CN108130274A - 一种在压力与单一方向应变关联作用下的细胞培养装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在压力与单一方向应变关联作用下的细胞培养装置及方法，属于细胞培养技术领域。所述细胞培养装置包括密封腔、弹性培养腔和运动发生器，弹性培养腔设于密封腔内，且一端固定于密封腔上，另一端与运动发生器上的联动驱动杆的一端连接；运动发生器的另一端连接有一压力驱动腔，联动驱动杆的另一端设于压力驱动腔内；运动发生器还连接有一运动驱动器；压力驱动腔连接有相连接的压力调整装置和压力补偿装置，压力补偿装置的另一侧与密封腔连接，且压力补偿装置还与运动驱动器连接；弹性培养腔与一储液瓶连接。本发明实现了自由进行压力与应变之间的顺利关联，覆盖了可能的压力与应变关系下协同刺激的细胞培养。

Description

一种在压力与单一方向应变关联作用下的细胞培养装置及其 方法

技术领域

本发明涉及细胞培养技术领域，具体涉及一种在压力与单一方向应变关联作用下的细胞培养装置及方法。

背景技术

人体内细胞受到的力的作用往往不是单一的，例如在血管内，其受到三种力的作用，血液流动时，血管内皮细胞受到血流的剪切力作用，同时在动脉环境中，由于血管内流经液体量的变化，血管有适应的变化，形成舒展和收缩，而血管的舒张和收缩，与血管内血管压力是相关的，而血管压力又与血管的舒张和收缩有关，当血管舒张和收缩时，形成了血管的应变，从而作用于血管细胞。单一的生物力学刺激细胞作用的装置难以实现两种力同时作用下的细胞应激效果，而真实的生理环境往往没有单一的力学环境作用，单一的力作用也很难尽可能的把受力刺激作用的基因表达出来，因此尽可能的模拟真实细胞在人体内的受力环境，对于发现基因与受力之间相关性有着非同寻常的作用。

由于单一的一种力对细胞的作用和两种力同时按目标要求对细胞进行相关力的作用结果是不同的。现有的装置实现了细胞承受压力与应变相关的作用，很难把压力与应变之间的关系很好的实现相关可调，从而难以真正获得需要的生理环境的模拟。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种在压力与单一方向应变关联作用下的细胞培养装置及方法，本装置实现了单一方向上应变与压力直接的关联作用。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种在压力与单一方向应变关联作用下的细胞培养装置，包括密封腔、弹性培养腔和运动发生器，所述弹性培养腔设于所述密封腔内，且所述弹性培养腔的一端固定于所述密封腔上，所述弹性培养腔的另一端与所述运动发生器上的联动驱动杆的一端连接；所述运动发生器的另一端还连接有一压力驱动腔，所述联动驱动杆的另一端设于所述压力驱动腔内；所述运动发生器连接有一运动驱动器，所述运动驱动器与所述联动驱动杆连接(电连接或机械连接)；所述压力驱动腔还连接有一压力调整装置和压力补偿装置，所述压力补偿装置的一侧与所述压力调整装置连接，所述压力补偿装置的另一侧与所述密封腔连接，所述压力补偿装置还与所述运动驱动器连接，通过所述运动驱动器驱动调节；所述密封腔、压力驱动腔、压力调整装置的内腔和压力补偿装置的内腔形成一密封环路；所述密封环路上还装设有一用于检测密封环路内气压值的压力传感器；

所述弹性培养腔内放置有培养液，所述弹性培养腔与一储液瓶连接，所述弹性培养腔与所述储液瓶通过进液管与出液管的连接形成循环回路；所述压力传感器、压力调整装置、压力补偿装置、运动驱动器均与外置的计算机系统连接。

进一步地，所述弹性培养腔为顶部开口的可储放液体的槽，所述弹性培养腔的底部设有可种植细胞的弹性培养膜，所述弹性培养膜的材料为具有弹性的生物相融性材料，所述弹性培养腔的两侧面均设有弹性材料，所述弹性材料的应变范围为0～50％。

进一步地，所述弹性培养腔两端的端块均为刚性体材料，所述刚性体材料为不锈钢、钛合金、硬质塑料或橡胶无毒材料。

进一步地，所述运动驱动器通过液压、气压、螺杆拖动或马达驱动的方式驱动所述运动发生器和压力补偿装置。

进一步地，所述储液瓶的上端还设有一过滤器，所述过滤器固定于一插入所述储液瓶中的管道上。

进一步地，所述密封腔为由上盖和与所述上盖适配的下盖组成的密封腔。

进一步地，所述弹性培养腔通过出液蠕动泵及与所述出液蠕动泵连接的出液管与所述储液瓶连接，所述储液瓶通过进液蠕动泵及与所述进液蠕动泵连接的进液管与所述弹性培养腔连接，所述弹性培养腔、出液蠕动泵、出液管、储液瓶、进液蠕动泵和进液管形成循环回路，所述出液蠕动泵和进液蠕动泵均与所述计算机系统连接。

进一步地，所述出液蠕动泵的出液管通过第一专用接头通入所述储油瓶内，所述进液蠕动泵的进液管通过第二专用接头接入所述弹性培养腔的培养液液面以下。

进一步地，所述弹性培养腔的压力在0～0.5MKPa范围内，所述弹性培养腔的应变范围值为0～50％。

本发明细胞培养装置放置在恒温环境与适合的CO₂和O₂环境的培养箱中。

本发明还提供了一种上述的在压力与单一方向应变关联作用下的细胞培养装置的培养方法，包括如下步骤：

(1)对弹性培养腔进行灭菌消毒，在所述弹性培养腔的底部种植内皮细胞；

(2)往弹性培养腔倒入培养液，使内皮细胞与培养液接触，对所述弹性培养腔与密封环路的连接处进行灭菌后烘干；

(3)将所述细胞培养装置的所有组成设备放置于生物安全柜内进行组装与连接，形成环路，连接完成后检测所述细胞培养装置中压力传感器的压力值，确保培养液不泄漏；

(4)在联动驱动杆对所述弹性培养腔进行拉伸前，由计算机实现自动程序控制或手动调整目标压力；将所述压力调整装置调整至自身腔内的最大空间位置，将压力补偿装置调整至自身空腔的中间空间位置；密封整个所述环路，调整压力调整装置压缩其空腔空间，使得气压传感器的气压值显示到期望的低压值时停止；

(5)通过所述联动驱动杆和运动发生器对弹性培养腔进行拉伸，拉伸到目标最大拉伸值后停下；调整压力补偿装置的压缩空间行程，当达到目标压力值时确定压力补偿装置的运动限位；

(6)设定好时间，运行所述细胞培养装置，即可进行细胞培养。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：

1.本发明实现了自由进行压力与应变之间的顺利关联，覆盖了可能的压力与应变关系下协同刺激的细胞培养。在0～0.5MKPa的压力范围内，弹性培养腔的培养膜应变在0～50％范围内；本发明可实现相关的生理范围内的压力与应变的相关性。

2.本发明使得弹性培养腔上种植的细胞很好地模拟了生理环境下的细胞所承受的压力及压力状态下同时受到的生理应变；且本发明可以模拟血管内皮细胞受到的压力及牵张力的作用，也可以模拟中医按摩状态下的作用研究。

3.本发明可以以工程的高重复性的方式对弹性培养腔上种植的细胞进行压力及应变两种生物力学的刺激研究，实现生理非生理状态，普通状态和极端状态下的细胞、组织的研究。

4.本发明使得种植有细胞的弹性培养膜或者组织按照期望的方式实现拉伸与复位的同时实现弹性膜或组织所在环境的压力的变化，这种压力的变化是把将弹性培养膜的拉伸与复位运动关联起来的方式实现的，即通过压缩气体空间大小的方式实现这种具体的关联，实现压力与弹性膜或组织的应变之间的联动关系，且这种关联关系可以无极的调整应变与压力之间的对应关系。

附图说明

图1为本发明实施例的结构框图；

图2为本发明实施例中弹性培养腔的主视图；

图3为本发明实施例中弹性培养腔的俯视图；

图4为本发明实施例中密封腔与弹性培养腔的组合示意图；

图5为本发明实施例中运动发生器与压力驱动腔的结构示意图；

图6为本发明实施例中压力调节装置的结构示意图；

图7为本发明实施例中压力补偿装置的结构示意图；

图8为本发明实施例中储液瓶的结构示意图。

图中，1-密封腔，1-1-上盖，1-2-下盖，1-3-第一专用接头、1-4-第二专用接头，2-弹性培养腔，2-1-底部，2-2-侧面，2-3-端块，3-运动发生器，3-1-联动驱动杆，3-2-行程范围限位机构，4-压力驱动腔，5-密封环路，6-压力传感器，7-压力调整装置，7-1-第一气压空间调节机构，8-压力补偿装置，8-2-第二气压空间调节机构，9-培养液循环回路，10-进液蠕动泵，11-出液蠕动泵，12-储液瓶，12-1-过滤器，13-计算机控制线路，14-运动驱动器，15-计算机控制系统，16-运动控制线路，17-培养箱；

C-细胞，X-培养液液面，A1-液压(气压)联动通路进口，A2-第一大气联通口，B1-第二大气联通口，B2-密封环路连接口，C1-第一密封环路进气口，C2-第一密封环路出气口，C3-第三大气联通口，D1-第二密封环路进气口、D2-第二密封环路出气口，D3-第四大气联通口，S1-驱动空间，S2-第一气压空间，S3-第二气压空间，S4-第三气压空间。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例

如图1-图8，一种在压力与单一方向应变关联作用下的细胞培养装置，包括密封腔1、弹性培养腔2和运动发生器3。本实施例中，密封腔1由上盖1-1和与上盖1-1适配的下盖1-2组成，当然其他实施例中也可采用其他形式的密封腔。弹性培养腔2设于密封腔1内，且弹性培养腔2的一端固定于密封腔1上，另一端与运动发生器3上的联动驱动杆3-1的一端连接。本实施例中联动驱动杆3-1为T形。本发明中密封腔1可以实现密封，运动发生器3通过联动驱动杆3-1与弹性培养腔2进行固定，以对密封腔1内的弹性培养腔进行拉伸，但不影响密封腔1的密封。运动发生器3的另一端连接有一压力驱动腔4，联动驱动杆3-1的另一端设于压力驱动腔4内。运动发生器3还连接有一运动驱动器14，运动驱动器14与联动驱动杆3-1连接(可以电连接或机械连接)。运动发生器3由运动驱动器14实现联动驱动杆3-1的往复运动控制，从而实现压力驱动腔4内的第一气压空间S2大小的变化，进而形成密封环路5内气压的变化。本发明中的联动驱动杆3-1用于进行运动行程范围的调整或限制，其可以独立控制调整行程范围，也可以由运动驱动器14控制行程范围，调整范围在于弹性培养腔2的应变范围值0～50％。运动发生器3由运动驱动器14实现联动驱动杆3-1的往复运动控制，从而实现压力驱动腔4内的第一气压空间S2大小的变化，进而形成密封环路内气压的变化。运动发生器3可以使用液压、气压、螺杆或者其它驱动方式由运动驱动器14进行各种往复运动方式的驱动。本实施例中优选为液压驱动方式。

压力驱动腔4还连接有一压力调整装置7和压力补偿装置8，压力补偿装置8的一侧与压力调整装置7连接，压力补偿装置8的另一侧与密封腔1连接，同时，压力补偿装置8还与运动驱动器14连接，压力补偿装置8与运动驱动器14之间形成运动控制线路16，通过运动驱动器14和运动控制线路16驱动调节压力补偿装置8中压力的大小。密封腔1、压力驱动腔4、压力调整装置7的内腔和压力补偿装置8的内腔形成一密封环路5。

本发明中压力驱动腔4在进行调压时，当密封环路5密封好之后，由运动发生器3的联动驱动杆3-1根据运动驱动器14的控制进行着协同运动，使压力驱动腔4内的第一气压空间S2与联通的密封环路5实现气压的变化。密封环路5上还装设有一压力传感器6，用于检测密封环路5内的气压值，并由计算机系统15采集监控。压力调整装置7在初始进行调压时，当密封环路密封好之后，根据需要调整压力调整装置7的第二气压空间S3，来达到密封环路初始的压力值，并可固定下来，在仪器运行时，这个固定下来的空间不再变化。本发明中压力补偿装置8可以通过运动驱动器14控制压力补偿装置8的第三气压空间S4的变化范围，使得当压力驱动腔4满行程时，由压力补偿装置8的气压同时达到目标气压。

本发明实施例中，弹性培养腔2内放置有培养液，弹性培养腔2通过出液蠕动泵11及与出液蠕动泵11连接的出液管(图中未示出)与储液瓶12连接，储液瓶12通过进液蠕动泵10及与进液蠕动泵10连接的进液管(图中未示出)与弹性培养腔2连接，弹性培养腔2、出液蠕动泵11、出液管、储液瓶12、进液蠕动泵10和进液管形成培养液循环回路9，从而使得弹性培养腔2内的培养液与储液瓶12内的培养液进行循环，但不影响密封环路内的气压变化，本发明整套装置有专门的计算机控制系统15实现协调控制。且出液蠕动泵11的出液管通过第一专用接头1-3通入储油瓶12内，进液蠕动泵10的进液管通过第二专用接头1-4接入弹性培养腔2的培养液液面X(以下。本发明中，压力传感器6、压力调整装置7、压力补偿装置8、运动驱动器14、出液蠕动泵11和进液蠕动泵10均通过计算机控制路线13与外置的计算机系统15连接，通过计算机控制系统15实现协调控制。

进一步地，本实施例中弹性培养腔2(如图2和图3)为顶部开口、四周及底部密封的可储放液体的槽，弹性培养腔2的底部2-1设有可种植细胞C的弹性培养膜，弹性培养膜的材料为具有弹性的生物相融性材料，弹性培养腔内的两侧面2-2均设有弹性材料，该弹性材料的应变范围为0～50％。即对弹性培养腔2在拉伸应变0～50％范围内可完全弹性变形，弹性材料可形成对弹性培养腔2的腔体形状的支撑作用。且弹性培养腔2两端的端块2-3均为刚性体材料，该刚性体材料可以为不锈钢、钛合金、硬质塑料或橡胶无毒材料。本实施例中优选为不锈钢材料。本实施例中，弹性培养腔2的压力在0～0.5MKPa范围内，弹性培养腔2的应变范围值为0～50％。

进一步地，运动驱动器14可通过液压、气压、螺杆拖动或马达驱动中的任一种方式驱动运动发生器3和压力补偿装置8，本实施例中优选为通过液压驱动，通过液压的方式可实现运动发生器3和压力补偿装置8的无极变速和调节。

进一步地，本实施例中，如图5，运动发生器3上开设有液压(气压)联动通路进口A1和第一大气联通口A2，以实现运动发生器3内的驱动空间S1中气体的进入等，还设有行程范围限位机构3-2，且联动驱动杆3-1穿过行程范围限位机构3-2，利用行程范围限位机构3-2对联动驱动杆3-1进行限位。压力驱动腔4上开设有第二大气联通口B1和密封环路连接口B2，以实现压力驱动腔4内的第一气压空间S2中气压的调节。

进一步地，本实施例中，如图6，压力调节装置7上开设有第一密封环路进气口C1、第一密封环路出气口C2和第三大气联通口C3，其中第一密封环路进气口C1、第一密封环路出气口C2位于压力调节装置7的下端，第三大气联通口C3位于压力调节装置7的上端。第一密封环路进气口C1与压力驱动腔4通过管路连接，第一密封环路出气口C2与压力补偿装置8的第二密封环路进气口D1连接。压力调节装置7上还设有第一气压空间调节机构7-1，用于对压力调节装置7中的第二气压空间S3中的气压的调节。

同理，如图7，压力补偿装置8上开设有第二密封环路进气口D1、第二密封环路出气口D2和第四大气联通口D3，其中第二密封环路进气口D1和第二密封环路出气口D2位于压力补偿装置8的下端，第四大气联通口D3位于压力补偿装置8的上端。第二密封环路进气口D1第一密封环路出气口C2通过管路连接，第二密封环路出气口D2与密封腔1通过管路连接。压力补偿装置8上还设有第二气压空间调节机构8-1，用于对压力调节装置8中的第三气压空间S4中的气压的调节。第一大气联通口A2、第二大气联通口B1、第三大气联通口C3和第四大气联通口D3均可与外界的大气压连通。

进一步地，本实施例中储液瓶12的上端还设有一过滤器12-1，过滤器12-1固定于一插入储液瓶12中的管道(图中未示出)上且固定于储液瓶12的瓶口上方(如图8)，使储液瓶12与外界进行换气时，外界的气体首先经过过滤器12-1将灰尘等过滤掉，防止外界气体中的污染物进入储液瓶12。

本发明细胞培养装置放置在恒温环境与适合的CO₂和O₂环境的培养箱17中。

本发明一种上述的在压力与单一方向应变关联作用下的细胞培养装置的培养方法，包括如下步骤：

(1)对弹性培养腔2进行灭菌消毒，在弹性培养腔2的底部种植内皮细胞C；

(2)往弹性培养腔2倒入培养液，使内皮细胞与培养液接触，对弹性培养腔2与密封环路的连接处进行灭菌后烘干；

(3)将细胞培养装置的所有组成设备放置于生物安全柜内按上述连接关系(即图1中各设备的连接关系)进行组装与连接，形成环路，连接完成后检测所述细胞培养装置中压力传感器6的压力值，确保培养液不泄漏；

(4)在联动驱动杆3-1对弹性培养腔2进行拉伸前，整个空间环路与大气连通，手动调整联动驱动杆3-1的行程范围以调整目标压力；将压力调整装置7调整至自身腔内的最大空间位置，将压力补偿装置8调整至自身空腔的中间空间位置；密封整个所述环路，再调整压力调整装置7压缩其空腔空间，使得压力传感器6的气压值显示到期望的低压值时停止；

(5)通过联动驱动杆3-1和运动发生器3对弹性培养腔2进行拉伸，拉伸到目标最大拉伸值后停下，观察当前压力值，此时的压力值应该小于目标压力值；调整压力补偿装置8的压缩空间行程，当达到目标压力值时确定压力补偿装置8的运动限位；

(6)设定好时间，运行所述细胞培养装置，即可进行细胞培养。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (10)

1.一种在压力与单一方向应变关联作用下的细胞培养装置，其特征在于，包括密封腔、弹性培养腔和运动发生器，所述弹性培养腔设于所述密封腔内，且所述弹性培养腔的一端固定于所述密封腔上，所述弹性培养腔的另一端与所述运动发生器上的联动驱动杆的一端连接；所述运动发生器的另一端连接有一压力驱动腔，所述联动驱动杆的另一端设于所述压力驱动腔内；所述运动发生器还连接有一运动驱动器，所述运动驱动器与所述联动驱动杆连接；所述压力驱动腔还连接有一压力调整装置和压力补偿装置，所述压力补偿装置的一侧与所述压力调整装置连接，所述压力补偿装置的另一侧与所述密封腔连接，所述压力补偿装置还与所述运动驱动器连接，通过所述运动驱动器驱动调节；所述密封腔、压力驱动腔、压力调整装置的内腔和压力补偿装置的内腔形成一密封环路；所述密封环路上还装设有一用于检测密封环路内气压值的压力传感器；

所述弹性培养腔内放置有培养液，所述弹性培养腔与一储液瓶连接，所述弹性培养腔与所述储液瓶通过进液管与出液管的连接形成循环回路；所述压力传感器、压力调整装置、压力补偿装置、运动驱动器均与外置的计算机系统连接。

2.根据权利要求1所述的在压力与单一方向应变关联作用下的细胞培养装置，其特征在于，所述弹性培养腔为顶部开口的可储放液体的槽，所述弹性培养腔的底部设有可种植细胞的弹性培养膜，所述弹性培养膜的材料为具有弹性的生物相融性材料，所述弹性培养腔的两侧面均设有弹性材料，所述弹性材料的应变范围为0～50％。

3.根据权利要求1所述的在压力与单一方向应变关联作用下的细胞培养装置，其特征在于，所述弹性培养腔两端的端块均为刚性体材料，所述刚性体材料为不锈钢、钛合金、硬质塑料或橡胶无毒材料。

4.根据权利要求1所述的在压力与单一方向应变关联作用下的细胞培养装置，其特征在于，所述运动驱动器通过液压、气压、螺杆拖动或马达的方式驱动所述运动发生器和压力补偿装置。

5.根据权利要求1所述的在压力与单一方向应变关联作用下的细胞培养装置，其特征在于，所述储液瓶的上端还设有一过滤器，所述过滤器固定于一插入所述储液瓶中的管道上。

6.根据权利要求1所述的在压力与单一方向应变关联作用下的细胞培养装置，其特征在于，所述密封腔为由上盖和与所述上盖适配的下盖组成的密封腔。

7.根据权利要求1所述的在压力与单一方向应变关联作用下的细胞培养装置，其特征在于，所述弹性培养腔通过出液蠕动泵及与所述出液蠕动泵连接的出液管与所述储液瓶连接，所述储液瓶通过进液蠕动泵及与所述进液蠕动泵连接的进液管与所述弹性培养腔连接，所述弹性培养腔、出液蠕动泵、出液管、储液瓶、进液蠕动泵和进液管形成循环回路，所述出液蠕动泵和进液蠕动泵均与所述计算机系统连接。

8.根据权利要求7所述的在压力与单一方向应变关联作用下的细胞培养装置，其特征在于，所述出液蠕动泵的出液管通过第一专用接头通入所述储油瓶内，所述进液蠕动泵的进液管通过第二专用接头接入所述弹性培养腔的培养液液面以下。

9.根据权利要求1所述的在压力与单一方向应变关联作用下的细胞培养装置，其特征在于，所述弹性培养腔的压力在0～0.5MKPa范围内，所述弹性培养腔的应变范围值为0～50％。

10.一种权利要求1-9任一项所述的在压力与单一方向应变关联作用下的细胞培养装置的培养方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)对弹性培养腔进行灭菌消毒，在所述弹性培养腔的底部种植内皮细胞；

(2)往弹性培养腔倒入培养液，使内皮细胞与培养液接触，对所述弹性培养腔与密封环路的连接处进行灭菌后烘干；

(3)将所述细胞培养装置的所有组成设备放置于生物安全柜内进行组装与连接，形成环路，连接完成后检测所述细胞培养装置中压力传感器的压力值，确保培养液不泄漏；

(4)在联动驱动杆对所述弹性培养腔进行拉伸前，由计算机实现自动程序控制或手动调整目标压力；将所述压力调整装置调整至自身腔内的最大空间位置，将压力补偿装置调整至自身空腔的中间空间位置；密封整个所述环路，调整压力调整装置压缩其空腔空间，使得气压传感器的气压值显示到期望的低压值时停止；

(5)通过所述联动驱动杆和运动发生器对弹性培养腔进行拉伸，拉伸到目标最大拉伸值后停下；调整压力补偿装置的压缩空间行程，当达到目标压力值时确定压力补偿装置的运动限位；

(6)设定好时间，运行所述细胞培养装置，即可进行细胞培养。