CN103966094B - 一种作用于细胞拉伸应力的培养装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种作用于细胞拉伸应力的培养装置，包括控制单元和细胞拉伸刺激单元，所述控制单元和细胞拉伸刺激单元电连接；所述控制单元实现对培养装置记录的拉伸应力数据的处理，所述控制单元通过编程实现对细胞拉伸刺激单元的控制；所述细胞拉伸刺激单元对细胞施加应力。本发明实现了连续拉伸应力刺激周期精确控制，可以在培养环境中任意持续时间和刺激频率的匀速、变速或变加速周期拉伸应力刺激细胞培养。

Description

一种作用于细胞拉伸应力的培养装置及方法

技术领域

本发明涉及一种体外生物反应器装置，特别涉及一种作用于细胞拉伸应力的培养装置。

背景技术

应用组织工程技术构建工程化组织，主要是通过体外将种子细胞复合到各种支架材料上再联合应用各种生物活性分子，促进种子细胞向特定细胞分化并形成需要的组织或器官。这一策略涉及到了组织工程的3个关键要素，即种子细胞、支架材料和生物活性分子。但是，体外3种因素相互作用的环境不同于体内，三者只是简单地组合在一起，缺乏体内微环境如各种机械应力和流体应力的影响。这种微环境可以被认为是组织工程中的第四要素。在体外构建工程化组织的过程中，为了模拟体内微环境并使细胞和支架材料更好地复合，研究开发了多种对细胞施加机械应力的实验方法，包括牵拉张力、压力和流体剪切力等。根据文献报道，研究者建立了多种培养细胞的力学实验方法，同时离体培养细胞在机械应力改变时所产生变化的研究己日渐增多，相应地用于研究离体培养细胞的应力加载装置也有相应报道，大致可以分为离心加载、流体加载、单细胞加载、压力传导加载和基底形变加载装置等，其中基底变形加载装置是实现拉伸应力的主要方式，在实验研究中被广泛的应用。如国家专利一种对细胞实施持续牵张应力作用的培养装置及方法(公开号：CN101475908B)、一种细胞应力培养装置(申请号：201120319086)提出了不同的基底变形加载方式，但其基底形变是非线性的，细胞拉伸应力只是近似的线性结果。国家专利正弦拉伸细胞加载装置(申请专利号：200610095144.5)、细胞基底单轴拉伸装置(申请号：200720123317.X)、提出直线基底变形加载方式，但运动机构中包含偏转结构，只能提供正弦拉伸应力刺激。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种作用于细胞拉伸应力的培养装置，该装置实现了连续拉伸应力刺激周期精确控制，可以在培养环境中任意持续时间和刺激频率的匀速、变速或变加速周期拉伸应力刺激细胞培养，模拟肌腱细胞在体内状态下的动态环境。本发明的目的之二是提供一种细胞培养的方法。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的，一种作用于细胞拉伸应力的培养装置，包括控制单元和细胞拉伸刺激单元，所述控制单元和细胞拉伸刺激单元电连接；所述控制单元实现对培养装置记录的拉伸应力数据的处理，所述控制单元通过编程实现对细胞拉伸刺激单元的控制；所述细胞拉伸刺激单元对细胞施加应力。

进一步，所述控制单元和细胞拉伸刺激单元通过电缆连接；所述电缆包括控制电缆和信号电缆，所述控制电缆用于传递对细胞拉伸刺激单元的控制信号，所述信号电缆用于传递拉伸应力信号。

进一步，所述控制单元包括逻辑编程单元、信号采集处理单元、显示模块、控制输入输出接口I、信号输入接口I、信号输出接口I、按键模块和控制箱体；所述逻辑编程单元通过编程实现对细胞拉伸刺激单元的控制；所述逻辑编程单元和信号采集处理单元通过内部总线实现电连接，信号采集处理单元采集处理的拉伸应力数据作为输入变量输入逻辑编程单元并作为控制编程的条件变量参数；所述逻辑编程单元与显示模块电连接，通过显示模块显示细胞拉伸应力刺激控制参数输入界面和刺激实验中的参数显示界面；所述逻辑编程单元与按键模块电连接，所述按键模块实现对控制参数的输入和修改；所述逻辑编程单元与控制输入输出接口I电连接，通过控制电缆和细胞拉伸刺激单元实现电连接；所述信号采集处理单元与信号输入接口I电连接，通过信号电缆和细胞拉伸刺激单元实现电连接；所述信号采集处理单元与信号输出接口I电连接，实现对培养装置记录的拉伸应力数据的浏览、保存和处理；

所述显示模块、逻辑编程单元、信号采集处理单元、控制输入输出接口I、信号输入接口I、信号输出接口I和按键模块固定在控制箱体内部。

进一步，所述细胞拉伸刺激单元包括直线运动模块、直线导轨、拉伸应力传感器、细胞支架夹持模块、信号输出接口II、控制输入输出接口II、隔离板、细胞培养皿和刺激单元箱体；直线运动模块8、直线导轨9、拉伸应力传感器10、细胞支架夹持模块11、信号输出接口II12、控制输入输出接口II13、隔离板14通过机械连接的方式固定在刺激单元箱体15内部；

其中，隔离板固定在刺激单元箱体内部，将刺激单元箱体分隔为两个空间，所述直线运动模块位于其中一个空间，所述直线导轨位于另一个空间；所述直线运动模块与控制输入输出接口II电连接，并通过控制电缆和控制单元的控制输入输出接口I实现电连接，所述直线运动模块用于获取控制单元的逻辑编程单元发出拉伸应力刺激控制参数；所述直线运动模块和直线导轨连接，实现直线运动模块的拉伸运动传递到直线导轨；所述直线导轨固定在隔离板表面，实现直线运动在两个空间之间的同步传递；所述细胞支架夹持模块包括固定端和移动端，所述固定端固定在隔离板表面；所述移动端固定在直线导轨表面；当拉伸刺激运动传递到细胞支架夹持模块移动端，细胞支架就在细胞支架夹持模块两端之间产生同步拉伸刺激运动；所述拉伸应力传感器固定在细胞支架夹持模块的固定端，实现拉伸刺激应力的记录；所述拉伸应力传感器和信号输出接口II电连接，实现记录拉伸刺激应力信号的传输；所述细胞培养皿置于刺激单元箱体细胞培养一侧，细胞支架夹持模块下方，所述细胞支架夹持模块所夹持的支架材料位于细胞培养皿内。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的，利用培养装置进行细胞培养的方法，包括以下步骤：步骤1.将控制单元、电缆和细胞拉伸刺激单元完成电连接，并进行消毒；步骤2.将控制单元置于常规细胞培育箱外，将细胞拉伸刺激单元置于常规细胞培育箱内；步骤3.按照细胞培养需求提供适应的培养液，准备种植完成细胞的支架材料，并将支架材料固定在细胞支架夹持模块上；步骤4.将细胞培养皿置于细胞培育箱内，并使支架材料位于细胞培养皿内；步骤5.通过控制单元设置相应的参数，实现连续位伸应力刺激。

本发明的优点在于：

根据细胞拉伸应力刺激培养实验的特点，本发明采用直接拉伸支架材料加载应力刺激的方式实现对细胞连续拉伸应力刺激培养。拉伸应力细胞培养装置通过细胞拉伸刺激单元的细胞支架夹持模块夹持种植培养细胞的支架材料，并将该支架材料置于细胞培养皿中的细胞培养环境内。通过控制单元的按键模块输入需要对细胞施加的拉伸应力参数和控制实现细胞拉伸刺激单元对培养细胞的连续可控的拉伸应力刺激。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1拉伸应力细胞培养装置结构图；

图2控制单元结构图；

图3细胞拉伸刺激单元结构图；

图4连续拉伸应力刺激细胞培养方法示意图；

其中，1、显示模块；2、逻辑编辑单元；3、信号采集处理单元；4、控制输入输出接口I；5、信号输入接口I；6、信号输出接口I；7、按键模块；8、直线运动模块；9、直线导轨；10、拉伸应力传感器；11、细胞支架夹持模块；12、信号输出接口II；13、控制输入输出接口II；14、隔离板；15、刺激单元箱体；16、控制箱体；17、控制电缆；18、信号电缆；19、细胞培养皿。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

本发明设计了一种用于生物力学及组织工程细胞拉伸应力培养实验的细胞拉伸应力刺激培养方法及装置。该方法使用发明设计的细胞拉伸应力刺激培养装置，可以实现细胞复合支架材料在培养环境中的连续拉伸应力刺激，可以通过调节拉伸应力刺激的速度和支架材料拉伸变形长度参数来调节拉伸应力刺激的强度和频率；并能够通过拉伸应力传感器记录拉伸应力数据。

下面结合附图和具体实例对本发明细胞拉伸应力培养装置的构造及细胞拉伸应力培养方法进行详细的说明。

图1是拉伸应力细胞培养装置的结构示意图，详细表示了本培养装置的结构构成关系。本培养装置包括控制单元、电缆和细胞拉伸刺激单元。

控制单元通过电缆与细胞拉伸刺激单元实现电连接。其中控制单元预留了信号输出接口6，可以通过该接口可以连接计算机等设备，实现对培养装置记录的拉伸应力数据的浏览、保存和处理。电缆包括控制电缆17和信号电缆18，分别实现对细胞拉伸刺激单元的控制和拉伸应力记录数据的信号传递。

图2是控制单元结构示意图，详细描述了培养装置的控制单元的各组成部分和连接关系。控制单元包括显示模块1、逻辑编程单元2、信号采集处理单元3、控制输入输出接口I4、信号输入接口I5、信号输出接口I6、按键模块7和控制箱体16。

其中逻辑编程单元2是控制单元的核心，其通过编程实现对细胞拉伸刺激单元的控制。本实施例采用编程实现匀速周期拉伸应力刺激模式，本发明包括但不仅限于该实施方式，根据拉伸应力刺激的需求可以编程设计变速或变加速周期拉伸应力刺激模式。

逻辑编程单元2和信号采集处理单元3通过内部总线实现电连接，信号采集处理单元3采集处理的拉伸应力数据可以作为输入变量输入逻辑编程单元2作为控制编程的条件变量参数。

逻辑编程单元2与显示模块1电连接，通过显示模块1显示细胞拉伸应力刺激控制参数输入界面和刺激实验中的参数显示界面。

逻辑编程单元2与按键模块7电连接，按键模块7实现对控制参数的输入和修改。

逻辑编程单元2与控制输入输出接口I4电连接，通过控制电缆17和细胞拉伸刺激单元实现电连接，传递拉伸应力刺激控制参数。

信号采集处理单元3与信号输入接口I5电连接，通过信号电缆18和细胞拉伸刺激单元实现电连接，传递拉伸应力刺激记录数据。

信号采集处理单元3与信号输出接口6电连接，通过信号输出接口I6培养装置可以连接计算机，实现对培养装置记录的拉伸应力数据的浏览、保存和处理。

显示模块1、逻辑编程单元2、信号采集处理单元3、控制输入输出接口II4、信号输入接口5II、信号输出接口6II、按键模块7通过机械连接的方式固定在控制箱体16内部。

图3是细胞拉伸刺激单元结构示意图，详细描述了培养装置的细胞拉伸刺激单元的各组成部分和连接关系。细胞拉伸刺激单元包括直线运动模块8、直线导轨9、拉伸应力传感器10、细胞支架夹持模块11、信号输出接口II12、控制输入输出接口II13、隔离板14、细胞培养皿19和刺激单元箱体15。

其中，直线运动模块8、直线导轨9、拉伸应力传感器10、细胞支架夹持模块11、信号输出接口II12、控制输入输出接口II13、隔离板14通过机械连接的方式固定在刺激单元箱体15内部。

其中，隔离板14通过机械连接的方式固定在刺激单元箱体15内部，将细胞拉伸刺激单元分隔为两个隔离空间，以减少细胞培养过程中拉伸应力刺激产生模块对细胞产生污染的可能性。

所述直线运动模块8位于其中一个空间，所述直线导轨位于另一个空间。

其中直线运动模块8时实现细胞拉伸应力刺激的核心，本发明的实施例采用了直流步进电机和直线丝杆滑台机械连接的方式实现，本发明包括但不仅限于本实施例的实现方式。直线运动模块8与控制输入输出接口13电连接，并通过控制电缆17和控制单元的控制输入输出接口4实现电连接，实现获取控制单元中逻辑编程单元2发出拉伸应力刺激控制参数。

直线运动模块8通过机械连接的方式和直线导轨9连接，实现直线运动模块8的拉伸运动传递到直线导轨9。

直线导轨9通过机械连接的方式固定在隔离板14表面，实现直线运动在细胞拉伸刺激单元分隔为两个隔离空间之间的同步传递。

细胞支架夹持模块11由固定端和移动端，其固定端通过机械连接的方式固定在隔离板14表面；其移动端通过机械连接的方式固定在直线导轨9表面。当拉伸刺激运动传递到细胞支架夹持模块11移动端，就在细胞支架夹持模块11两端之间产生同步拉伸刺激运动。其中细胞支架夹持模块11的夹持支架材料机件，可以根据支架材料的形状特点进行更换。

其中，拉伸应力传感器10通过机械连接的方式固定在细胞支架夹持模块11的固定端，实现拉伸刺激应力的记录。

拉伸应力传感器10和信号输出接口II12电连接，实现记录拉伸刺激应力信号的传输。

细胞培养皿19置于刺激单元箱体15细胞培养一侧，细胞支架夹持模块11下方，并保证细胞支架夹持模块11所夹持的支架材料正确位于细胞培养皿19内。

在本实施例中，所述的细胞支架夹持模块11包括移动端和固定端，采用的是一个端运动而另一端固定的方法。在实际生产中也可以采用细胞支架夹持模块包括两个移动端的结构，对细胞支架进行位伸。

图4是连续拉伸应力刺激细胞培养方法示意图，表示了本发明实施例的连续拉伸应力刺激细胞培养方法拉伸运动的速度-时间变化过程。本发明包括但不仅限于本实施例的拉伸刺激运动方式。

所述拉伸应力刺激细胞培养时，控制单元、电缆和细胞拉伸刺激单元完成电连接，并进行紫外照射消毒。控制单元置于常规细胞培育箱外，细胞拉伸刺激单元置于常规细胞培育箱内。细胞培养皿19按照细胞培养需求提供适应的培养液，准备种植细胞完成的支架材料，并固定在细胞支架夹持模块11上。细胞培养皿19置于合适位置，并保证支架材料位于细胞培养皿19内。通过设置控制单元的相应参数，如拉伸运动速度v、返回速度-v、支架材料初始状态保持时间t1、支架材料拉伸状态保持时间t2，支架材料拉伸运动时间t以及拉伸刺激次数等参数，即可实现精确的连续拉伸应力刺激。其中，所述拉伸应力传感器10可以记录在拉伸应力刺激培养过程中拉伸应力的变化。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.一种作用于细胞拉伸应力的培养装置，其特征在于：包括控制单元和细胞拉伸刺激单元，所述控制单元和细胞拉伸刺激单元电连接；所述控制单元实现对培养装置记录的拉伸应力数据的处理，所述控制单元和细胞拉伸刺激单元通过电缆连接,通过编程实现对细胞拉伸刺激单元的控制；所述细胞拉伸刺激单元对细胞施加应力；所述控制单元和细胞拉伸刺激单元通过电缆连接；所述电缆包括控制电缆和信号电缆，所述控制电缆用于传递对细胞拉伸刺激单元的控制信号，所述信号电缆用于传递拉伸应力信号；所述控制单元包括逻辑编程单元、信号采集处理单元、显示模块、控制输入输出接口I、信号输入接口I、信号输出接口I、按键模块和控制箱体；

所述逻辑编程单元通过编程实现对细胞拉伸刺激单元的控制；

所述逻辑编程单元和信号采集处理单元通过内部总线实现电连接，信号采集处理单元采集处理的拉伸应力数据作为输入变量输入逻辑编程单元并作为控制编程的条件变量参数；

所述逻辑编程单元与显示模块电连接，通过显示模块显示细胞拉伸应力刺激控制参数输入界面和刺激实验中的参数显示界面；

所述逻辑编程单元与按键模块电连接，所述按键模块实现对控制参数的输入和修改；

所述逻辑编程单元与控制输入输出接口I电连接，通过控制电缆和细胞拉伸刺激单元实现电连接；

所述信号采集处理单元与信号输入接口I电连接，通过信号电缆和细胞拉伸刺激单元实现电连接；

所述信号采集处理单元与信号输出接口I电连接，实现对培养装置记录的拉伸应力数据的浏览、保存和处理；

所述显示模块、逻辑编程单元、信号采集处理单元、控制输入输出接口I、信号输入接口I、信号输出接口I和按键模块固定在控制箱体内部；

所述细胞拉伸刺激单元包括直线运动模块、直线导轨、拉伸应力传感器、细胞支架夹持模块、信号输出接口II、控制输入输出接口II、隔离板、细胞培养皿和刺激单元箱体；

其中，直线运动模块(8)、直线导轨(9)、拉伸应力传感器(10)、细胞支架夹持模块(11)、信号输出接口II(12)、控制输入输出接口II(13)、隔离板(14)通过机械连接的方式固定在刺激单元箱体(15)内部；

其中，隔离板固定在刺激单元箱体内部，将刺激单元箱体分隔为两个空间，所述直线运动模块位于其中一个空间，所述直线导轨位于另一个空间；

所述直线运动模块与控制输入输出接口II电连接，并通过控制电缆和控制单元的控制输入输出接口I实现电连接，所述直线运动模块用于获取控制单元的逻辑编程单元发出拉伸应力刺激控制参数；

所述直线运动模块和直线导轨连接，实现直线运动模块的拉伸运动传递到直线导轨；

所述直线导轨固定在隔离板表面，实现直线运动在两个空间之间的同步传递；

所述细胞支架夹持模块包括固定端和移动端，所述固定端固定在隔离板表面；所述移动端固定在直线导轨表面；当拉伸刺激运动传递到细胞支架夹持模块移动端，细胞支架就在细胞支架夹持模块两端之间产生同步拉伸刺激运动；

所述拉伸应力传感器固定在细胞支架夹持模块的固定端，实现拉伸刺激应力的记录；

所述拉伸应力传感器和信号输出接口II电连接，实现记录拉伸刺激应力信号的传输；

所述细胞培养皿置于刺激单元箱体细胞培养一侧，细胞支架夹持模块下方，所述细胞支架夹持模块所夹持的支架材料位于细胞培养皿内。

2.利用权利要求1所述的作用于细胞拉伸应力的培养装置进行细胞培养的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1.将控制单元、电缆和细胞拉伸刺激单元完成电连接，并进行消毒；

步骤2.将控制单元置于常规细胞培育箱外，将细胞拉伸刺激单元置于常规细胞培育箱内；

步骤3.按照细胞培养需求提供适应的培养液，准备种植完成细胞的支架材料，并将支架材料固定在细胞支架夹持模块上；

步骤4.将细胞培养皿置于细胞培育箱内，并使支架材料位于细胞培养皿内；

步骤5.通过控制单元设置相应的参数，实现连续位伸应力刺激。