CN105331537B - 一种模拟口腔咀嚼力学环境的细胞培养装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟口腔咀嚼力学环境的细胞培养装置，包括细胞培养单元、加载单元和驱动单元；所述细胞培养单元包括一个或多个设在孔板上的细胞培养孔；所述加载单元包括一个或多个设在孔板盖上的加载头，并与孔板上的细胞培养孔对应；所述驱动单元包括沿孔板盖垂直方向做往复运动的传动杆，传动杆的一端与孔板盖直接或间接接触；所述孔板和孔板盖之间设有用于使加载头复位的复位弹簧，加载头在传动杆和复位弹簧的作用下沿细胞培养孔做上下往复运动。该装置可以模拟研究不同大小的咀嚼力以及不同咀嚼频率下的牙周膜细胞增殖分化情况。

Description

一种模拟口腔咀嚼力学环境的细胞培养装置

技术领域

本发明涉及细胞培养装置，具体涉及一种模拟口腔力学环境的细胞培养装置。

背景技术

在传统的细胞体外二维培养方式和加力条件下，学者们能够轻易的对单层细胞施加不同大小、频率、周期的张力，观察检测细胞的增殖和分化。但是，二维细胞培养并不能反应人体内真实情况之下细胞的生长和细胞间的联系，细胞经常发生去分化、失去正常的形态与功能；况且，从体外组织再生的角度来讲，二维加力得出的结果并没有多大的指导意义。

三维培养状态下，细胞的形态和功能更接进体内，但是组织内部机械力的研究具有相当的复杂性。一方面，很难分开研究单一某种力量对细胞的作用。即使是一个很简单的压力作用到一个三维的弹性支架材料上，在组织内部，细胞会受到静水压、流体压力、和支架的局部应变应力三种力，力量大小和形式随时间变化和空间不同而各异。另一方面，体内生物力微环境特点就是随时间变化和随空间不同各异。所以，没必要也不可能把体内微环境中各种力的作用割裂开来，像用二维细胞加力和测量的方法分别去研究某一种特定力的效果。

在三维的加力研究中，大多数文献是观测组织整体受力的反应，报道证明加力促进整个组织中细胞增殖分化。除了一些计算机所做的三维有限元模型分析组织内部应力分布外，很少有文献深入到组织内部去观察分析不同部位细胞增殖分化的区别。

牙周组织中牙骨质-牙周膜-牙槽骨样复合体为一个动态平衡的系统，维持这种动态平衡的关键就是生理的咀嚼周期运动。在疾病、损伤或牙周组织受到外界刺激时，牙周膜中的干细胞能定向迁移，增殖和分化再生和修复牙周组织复合体。为了便于体外研究咀嚼周期运动，急需设计和制作符合人体口腔微环境特征，适合细胞体外生长、加力和观测的装置。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种模拟口腔力学环境的细胞培养装置，用于模拟口腔的咀嚼运动，模拟研究口腔内牙周组织的细胞在咀嚼力作用下的增殖分化情况，可以模拟研究不同大小的咀嚼力以及不同咀嚼频率下的牙周膜细胞增殖分化情况。

上述目的是通过如下技术方案实现的：

一种模拟口腔咀嚼力学环境的细胞培养装置，包括细胞培养单元、加载单元和驱动单元；所述细胞培养单元包括一个或多个设在孔板上的细胞培养孔；所述加载单元包括一个或多个设在孔板盖上的加载头，并与孔板上的细胞培养孔对应；所述驱动单元包括沿孔板盖垂直方向做往复运动的传动杆，传动杆的一端与孔板盖直接或间接接触；所述孔板和孔板盖之间设有用于使加载头复位的复位弹簧，加载头在传动杆和复位弹簧的作用下沿细胞培养孔做上下往复运动。

进一步地，所述孔板与孔板盖之间设有多个导向杆，复位弹簧套在导向杆上，孔板盖沿导向杆做上下往复运动。设置导向杆，可以使得孔板盖沿着导向杆做上下往复运动，不容易出现运动偏移，更易于控制。

进一步地，所述导向杆近孔板盖的一端设有螺纹，并安装有配套的用于调节孔板盖与孔板之间最大距离的螺母。通过调节螺母，可以根据需要调节孔板盖与孔板之间的最大距离，灵活性高。

进一步地，所述加载头可拆卸地安装在孔板盖上。加载头可以根据试验需要设计成不同的形状，可以根据试验需要选择安装或更换不同形状的加载头，试验灵活性高。

进一步地，所述加载头通过螺纹连接可拆卸地安装在孔板盖。螺纹连接一方面容易更换，另一方便连接较为牢固，可以使得加载头牢固的安装在孔板盖上。

进一步地，所述加载头的外径小于细胞培养孔的内径，加载头在传动杆和复位弹簧的作用下沿细胞培养孔做开放式的上下往复运动。对于固体培养基，加载过程中培养基不会溢出细胞培养孔，加载头的外径小于细胞培养孔的内径即可提供加载力。

进一步地，所述细胞培养孔中设有多孔结构的三维培养支架，三维培养支架上设有与加载头形状契合的加载孔，加载头在传动杆和复位弹簧的作用下对三维培养支架上的加载孔做开放式的上下往复运动。多孔结构的三维培养支架中有培养基，细胞生长在培养基中，加载头通过在三维培养支架的加载孔中加载-复位，能模拟口腔咀嚼的力学环境，便于观察三维培养支架中的细胞在该力学环境中的生殖分化情况。

进一步地，所述加载头外壁设有柔性材质的密封垫，加载头通过密封垫与细胞培养孔内壁紧密接触，加载头在传动杆和复位弹簧的作用下沿细胞培养孔做封闭式的上下往复运动。当需要直接对液体培养基质进行加载时，为了在封闭的腔室内产生压力（模拟加载力），用密封垫将加载头与细胞培养孔内壁之间的空隙填充，可以模拟研究液体培养基质中的细胞在该压力下的生殖分化情况。

进一步地，所述传动杆下端固定有传动弹簧，通过传动弹簧与孔板盖接触。传动弹簧一方面可以为传动杆的传动提供一个缓冲作用，增强加载头加载的柔性；另一方面，可以通过传动弹簧被压缩的长度以及该弹簧自身的弹性系数控制加载头加载力的大小。

进一步地，所述传动杆下端固定有传动板，通过传动板与孔板盖接触。传动板的设置增大了传动杆与孔板盖之间的接触面积，传动更稳定牢靠。

本发明的有益效果：

本发明提供的装置能模拟口腔的咀嚼运动，细胞培养孔中培养的细胞受到的力学刺激近似口腔中牙周膜及牙槽骨所受的力学刺激。该装置利用体外模拟易于控制的特点，便于模拟研究口腔内牙周组织的细胞在咀嚼力作用下的增殖分化情况，可以模拟研究不同大小的咀嚼力以及不同咀嚼频率下的牙周膜细胞增殖分化情况。

附图说明

图1是加载单元与培养单元的结构示意图；

图2是加载头与培养孔的一种结构示意图（开放式加载）；

图3是加载头与培养孔的一种结构示意图（封闭式加载）；

图4是传动杆通过传动弹簧与孔板盖接触；

图5是传动杆通过传动板与孔板盖接触；

图6是传动杆传动的一种原理示意图。

其中，1、孔板；2、孔板盖；3、细胞培养孔；4、加载头；5、传动杆；6、复位弹簧；7、导向杆；8、螺母；9、三维培养支架；10、密封垫；11、传动弹簧；12、传动板；13、传动杆导轨；14、液体培养基质；15、电机输出轴；16、支架。

具体实施方式

下面结合具体实施例详细说明本发明的技术方案。

如图1所示的一种模拟口腔咀嚼力学环境的细胞培养装置，包括细胞培养单元、加载单元和驱动单元。所述细胞培养单元包括一个或多个细胞培养孔3，细胞培养孔3设在孔板1上。所述加载单元包括一个或多个加载头4，加载头4设在孔板盖2上，并与孔板1上的细胞培养孔3对应。所述驱动单元包括沿孔板盖2垂直方向做往复运动的传动杆5，传动杆5的一端与孔板盖2直接或间接接触（如图4和5所示）。所述孔板1和孔板盖2之间设有用于使加载头4复位的复位弹簧6，加载头4在传动杆5和复位弹簧6的作用下沿细胞培养孔3做上下往复运动。

为了使孔板盖2的上下往复运动不出现偏移，所述孔板1与孔板盖2之间设有多个导向杆7，复位弹簧6套在导向杆7上，孔板盖2沿导向杆7做上下往复运动，如图1所示。设置导向杆7，可以使得孔板盖2沿着导向杆7做上下往复运动，不容易出现运动偏移，更易于控制。

为了便于调节孔板盖2与孔板1之间的最大距离，所述导向杆7近孔板盖2的一端设有螺纹，并安装有配套的用于调节孔板盖2与孔板1之间最大距离的螺母8。通过调节螺母8，可以根据需要调节孔板盖2与孔板1之间的最大距离，灵活性高。

为了提高孔板盖2的利用率，同时为了便于选择更换不同形状和类型的加载头4，所述加载头4可拆卸地安装在孔板盖2上。加载头可以根据试验需要设计成不同的形状，可以根据试验需要选择安装或更换不同形状的加载头，试验灵活性高。具体地，所述加载头4可以通过螺纹连接可拆卸地安装在孔板盖2。螺纹连接一方面容易更换，另一方便连接较为牢固，可以使得加载头4牢固的安装在孔板盖2上。

需要对固体培养基或者对三维培养支架加载时，所述加载头4的外径小于细胞培养孔3的内径，加载头4在传动杆5和复位弹簧6的作用下沿细胞培养孔3做开放式的上下往复运动。开放式的上下往复运动就是指加载头4与细胞培养孔3之间不密封。具体如图2所示，细胞培养孔中设有多孔结构的三维培养支架9，三维培养支架9上设有与加载头4形状契合的加载孔，加载头4在传动杆和复位弹簧的作用下对三维培养支架9上的加载孔做开放式的上下往复运动。多孔结构的三维培养支架9中有培养基，细胞生长在培养基中，加载头通过在三维培养支架的加载孔中加载-复位，能模拟口腔咀嚼的力学环境，便于观察三维培养支架中的细胞在该力学环境中的生殖分化情况。

需要对液体培养基质加载时，如图3所示，加载头4外壁设有柔性材质的密封垫10，加载头4通过密封垫10与细胞培养孔内壁紧密接触，加载头4在传动杆和复位弹簧的作用下沿细胞培养孔做封闭式的上下往复运动。封闭式的上下往复运动就是指加载头4与细胞培养孔3之间密封。当加载头4加载时，封闭的腔室内产生压力（模拟加载力），可以模拟研究液体培养基质中的细胞在该压力下的生殖分化情况。

如图4所示，传动杆5下端可以固定有传动弹簧11，通过传动弹簧11与孔板盖2接触。传动弹簧11一方面可以为传动杆5的传动提供一个缓冲作用，增强加载头4加载的柔性；另一方面，可以通过传动弹簧11被压缩的长度以及该弹簧自身的弹性系数控制加载头加载力的大小，方便研究不同加载力下的细胞增殖分化情况。

如图5所示，传动杆5下端可以固定有传动板12，通过传动板12与孔板盖2接触。传动板12的设置增大了传动杆5与孔板盖2之间的接触面积，传动更稳定牢靠。

图6为传动杆的一种工作原理示意图，图中的传动杆5为一个三连杆结构，三连杆结构的一端固定在电机输出轴15上，另一端穿过传动杆导轨13随着电机输出轴15的转动做上下往复运动。电机和传动杆导轨13固定在支架16上。为了便于调节加载频率，所述电机可以连接有用于控制电机开关及转速的调速器，所述调速器可以采用直流有刷马达电机脉宽调制调速器。

本发明的一个实例中，采用实验室常用的多孔板（如48孔板）和EP管作为实验素材，EP管穿过多孔板的盖子模拟加载头，并对应于培养孔。多孔板与盖子的四个角处分别设有4个弹簧，使用图6所示的传动机构加载多孔板的盖子。EP管在传动机构与弹簧的作用下做上下往复运动。培养孔中有三维培养支架和细胞培养液，细胞生长在其中，观察细胞在加载力作用下的生殖分化情况。

本发明提供的装置能模拟口腔的咀嚼运动，细胞培养孔中培养的细胞受到的力学刺激近似口腔中牙周膜及牙槽骨所受的力学刺激。该装置利用体外模拟易于控制的特点，便于模拟研究口腔内牙周组织的细胞在咀嚼力作用下的增殖分化情况，可以模拟研究不同大小的咀嚼力以及不同咀嚼频率下的牙周膜细胞增殖分化情况。

上述实施例的作用在于说明本发明的实质性内容，但并不以此限定本发明的保护范围。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和保护范围。

Claims (7)

1.一种模拟口腔咀嚼力学环境的细胞培养装置，其特征在于：包括细胞培养单元、加载单元和驱动单元；所述细胞培养单元包括一个或多个设在孔板上的细胞培养孔；所述加载单元包括一个或多个设在孔板盖上的加载头，并与孔板上的细胞培养孔对应；所述驱动单元包括沿孔板盖垂直方向做往复运动的传动杆，传动杆的一端与孔板盖直接或间接接触；所述孔板和孔板盖之间设有用于使加载头复位的复位弹簧，加载头在传动杆和复位弹簧的作用下沿细胞培养孔做上下往复运动；其中：

所述加载头的外径小于细胞培养孔的内径，细胞培养孔中设有多孔结构的三维培养支架，三维培养支架上设有与加载头形状契合的加载孔，加载头在传动杆和复位弹簧的作用下对三维培养支架上的加载孔做开放式的上下往复运动；

或所述加载头外壁设有柔性材质的密封垫，加载头通过密封垫与细胞培养孔内壁紧密接触，加载头在传动杆和复位弹簧的作用下沿细胞培养孔做封闭式的上下往复运动。

2.根据权利要求1所述的模拟口腔咀嚼力学环境的细胞培养装置，其特征在于：所述孔板与孔板盖之间设有多个导向杆，复位弹簧套在导向杆上，孔板盖沿导向杆做上下往复运动。

3.根据权利要求2所述的模拟口腔咀嚼力学环境的细胞培养装置，其特征在于：所述导向杆近孔板盖的一端设有螺纹，并安装有配套的用于调节孔板盖与孔板之间最大距离的螺母。

4.根据权利要求1所述的模拟口腔咀嚼力学环境的细胞培养装置，其特征在于：所述加载头可拆卸地安装在孔板盖上。

5.根据权利要求4所述的模拟口腔咀嚼力学环境的细胞培养装置，其特征在于：所述加载头通过螺纹连接可拆卸地安装在孔板盖。

6.根据权利要求1所述的模拟口腔咀嚼力学环境的细胞培养装置，其特征在于：所述传动杆下端固定有传动弹簧，通过传动弹簧与孔板盖接触。

7.根据权利要求1所述的模拟口腔咀嚼力学环境的细胞培养装置，其特征在于：所述传动杆下端固定有传动板，通过传动板与孔板盖接触。