度的温度传感器38、用于检测生物结构所受拉力的拉力传感器22、用于检测培养液液位的液位传感器39以及对培养环境进行杀毒的紫外灯12。夹紧装置8位于驱动电机4的下端；驱动电机4和夹紧装置8之间安装有隔离板11。

上述的细胞培养装置，如图1所示，壳体包括顶端敞口的筒体1、以及盖设在筒体1顶端的顶板2，顶板2上设有液晶显示屏。筒体1的材质为亚克力透明板，其形状为上表面敞开的长方体空心盒，筒体1的左右两侧分别安装有出液口和进液口，出液口内设有出液阀9，进液口内设有进液阀7，出液阀9和进液阀7均可采用电控阀，出液阀9和进液阀7与控制器5相连，通过控制器5控制进液阀7的开启和出液阀9的关闭，实现培养液的流入，当液位传感器39检测到液体时，反馈给控制器5，控制器5关闭进液阀。由于筒体1为透明的亚克力板，也可以手动给装置加培养液，当观察到液面达到一定的高度时，停止培养液的供应。当需要实现装置内液体的流动时，通过在加满培养液后，即打开进液阀7，又打开出液阀9来实现，通过阀开口的大小来实现流速的控制。

上述的细胞培养装置，如图1、图2和图3所示，锁紧装置为分布在顶板四个角落上的锁13，锁13为卡合的可拆卸结构，外形为“［”型，如图2所示，当把锁13旋转90度时，锁13的上端位于筒体1的侧壁顶端表面，锁13的下端位于筒体1内两侧壁设置的槽内，实现顶板2与筒体1的固定。如图3所示，当需要装夹夹持物时，只需要反向旋转锁90度，就实现了顶板2与筒体1的分离，可以取出顶板2。

驱动电机4安装在顶板2上。驱动电机4包括电机本体16和电机输出轴，电机本体16通过电机安装机构与顶板2固定，上述的细胞培养装置，如图4所示，电机安装机构包括安装在顶板2下表面的电机水平支架14、安装电机水平支架14底面的电机垂直支架15，以及安装在2个电机垂直支架15之间的电机底座17，上述电机底座17底面上安装有拉力导轨18，拉力导轨18的另一端安装在导轨下板20上，拉力导轨18上滑动配合安装有导轨滑块19，导轨滑块19固定在驱动电机的输出轴上。电机底座17上安装有驱动电机4，驱动电机4的输出轴与传感器上端连接器21相连，传感器上端连接器21与拉力传感器22相连，拉力传感器22与传感器下端连接器23相连。拉力传感器22用于检测生物结构所受到的拉力，并输出拉力信号。控制器5按照用户设定的需求，控制驱动电机的工作频率和输出力，在拉力传感器22反馈当前的拉伸力大小的配合下，实现对细胞施加可控的，不同频率和不同幅值的动态载荷。

上述的细胞培养装置，如图5所示，夹紧装置8设于壳体内用于夹持生物结构，包括一个或多个固定夹具28a、以及与固定夹具28a相互对正设置的移动夹具28b，生物结构夹持于固定夹具28a与移动夹具28b之间。夹紧装置8还包括与传感器下端连接器23相连的移动夹具底座24，安装在上述移动夹具底座24上的直线轴承25，上述直线轴承25上安装有夹具导轨26，在移动夹具底座24的正下方安装有固定夹具底座27。夹具导轨26的一端固定安装在隔离板11上，另一端固定安装在固定夹具底座27上，在移动夹具底座24上安装有4个均匀分布的移动夹具28b，固定夹具底座27上安装有4个均匀分布的固定夹具28a，移动夹具28b和固定夹具28a相互对正设置，移动夹具底座24在驱动电机4的作用下沿着夹具导轨26上下运动，实现与固定夹具底座27之间的相对运动，完成对夹持物的拉伸，并且能保证4个夹持物所受到的拉伸力相同。上述固定夹具底座27安装在支撑板10上，支撑板10为两个，顶端与顶板2相连，实现固定夹具底座27与顶板2的固定，保证了固定夹具底座27与移动夹具底座24之间的相对运动。

如图6所示，上述移动夹具28b和固定夹具28a结构相同，包括安装在固定夹具底座27或者移动夹具底座24上的固定座29，安装在固定座29左侧的固定杆36，固定杆36的一端穿过固定座29，通过固定杆固定螺栓35将固定杆36固定在固定座29中，在上述固定座29内安装有夹紧头33，上述夹紧头33的右侧与推杆32相连，上述推杆32上安装有推杆固定螺母31，上述推杆32与固定座29采用螺纹连接，当转动推杆32带动夹紧头33向固定杆36运动，实现对夹持物的夹紧时，用推杆固定螺母31实现对推杆32当前位置的固定，达到夹紧夹持物的目的。在固定座29和夹紧头33之间安装有2个复位弹簧34，在夹紧夹持物时，复位弹簧34处于压缩状态，当松开推杆32时，复位弹簧34反弹，实现夹紧头33的复位，卸下夹持物。在固定座29的上表面安装有盖板30，用来防止夹紧头33的脱落。在装夹时，通过固定杆36横穿夹持物，使得在夹紧头33夹紧夹持物的同时，又受到固定杆36的作用力，保证夹具的夹紧作用，防止在往复拉伸过程中，夹持物的脱落。

上述移动夹具28b和固定夹具28a中的夹紧头33端面为半圆柱体，夹紧头33的材质为硅胶，所夹物体的直径为2～40mm。上述移动夹具28b和固定夹具28a中的推杆32头部为光轴，在夹紧头33内部平动，只起水平推动作用，中间部位有外螺纹，尾部有防滑纹，便于对推杆的固定。

上述固定夹具底座27可以在支撑板10上进行高度调整，通过调节固定夹具底座27与移动夹具底座24之间的距离，实现对不同长度的生物结构的细胞培养。固定夹具底座27两侧设有螺孔，通过螺栓将固定夹具底座27固定在支撑板10适当的位置。

隔离板11的材质为亚克力透明板，能让安装在支撑板10上的紫外灯12的紫外光透过隔离板11，起到杀菌的效果。紫外灯12位于顶板2与隔离板11之间；温控装置6和控制器5安装在隔离板11上。

上述的细胞培养装置，如图7、图8所示，加热装置6为分别安装在隔离板11两端的加热棒37，温度传感器38安装在隔离板11上，用于检测培养液温度，并将温度信号输出。加热棒37对称分布在隔离板11的两端，在液晶显示屏3上设定一个温度值，数据就会发送到控制器5，然后处理后发给加热棒37，通过加热棒37对培养液进行加热，液体的温度通过温度传感器38反馈给控制器5，实时读取液体的温度，并在液晶显示屏3上显示设定的温度值和当前的温度值，控制器5按照一定的算法，控制加热棒37的开和关，例如：当温度达到某个温度值时，控制器5关闭加热棒37，当温度低于某一值时，再次开启加热棒37，使液体的温度控制在一个设定的正常小范围内变化。

上述的细胞培养装置，控制器5与进液阀7、出液阀9、驱动电机4、紫外灯12、拉力传感器22、加热棒37、温度传感器38、液位传感器39和液晶显示屏3相连，用户通过液晶显示屏读取和设置培养装置内部的信息，通过控制器5实现对各部件的控制，实现对细胞的培养。

本发明的模拟体内环境的方法：通过将细胞包含在棒状结构内部，利用电机对棒状结构施加不同频率和不同幅值的动态载荷，实现对细胞施加三维动态载荷，并且加上装置内部液体的流动和温控装置，实现对体内环境的模拟。

本发明的装置装夹生物结构过程：把顶板2上的锁13打开，抽出顶板2，筒体1中的所有装置都会跟着顶板2被抽出，然后把生物结构的一端放进移动夹具底座24上的移动夹具28b里，另一端放进位于正下方的固定夹具底座27上的固定夹具28a里，根据生物结构的不同长度，可以调节固定夹具底座27在支撑板10上的位置，固定夹具28a和移动夹具28b为同一种夹具，夹紧方法相同，当生物结构底部与固定座29接触后，旋转推杆32，使推杆32带动推杆32前面的夹紧头33向生物结构运动，把生物结构夹紧在固定座29与夹紧头33之间，然后转动推杆固定螺母31，锁住推杆32，接着移动固定座29中的固定杆36，使其穿过生物结构，进入夹紧头33内部，最后用固定杆固定螺栓35锁住固定杆36，等装夹完所有的生物结构后，把顶板2重新放到筒体上，用锁13锁住。

本发明的装置载荷施加过程：通过液晶显示屏3设置拉伸力的大小和拉伸频率，数据经控制器5传送到驱动电机4，电机轴按照设定的值上下运动，运动经过传感器上端连接器21，拉力传感器22，传感器下端连接器23传送到移动夹具底座24，带动移动夹具上下运动，同时，拉力传感器22把当前的拉力值反馈给控制器5，控制器5通过一定的算法处理后，发送新的数据给驱动电机4，实现闭环控制，达到设定的拉伸力值，完成生物结构的拉伸过程。上述拉伸力不一定是常值，根据不同细胞应力刺激的需要，可以设定不同的拉伸力曲线，实现对细胞的培养。

本发明的细胞培养过程：把细胞培养装置放到一个合适的位置上，筒体1的右侧连接进液端，左侧连接出液端，用液晶显示屏3开启紫外灯12，对装置内部进行杀菌处理，经过一段时间后，把混有细胞的生物结构安装在夹紧装置8中，在液晶显示屏3上设定拉伸力曲线，拉伸频率，液体温度和液体流动速度，点击开始按钮，培养液进入装置内，然后开始对生物结构施加载荷，模拟体内环境，实现细胞的培养。

具体实例

用本发明的细胞培养装置拉伸混有软骨细胞的棒状生物结构，实现对软骨细胞的培养。

步骤一、将软骨细胞混入琼脂糖溶液中，将混合均匀后的溶液浇注入圆柱形模具中，通过4℃的冷藏形成含软骨细胞的活性琼脂糖凝胶棒料。

步骤二、打开紫外灯，经过一段时间后，打开锁，抽出细胞培养装置内部的夹紧装置，将上述混有软骨细胞的海藻酸钙凝胶棒状结构装夹到夹紧装置中，然后把其放到筒体内部，锁上锁，在细胞培养装置的右侧连接培养液进液端，左侧连接出液端。

步骤三、在液晶显示屏上，设定对棒状结构的拉伸力曲线，拉伸频率，培养液的液体温度和液体流动速度，点击开始按钮，培养液进入装置内部，装置内的液体产生一定的流动速度，然后电机工作，开始对棒状生物结构施加载荷，当液体温度低于某个值时，加热棒工作，维持液体温度在一个小的范围内，实现对软骨细胞的培养。

上述步骤一也可以采用这种方法，采用三维生物打印设备，将混有软骨细胞的海藻酸钠溶液通过微压电喷头喷射到正下方的氯化钙溶液中，通过工作面的升降和喷头的平面运动，打印出一个混有软骨细胞的海藻酸钙凝胶棒状结构。

Claims (10)

1.一种可施加动态载荷的细胞三维受力培养装置，包括用于盛放培养液的壳体；其特征在于，还包括：

设于壳体内用于夹持生物结构的夹紧装置，该夹紧装置包括一个或多个固定夹具、以及与所述固定夹具相互对正的移动夹具，所述生物结构夹持于固定夹具与移动夹具之间；

对移动夹具提供驱动力的驱动电机；

用于对壳体内培养液进行加热的加热装置；

用于检测培养液温度的温度传感器，并将温度信号输出；

用于检测生物结构所受拉力的拉力传感器，并将拉力信号输出；

控制器，同于接收所述温度信号和拉力信号，同时根据接收的信号信息，对驱动电机和加热装置输出控制信号。

2.根据权利要求1所述的可施加动态载荷的细胞三维受力培养装置，其特征在于，还包括：

用于对壳体注入培养液的加料装置；

用于检测培养液的液面高度的液位传感器，并将高度信号输出；

所述控制器同时接收所述的高度信号，并对加料装置输出控制信号。

3.根据权利要求1所述的可施加动态载荷的细胞三维受力培养装置，其特征在于，还包括设置在壳体内用于对培养液进行杀毒的紫外灯。

4.根据权利要求2所述的可施加动态载荷的细胞三维受力培养装置，其特征在于，所述的壳体上设有用于显示所述温度信号、拉力信号和高度信号的液晶显示屏，该液晶显示屏上设有对所述控制器进行参数设定的输入区域。

5.根据权利要求1～4任一权项所述的可施加动态载荷的细胞三维受力培养装置，其特征在于，所述的壳体包括顶端敞口的筒体、以及盖设在筒体顶端的顶板；所述的顶板底端固定有用于支撑所述驱动电机的电机底座，所述驱动电机输出轴通过所述拉力传感器与所述移动夹具固定连接。

6.根据权利要求5所述的可施加动态载荷的细胞三维受力培养装置，其特征在于，所述的电机底座底端固定有拉力导轨；所述的驱动电机输出轴上固定有穿套在所述拉力导轨上的导轨滑块。

7.根据权利要求1～4任一权项所述的可施加动态载荷的细胞三维受力培养装置，其特征在于，所述的固定夹具与移动夹具结构相同，包括：

固定座；

固定在固定座一侧的固定杆；

固定在固定座内的夹紧头，该夹紧头与固定杆的夹紧端之间构成夹持所述生物结构的夹持位；

设置在固定座另一侧用于将夹紧头向固定杆的夹紧端方向推进的推杆，该推杆与所述固定座之间为螺纹配合；

将推杆与固定座相对固定的固定件；

以及设于固定座与夹紧头之间实现夹紧头向远离推杆的夹紧端方向回位的复位弹簧。

8.根据权利要求7所述的可施加动态载荷的细胞三维受力培养装置，其特征在于，所述的顶板底面固定有两个平行设置的支撑板，该两个支撑板之间固定有用于隔离培养液的隔离板、以及高度可调的固定夹具底座，所述固定夹具固定在固定夹具底座上；所述温度传感器、液位传感器和加热装置均设置在隔离板上。

9.根据权利要求8所述的可施加动态载荷的细胞三维受力培养装置，其特征在于，所述的隔离板与固定夹具底座之间固定有夹具导轨；所述的驱动电机输出轴端部穿过所述隔离板且固定有移动夹具底座，该移动夹具底座上设有供夹具导轨穿过的通孔，该通孔内设有套接在夹具导轨的直线轴承；所述的移动夹具固定在所述移动夹具底座上。

10.根据权利要求7所述的可施加动态载荷的细胞三维受力培养装置，其特征在于，所述的夹紧头夹紧端端面为圆柱面，夹紧头的材质为硅胶，所夹生物结构的直径为2～40mm。

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