CN108467837B - 一种可视多通道流体剪切力细胞培养装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于生物医学领域，公开了一种可视多通道流体剪切力细胞培养装置及其方法,提供了一种实现多培养片进行流体剪切力刺激下培养细胞、并可以实验时不打开腔体进行观察细胞，并可重复使用，确保工程重复性的细胞培养装置及其方法；由流体剪切力细胞培养腔、循环系统压力调节器，阻尼器、泵、储液室与管路组成，并由计算机控制系统控制；以竖直放置的流体剪切力细胞培养腔利用重力作用液体上漫基本在同一高度，同时利用中心供液的方式实现流体剪切力大小工程重复性，并可实现显微镜观察，方便体外流体剪切力细胞培养实验的研究。

Description

一种可视多通道流体剪切力细胞培养装置及其方法
技术领域
本发明属于生物医学工程领域，公开了一种可视多通道流体剪切力细胞培养装置及其方法,提供了一种在体外模拟人体生理或者非生理环境下对培养片上细胞进行流体剪切力刺激下培养的实验装置及技术方案。
背景技术
目前流体剪切力刺激细胞进行动态培养已经有很多方法，但是往往是单片培养片的细胞培养量不够或者流体剪切力加载的精度不够。
在多培养片同时进行培养时，又难以在不打开培养腔的前提下对细胞形态，状态进行观察。
发明内容
为了实现解决上述问题，我们发明了带有可多片培养片同时进行培养的，竖直放置的，带有视窗观察的，由中心供液的流体剪切力细胞培养腔的流体循环培养装置。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种可视多通道流体剪切力细胞培养装置，其包含带有视窗的多通道流体剪切力细胞培养腔，并接入可以调节压力变化和流量变化的流体循环系统；所述可以调节压力变化和流量变化的流体循环系统除了所述细胞培养腔外，还包含有用于调节流体循环系统内压力变化的循环系统压力调节器及实现流体循环系统内流量供给变化的泵，配合所述循环系统压力调节器实现压力调节的阻尼调节器及储液用的储液室及连接整个环路的管路，由所述泵通过所述管路从所述储液室内吸取液体，然后向所述流体循环系统供液，流经所述细胞培养腔施加在所述培养腔内的培养片上的细胞流体剪切力作用，最后所述流体循环系统内的液体回流到储液室内；由计算机系统对压力传感器数据的采集以及对所述泵、所述循环系统压力调节器的控制实现上述所述功能，并放置在CO2培养箱中或者使培养液能够在类似所述CO2培养箱的拥有恒温装置及5%二氧化碳的环境之中进行培养。
进一步的,所述泵可以根据需要控制所述流体循环系统内的流量按时间变化的控制，在流体循环系统环路内形成各种流量模式的供给，流量供给模式包括恒定值流量、脉冲式流量、正弦波流量、心脏泵血式流量及各种不同的流量模式，进而实现对细胞培养腔内的培养片施加低于生理流量至高于生理流量形成的刺激，同时泵与流体循环系统内的液体接触部分有专用的弹性隔离件，实现流体循环系统内的液体不会通过泵与泵的隔离件之外的件发生接触,所述弹性隔离件与流体循环系统内液体接触部分不会与其它固体件形成接触运动，所述弹性隔离件材料可以耐医用高温高压灭菌处理;泵的流量范围0-2000ml/min。
进一步的,所述循环系统压力调节器是由压力室、压力空间大小调节器、压力传感器、气压调节器组成；所述压力传感器可由所述计算机控制系统进行数据采集；压力空间大小调节器、气压调节器由计算机控制系统进行控制调节，也可由人工进行压力调节，调节方式可以是改变压力室空间大小，也可以是改变压力室内气体压力大小，或者两种同时进行调节，压力室内的培养液液面高于培养液进出口高度，所述的循环系统压力调节器实现 压力调节范围在0-300mmHg。
进一步的,所述的带有视窗的多通道流体剪切力细胞培养腔由主体，外围件，上下密封件、上盖、下盖、接头、支撑块组成;所述主体以周边面上制作出用于层流的流动槽及培养片放置空间，所述流动槽宽度5毫米到30毫米，长度30到10毫米之间，流动槽的高度0 .05到1mm之间；所述主体竖直放置，利用液体上漫原理，同样高度液面上升速度接近一致，向流动槽培养片施加流体剪切力，主体由外围件包围，上下由所述密封件密封，当上下盖挤压密封件，密封件同时对培养片形成挤压，使得所述培养片与主体上的层流的流道槽一面完全贴合,使得流体剪切力大小的重复性更高；同时在所述上下盖的中心连通接头，接入流体循环系统，配合上面所述的液体上漫原来，使得从接口处流进的液体形成的流体剪切力在细胞培养片上作用效果相同；所述外围件由外围主体、视窗支持、视窗组成, 所述外围件上有视窗，视窗固定在视窗支持上，从而使得流动腔在使用过程中，可以不打开流动腔体，就能用显微镜观察培养片上的细胞形态；整个细胞培养腔可进行高温高压灭菌，可同时进行的培养的培养片数量1-12片。
进一步的 ,所述培养片厚度在0 .1-1mm之间，培养片的尺寸长度：18到100毫米，宽 度18到40毫米，长宽比范围：1到4倍；的培养片放置空间的高度根据培养片的厚度制作，并 略高度培养片的高度，不超过10%；所述培养片的材料是玻璃类或者非金属透明材料。
进一步的,所述阻尼调节器可以实现循环管路通径的变化，模拟毛细血管的作用，并且可以实现微调，从而配合实现循环系统压力调节器调节系统内压力的变化。
进一步的,所述储液室可以实现储液的作用，用于液体回流存储及加药等。
本发明还提供了可视多通道流体剪切力细胞培养装置的使用方法，包括如下步骤： （1）对所述带有视窗的多通道流体剪切力细胞培养腔、所述流体循环系统、所述循环系统压力调节器，与培养液接触的部分进行灭菌消毒； （2）准备好实验用培养片； （3）将所述可视多通道流体剪切力细胞培养装置的所有组成件放置于生物安全柜内进 行组装与连接，形成环路，连接好血管变形调节器，连接完成后检测所述整个装置确保培养 液不泄漏；（4）启动流体循环系统，观察压力传感器值，调节循环系统压力调节器，把流体循环系 统的压力值调整到目标压力值，设定流体剪切力目标值，设定参数； （5）设定好运行时间，启动所述可视多通道流体剪切力细胞培养持装置，即可进行流体 剪切力细胞培养; （6）培养过程中，可以暂停泵，停止流体剪切力加载，然后进行显微镜观察，在使用过程 中查看细胞状态。
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 .本发明实现了可培养多量细胞的流体剪切力装置；
2.本发明实现了实验时可视窗观察细胞的实验装置；
3.本发明实现了模拟生理状态下或者非生理状态下流体剪切力细胞培养装置；
4.本发明提高了流体剪切力的工程重复性及流体剪切力加载的自身精度；
因此本发明提供了一种可视多通道流体剪切力细胞培养装置及其方法。
附图说明
图1为本发明实施例的系统图；
图2为本发明实施例中多通道可视流体剪切力培养腔结构图；
图3为本发明实施例中多通道可视流体剪切力培养腔剖视图1；
图4为本发明实施例中多通道可视流体剪切力培养腔剖视图2；
图5为本发明实施例中循环系统压力调节器图；
图6为本发明实施例中泵的示意图； 图中，1-可视多通道流体剪切力细胞培养腔，1-1-主体，1-2 外围件，1-2-1外围主体、1- 2-2-视窗支持、1-2-3-视窗、1-3-密封件、1-4-上盖、1-5-下盖、1-6-接头、1-7-支撑块、1-8 密封件；2-循环系统压力调节器，2-1-压力室，2-2-压力室空间调节器，2-3-压力传感器，2- 4-气压调节器；3-CO2培养箱，4-泵、4-1-出口单向阀、4-2-进口单向阀、4-3-泵腔、4-4-弹性 隔离膜、4-5-柱塞推杆、4-6-密封件，5-阻尼调节器，6-储液室，7-计算机控制系统，8-管路； A-显微镜，B-流动层流槽，C-培养片,D-培养片放置空间。
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“固定在”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。本文所使用的术语“上”、“下”、“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
一种可视多通道流体剪切力细胞培养装置，包含带有视窗的多通道流体剪切力细胞培养腔(1)，并接入可以调节压力变化和流量变化的流体循环系统；所述可以调节压力变化和流量变化的流体循环系统除了所述细胞培养腔(1)外，还包含有用于调节流体循环系统内压力变化的循环系统压力调节器（2）及实现流体循环系统内流量供给变化的泵(4)，配合所述循环系统压力调节器（2）实现压力调节的阻尼调节器（5）及储液用的储液室（6）及连接整个环路的管路（8），由泵（4）通过所述管路（8）从所述储液室（6）内吸取液体，然后向所述流体循环系统供液，流经所述细胞培养腔（1）施加在细胞培养腔（1）内的培养片（C）上的细胞流体剪切力作用，最后所述流体循环系统内的液体回流到储液室内；由计算机系统对压力传感器（2-3）数据的采集及对泵（4）、循环系统压力调节器（2）的控制实现上述所述功能，并放置在CO2培养箱（3）中或者使培养液能够在类似所述CO2培养箱（3）的拥有恒温装置及5%二氧化碳的环境之中进行培养。
进一步的 ,泵(4)由进口单向阀（4-2），出口单向阀（4-1），泵体（4-3），隔离膜（4-4），柱塞推杆（4-5）、密封件（4-6）组成；由于单向阀的培养，在柱塞推杆（4-5）远离隔离膜时（4-4）进口侧会向储液室（6）吸液，在柱塞推杆（4-5）接近隔离膜（1-4）时，会向流体循环系统输送液体；因此可以根据需要控制柱塞推杆的在往复方向上按时间变化的控制，则会在流体循环系统环路内形成各种流量模式的供给，流量供给模式包括恒定值流量、脉冲式流量、正弦波流量、心脏泵血式流量及各种不同的流量模式，进而实现对细胞培养腔内培养片上的细胞施加低于生理流量至高于生理流量形成的刺激；同时泵与流体循环系统内的液体接触部分有专用的弹性隔离件，实现流体循环系统内的液体不会通过泵（4）与泵的隔离件（4-4）之外的件发生接触；同时与流体循环系统内液体接触部分不会与其它固体件形成接触运动，弹性隔离件（4-4）材料可以耐医用高温高压灭菌处理的弹性材料；泵（4）的流量范围0-2000ml/min。
进一步的 ,循环系统压力调节器(2)是由压力室(2-1)、压力空间大小调节器(2-2)、压力传感器(2-3)、气压调节器(2-4)组成；压力传感器(2-3)可由计算机控制系统(7)进行数据采集，压力空间大小调节器(2-2)、气压调节器(2-4)由计算机控制系统(7)进行控制调节，也可由人工进行压力调节，调节方式可以是改变压力室空间大小，也可以是改变压力室内气体压力大小，或者两种同时进行调节，循环系统压力调节器(2)实现压力调节范围在0-300mmHg，压力室内的培养液D液面高于培养液进出口高度。
进一步的，所述的带有视窗的多通道流体剪切力细胞培养腔（1）由主体（1-1），外围件（1-2），上下密封件（1-3）、上盖（1-4）、下盖（1-5）、接头（1-6）、支撑块（1-7）组成;主体（1-1）以周边面上制作出用于层流的流动槽（B）及培养片放置空间(D)，所述流动槽宽度5毫米到30毫米，长度30到10毫米之间，流动槽（B）的高度0 .05到1mm之间；所述主体竖直放置，利用液体上漫原理，同样高度液面上升速度接近一致，向流动槽培养片施加流体剪切力，主体（1-1）由外围件包围，上下由密封件（1-3）密封，当上下盖（1-4）、（1-5）挤压密封件（1-3），密封件（1-3）同时对培养片（C）形成挤压，使得所述培养片(C)与主体(1-1)上的层流的流道槽(B)一面完全贴合,使得流体剪切力大小的重复性更高；同时在所述上下盖(1-4)、(1-5)的中心连通接头，接入流体循环系统，配合上面所述的液体上漫原来，使得从接口处流进的液体形成的流体剪切力在细胞培养片上作用效果相同；所述外围件（1-2）由外围主体（1-2-1）、 视窗支持（1-2-2）、视窗（1-2-3）组成, 外围件（1-2）上有视窗（1-2-3），视窗（1-2-3）固定在视窗支持 （1-2-2）上，从而使得流动腔在使用过程中，可以不打开流动腔体，就能用显微镜观察培养片 上的细胞形态；整个细胞培养腔可进行高温高压灭菌，可同时进行的培养的培养片(C)数量 1-12片。
进一步的，所述培养片（1）厚度在0 .1-1mm之间，培养片的尺寸长度：18到100毫米， 宽度18到40毫米，长宽比范围：1到4倍；的培养片放置空间（D）的高度根据培养片的厚度制作，并略高于培养片的高度，不超过10%；所述培养片的材料是玻璃类或者非金属透明材料。
进一步的 ,阻尼调节器（5）可以实现循环管路通径的变化，模拟毛细血管的作用，并且可以实现微调，从而配合实现循环系统压力调节器（2）调节系统内压力的变化。
进一步的,储液室（6）可以实现储液的作用，用于液体回流存储及加药等。
本发明还提供了可视多通道流体剪切力细胞培养装置的使用方法，包括如下步骤： （1）对所述带有视窗的多通道流体剪切力细胞培养腔、所述流体循环系统、所述循环系统压力调节器，与培养液接触的部分进行灭菌消毒； （2）准备好实验用培养片； （3）将所述可视多通道流体剪切力细胞培养装置的所有组成件放置于生物安全柜内进 行组装与连接，形成环路，连接好血管变形调节器，连接完成后检测所述整个装置确保培养液不泄漏；（4）启动流体循环系统，观察压力传感器值，调节循环系统压力调节器，把流体循环系 统的压力值调整到目标压力值，设定流体剪切力目标值，设定参数； （5）设定好运行时间，启动所述可视多通道流体剪切力细胞培养持装置，即可进行流体 剪切力细胞培养; (6)培养过程中，可以暂停泵，停止流体剪切力加载，然后进行显微镜观察，在使用过程 中查看细胞状态。
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 (6)

1.一种可视多通道流体剪切力细胞培养装置，其特征在于包含带有视窗的多通道流体剪切力细胞培养腔，并接入可以调节压力变化和流量变化的流体循环系统；所述可以调节压力变化和流量变化的流体循环系统除了所述细胞培养腔外，还包含有用于调节流体循环系统内压力变化的循环系统压力调节器及实现流体循环系统内流量供给变化的泵，配合所述循环系统压力调节器实现压力调节的阻尼调节器及储液用的储液室及连接整个环路的管路，由所述泵通过所述管路从所述储液室内吸取液体，然后向所述流体循环系统供液，流经所述细胞培养腔施加在所述培养腔内的培养片上的细胞流体剪切力作用，最后所述流体循环系统内的液体回流到储液室内；由计算机系统对压力传感器数据的采集及对所述 泵、所述循环系统压力调节器的控制实现上述功能，并放置在CO2培养箱中或者使培养 液能够在类似所述CO2培养箱的拥有恒温装置及5%二氧化碳的环境之中进行培养；所述带有视窗的多通道流体剪切力细胞培养腔由主体，外围件，上下密封件、上盖、下盖、接头、支撑块组成;所述主体以周边面上制作出用于层流的流动槽及培养片放置空间，所述流动槽宽度5毫米到30毫米，长度30到10毫米之间，流动槽的高度0 .05到1mm之间；所述主体竖直放置，利用液体上漫原理，同样高度液面上升速度接近一致，向流动槽培养片施加流体剪切力，主体有外围件包围，上下由所述密封件密封，当上下盖挤压密封件，密封件同时对培养片形成挤压，使得所述培养片与主体上的层流的流道槽一面完全贴合,使得流体剪切力大 小的重复性更高；同时在所述上下盖的中心连通接头，接入流体循环系统，配合上面所述的 液体上漫原来，使得从接口处流进的液体形成的流体剪切力在细胞培养片上作用效果相 同；所述外围件由外围主体、视窗支持、视窗组成, 所述外围件上有视窗，视窗固定在视窗 支持上，从而使得流动腔在使用过程中，可以不打开流动腔体，就能用显微镜观察培养片上的细胞形态；整个细胞培养腔可进行高温高压灭菌，可同时进行的培养的培养片数量1-12 片；所述阻尼调节器可以实现循环管路通径的变化，模拟毛细血管的作用，并且可以实现微调，从而配合实现循环系统压力调节器调节系统内压力的变化。
2.根据权利要求1所述一种可视多通道流体剪切力细胞培养装置，其特征在于所述泵可以根据需要控制所述流体循环系统内的流量按时间变化的控制，在流体循环系统环路内形成各种流量模式的供给，流量供给模式包括恒定值流量、脉冲式流量、正弦波流量、心脏泵血式流量模式，进而实现对细胞培养腔内的培养片施加低于生理流量至高于生理流量形成的刺激，同时泵与流体循环系统内的液体接触部分有专用的弹性隔离件，实现流体循环系统内的液体不会通过泵与泵的隔离件之外的件发生接触,所述弹性 隔离件与流体循环系统内液体接触部分不会与其它固体件形成接触运动，所述弹性隔离件材料可以耐医用高温高压灭菌处理;泵的流量范围0-2000ml/min。
3.根据权利要求1所述一种可视多通道流体剪切力细胞培养装置，其特征在于所述循环系统压力调节器是由压力室、压力空间大小调节器、压力传感器、气压调节器组成；所述压力传感器可由所述计算机控制系统进行数据采集；压力空间大小调节器、气压调节器由计算机控制系统进行控制调节，也可由人工进行压力调节，调节方式可以是改变压力室空间大小，也可以是改变压力室内气体压力大小，或者两种同时进行调节，压力室内的培养液的液面高于培养液进出口高度，所述的循环系统压力调节器实现压力调节范围在0-300mmHg。
4.根据权利要求1所述一种可视多通道流体剪切力细胞培养装置，其特征在于所述培养片厚度在0 .1-1mm之间，培养片的尺寸长度：18到100毫米，宽度18到40毫米，长宽比范围：1到4倍；培养片放置空间的高度根据培养片的厚度制作，并略高于培养片的高度，不超过培养片总长度的10%；所述培养片的材料是玻璃类或者非金属透明材料。
5.根据权利要求1所述一种可视多通道流体剪切力细胞培养装置，其特征在于所述储液室可以实现储液的作用，用于液体回流存储及加药。
6.一种权利要求1-5任一项所述的可视多通道流体剪切力细胞培养装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）对所述带有视窗的多通道流体剪切力细胞培养腔、所述流体循环系统、所述循环系统压力调节器，与培养液接触的部分进行灭菌消毒；（2）准备好实验用培养片；（3）将所述可视多通道流体剪切力细胞培养装置的所有组成件放置于生物安全柜内进行组装与连接，形成环路，连接好血管变形调节器，连接完成后检测所述整个装置确保培养 液不泄漏；（4）启动流体循环系统，观察压力传感器值，调节循环系统压力调节器，把流体循环系统的压力值调整到目标压力值，设定流体剪切力目标值，设定参数；（5）设定好运行时间，启动所述可视多通道流体剪切力细胞培养持装置，即可进行流体剪切力细胞培养;（6）培养过程中，可以暂停泵，停止流体剪切力加载，然后进行显微镜观察，在使用过程中查看细胞状态。
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