CN105543092B - 动态非接触式细胞力学刺激加载装置 - Google Patents

动态非接触式细胞力学刺激加载装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种动态非接触式细胞力学刺激加载装置，在培养腔的腔壁内开有若干管道连通循环水浴；培养腔固定在箱体内，箱体内填充隔热材料；空气压缩机和CO2罐的输出有气体流量计进行配比控制后输入培养腔内；培养腔内放置若干增湿皿，用湿度测量仪检测培养腔内的湿度；两个相同的旋转盘在电机驱动下围绕同一垂直转轴旋转，每个旋转盘上均安装有永磁体，两个旋转盘之间安装有载物台，载物台上放置实验对象，载物台固定不旋转。本发明能够实现多种动态非接触式力学刺激加载方式，对细胞施加空间非接触挤压式、周期渐变式、多方位均匀式多种形式的力学刺激作用，并为其构建了一个体外细胞培养环境。

Description

动态非接触式细胞力学刺激加载装置
技术领域
本发明属于生物力学领域，涉及一种细胞力学刺激加载装置。
背景技术
生物体内的细胞无时无刻不受到力学刺激的作用，打球时骨骼运动对细胞产生拉伸、收缩、扭转等作用，吃饭时消化道的蠕动、体液流动造成的剪切力作用等。作为生命的基本单元，细胞仅靠一层薄而软的细胞膜作为对外界的屏障，细胞内的细胞骨架及细胞内基质为其提供一定的力学支撑作用，在不同的力学环境下，细胞的生长、增殖、分化等生命活动都受到重要影响。Altman GH等人研究发现，单独对三维培养条件下的细胞施加张应变可以诱导骨髓间充质干细胞向韧带样细胞分化；早期研究者还研究了流体对白细胞变形、刚度以及伪足生成和粘附的影响。
对细胞的力学刺激方式包括接触式力学刺激和非接触式力学刺激。接触式力学刺激方式是指直接接触细胞后对细胞产生力学刺激作用，如拉伸力、压缩力、流体剪切力、摩擦力等。从细胞培养的方式来看主要包括两个方面：一种是二维培养条件下的力学刺激，主要是利用弹性膜的弹性作用对培养在膜上面的细胞施加力学刺激作用；另一种是三维培养条件下的力学刺激，包括固定形变的力学刺激，即给细胞培养支架施加一定的力使其产生形变，在固定的应变条件下培养细胞，此外还有利用丝杠、连杆、压电陶瓷片等机构对细胞培养支架施加往复拉伸压缩力学刺激等。
非接触式力学刺激是指在不接触细胞的情况下对细胞施加力学刺激，包括电场力、磁场力等。磁场力下的细胞研究包括永磁场和电磁场下的静磁场力研究，目前尚且缺乏动态磁场力下的细胞培养研究，然而生物体所处环境复杂多变，在动态磁场力下细胞的生长、分化、增殖等生理过程会发生一系列的变化，静态下的研究已经不能满足科研的需要。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种动态非接触式细胞力学刺激加载装置，能够实现多种动态非接触式力学刺激加载方式，对细胞施加空间非接触挤压式、周期渐变式、多方位均匀式多种形式的力学刺激作用，并为其构建了一个体外细胞培养环境。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括培养腔、箱体、空气压缩机、CO2罐、气体流量计、增湿皿、永磁体、旋转盘和电机。
所述的培养腔是带有可开启腔盖的密闭腔体，腔壁内开有若干管道连通循环水浴；培养腔固定在箱体内，箱体内填充隔热材料；空气压缩机和CO2罐的输出有气体流量计进行配比控制后输入培养腔内；培养腔内放置若干增湿皿，用湿度测量仪检测培养腔内的湿度；两个相同的旋转盘在电机驱动下围绕同一垂直转轴旋转，每个旋转盘上均安装有永磁体，两个旋转盘之间安装有载物台，载物台上放置实验对象，载物台固定不旋转。
所述空气压缩机输出的空气与CO2罐内输出的CO2分别经由气体流量计控制流速后混合，在混合气体输出端用CO2测量仪检测输出CO2的浓度，反馈调节气体流量计流量，直至CO2浓度为所需浓度。
所述的永磁体包括但不限于钕铁硼、钐钴、铝镍钴、天然磁石和铜镍铁磁体。
所述的两个旋转盘间距能够调整。
所述的两个旋转盘上相对的永磁体的极性关系为N-N、N-S或S-S。
所述的永磁体形状包括但不限于圆柱形和空心圆柱形；所述的圆柱形永磁体安装于长方体旋转盘的两端；所述的空心圆柱形永磁体安装在圆柱形旋转盘内，永磁体与旋转盘同轴。
所述旋转盘的转轴为导磁材料，两个旋转盘相背一侧均安装有导磁板。
所述的培养腔内还安装了与永磁体相同形状尺寸但未充磁的金属，并用与永磁体相同的方式安装于同样的旋转盘内，作为原有实验组的对照组；实验组和对照组的转轴在电机的驱动下采用同步带实现同步转动；所述的实验组与对照组之间用隔磁板隔开。
本发明的有益效果是：
本发明采用永磁体，具有成本低、结构简单的优势，与电磁体相比，永磁体在充磁后能永久保持磁性，不需要耗能，且没有额外热量产生。
本发明提供了多种新的动态非接触力学刺激环境，可为细胞施加空间非接触挤压式、周期渐变式、多方位均匀式多种形式的力学刺激作用。
本发明的实验组和对照组在同一个腔体内，除磁场环境外的其他外界条件相同。
本发明可用于研究动态非接触力学刺激对多种细胞或生物的不同生理过程的影响。
附图说明
图1是动态非接触式细胞力学刺激加载装置整体图；
图2是箱体及其内部构造示意图；
图3是转盘与传动系统示意图；
图4是圆柱形磁体与旋转盘的装配图；
图5是空心圆柱形磁体与旋转盘的装配图；
图中，1—循环水浴；2—转速控制器；3—箱体；4—流量计；5—二氧化碳罐；6—空压机；7—通气孔；8—腔盖；9—培养腔；10—旋转盘；11—隔磁板；12—转轴；13—导磁板；14—载物台；15—电机；16—同步带；17—永磁体；18—间距调节孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明提供一种动态非接触式细胞力学刺激加载装置，由动态非接触式力学刺激体系和模拟细胞体内生长环境组成。在一个密闭腔体内用旋转的永磁体为细胞构造非接触式细胞力学刺激加载环境，并模拟人体内细胞生长环境，在密闭腔体内构造一个类似于细胞培养箱的细胞培养空间。密闭腔体内温度、湿度及气体环境等可调。
上述密闭腔体外建造箱体，箱体内填满隔热材料，如泡沫。腔壁内挖有若干水槽，水槽与外部循环水浴接通以控制腔体内的温度，温度在0℃至100℃可调，箱体内的隔热材料为腔体保温。
上述培养腔内CO2气体环境由气体流量计将压缩空气与CO2配比而成。由空压机输出的空气与CO2罐内输出的CO2分别经由气体流量计控制流速后混合在一起，在混合气体输出端用CO2测量仪检测输出CO2的浓度，调节流量计流量至CO2浓度为所需浓度后由箱盖与腔盖上的通气孔通入腔体内，腔体内CO2的浓度在0％至100％之间可调。
上述培养腔内的湿度由若干增湿小皿控制，用湿度测量仪检测腔体内湿度，腔体内湿度最高可达到99％。
上述永磁体可选用但不限于钕铁硼、钐钴、铝镍钴、天然磁石、铜镍铁磁体。
上述磁体安装于旋转盘内，两旋转盘由转轴固定在一起，上下两旋转盘内均安装有磁体，两转盘之间安装有载物台，实验对象放置于载物台上，载物台通过培养腔内的固定架固定，不随转盘一起转动。
上述两旋转盘间距可调，即磁体间间距可调，两相对的磁体极性可以是以下三种：N-N、N-S和S-S。磁体形状包括圆柱形磁体和空心圆柱形磁体，并设计了相对应的旋转盘。
上述圆柱形磁体安装于长方体旋转盘的两端，当旋转盘静止时，可以给放置在载物台上的细胞施加恒定的非接触力，且当磁体安装方式为N-N时，放置于两磁体正中位置的细胞受到的是两个大小相同方向相反的挤压力；当旋转盘旋转时，放置于载物台上的细胞受到的是周期渐变式非接触力。
上述空心圆柱形磁体的配套旋转盘为圆柱形，磁体镶嵌于圆柱形旋转盘内，磁体与旋转盘同轴心，旋转轴安装于轴心处。当旋转盘旋转时，放置于载物台上的细胞受到的是周期旋转的恒定非接触力。
上述旋转盘的连接转轴为导磁材料，转盘的一端安装有导磁板，导磁板、转轴、磁体以及磁体间的空气层构成磁路，主要磁降发生在上下磁体间的空气层内。
上述培养腔内除了可以旋转的磁体外还并排安装了与磁体相同形状尺寸但未充磁的同材质金属，并用与磁体相同的方式安装于同样的旋转盘内，用于做对照试验。实验组与对照组的转轴用电机和同步带实现同步转动，转速可调，实验组与对照组之间用隔磁板隔开。
上述旋转盘与转轴可从培养腔内拆卸，方便安装不同形状的磁体和旋转盘，以构建不同的非接触力学刺激环境。
上述电机可选用但不限于直流电机、交流电机、同步电机、异步电机、伺服电机、步进电机。
图1是本发明的整体装置示意图。空气管与二氧化碳气管分别流经气体流量计4后通过三通进入混合气管，混合气管内气体通过腔盖8上的通气孔7流入培养腔9内，在混合气管的末端连接二氧化碳浓度测量仪，调节气体流量计调控混合气管内的气体二氧化碳浓度。循环水浴1通过箱体3后的孔与腔壁内的水槽相通。
图2是箱体及箱体内的外观图。箱壁与腔壁之间填满保温材料，隔磁板11将腔体9分成了实验组和对照组两个实验区间，实验组的旋转盘10内安装永磁体17，对照组的旋转盘内安装与磁体相同形状大小的同材质金属。为构建不同形式的非接触力学刺激环境，永磁体的形状设计了空心心圆柱和圆柱两种，并设计了相对应的旋转盘10。
图3展示了装置内的传动系统。电机15与转速控制器2相连，通过转速控制器调节转盘10的转速，用同步带16使腔体内所有转盘的转速达到同步。样品放置于载物台14上，在腔体内安装有固定支架，固定支架将载物台呈于上下两块磁体之间，载物台不随旋转盘旋转。
图4与图5展示了两种不同的磁体形状及磁体与旋转盘之间的安装。磁体安装于旋转盘之内，磁体间间距通过转轴12上的内六角孔槽(即间距调节孔18)用内六角扳手调节。
图4是圆柱形磁体与其配套旋转盘之间的装配图，当旋转盘10静止时，可以给放置在载物台14上的细胞施加恒定的非接触力，且当磁体安装方式为N-N时，放置于两磁体正中位置的细胞受到的是两个大小相同方向相反的挤压力；当旋转盘旋转时，放置于载物台14上的细胞受到的是周期渐变式非接触力。
图5是空心圆柱形磁体与其配套旋转盘之间的装配图。当旋转盘旋转时，放置于载物台14上的细胞受到的是周期旋转的恒定非接触力。
在本发明装置中进行细胞培养的具体操作方法如下：
第一步：装置的清洗与消毒。丙酮清洗培养腔及箱身的污渍，后用一蒸水擦洗，再用95％酒精擦洗，最后用紫外灯照射。
第二步：装置参数调试。CO2测试仪连接混合气体出口，调节CO2及空气流量计的流速至CO2浓度为5％；在培养腔的角落放入加满水的增湿小皿。
第三步：实验器材准备。准备吸管、培养皿、烧杯、离心管、枪头等细胞培养用器材，并对不同的器材采取相应的灭菌方式进行灭菌消毒。
第四步：细胞培养液配置。针对选用的细胞以及培养目的选择相应的细胞培养液配方配置细胞培养液，并进行灭菌消毒，或选用商业细胞培养液。
第五步：细胞接种。在培养皿中加入适量细胞培养液并接种适度密度的细胞。
第六步：细胞培养。将接种细胞的培养皿放置于载物台上，调节循环水浴的温度为37℃，根据实验设计，调节转速控制器到需要的转速。
第七步：细胞观察。定期给细胞换液并观察细胞生长状况等。
上述操作方法是本装置的通用操作方法，针对不同细胞的培养要求也可做相应的改变。同时可调换不同的旋转盘以及选取不同的旋转速度和调节磁体间间距对细胞施加不同方式和不同大小的非接触力。

Claims (5)

1.一种动态非接触式细胞力学刺激加载装置，包括培养腔、箱体、空气压缩机、CO2罐、气体流量计、增湿皿、永磁体、旋转盘和电机，其特征在于：所述的培养腔是带有可开启腔盖的密闭腔体，腔壁内开有若干管道连通循环水浴；培养腔固定在箱体内，箱体内填充隔热材料；空气压缩机和CO2罐的输出有气体流量计进行配比控制后输入培养腔内；培养腔内放置若干增湿皿，用湿度测量仪检测培养腔内的湿度；两个相同的旋转盘在电机驱动下围绕同一垂直转轴旋转，每个旋转盘上均安装有永磁体，两个旋转盘之间安装有载物台，载物台上放置实验对象，载物台固定不旋转；所述的永磁体形状包括但不限于圆柱形和空心圆柱形；所述的圆柱形永磁体安装于长方体旋转盘的两端；所述的空心圆柱形永磁体安装在圆柱形旋转盘内，永磁体与旋转盘同轴；所述旋转盘的转轴为导磁材料，两个旋转盘相背一侧均安装有导磁板；所述的培养腔内还安装了与永磁体相同形状尺寸但未充磁的金属，并用与永磁体相同的方式安装于同样的旋转盘内，作为原有实验组的对照组；实验组和对照组的转轴在电机的驱动下采用同步带实现同步转动；所述的实验组与对照组之间用隔磁板隔开。
2.根据权利要求1所述的动态非接触式细胞力学刺激加载装置，其特征在于：所述空气压缩机输出的空气与CO2罐内输出的CO2分别经由气体流量计控制流速后混合，在混合气体输出端用CO2测量仪检测输出CO2的浓度，反馈调节气体流量计流量，直至CO2浓度为所需浓度。
3.根据权利要求1所述的动态非接触式细胞力学刺激加载装置，其特征在于：所述的永磁体包括但不限于钕铁硼、钐钴、铝镍钴、天然磁石和铜镍铁磁体。
4.根据权利要求1所述的动态非接触式细胞力学刺激加载装置，其特征在于：所述的两个旋转盘间距能够调整。
5.根据权利要求1所述的动态非接触式细胞力学刺激加载装置，其特征在于：所述的两个旋转盘上相对的永磁体的极性关系为N-N、N-S或S-S。
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