CN109735448A - 一种细胞体外流体剪切力刺激培养装置及其方法 - Google Patents

Abstract

为了使细胞在培养液内的循环培养，实现更接近人体的方式进行模拟，同时避免使培养对细胞的损伤，特别是培养液中的细胞的损伤，我们发明了此细胞体外流体剪切力刺激培养装置及其方法，利用气压泵稳定的气体量的输出对两个培养液管进行供气，使其利用单向阀的布置，形成培养液的循环，供气的切换，实现了高效，多种流体循环模式，对细胞无损伤的循环装置及其方法。

Description

一种细胞体外流体剪切力刺激培养装置及其方法

技术领域

本发明属于人体细胞体外培养领域，公开了一种培养液循环的细胞体外流体剪切力刺激培养装置及其方法,提供了一种在体外模拟血流环境对细胞刺激下的细胞培养方法，实现了干净清洁、无损伤的利用了气压加载实现培养液循环下的细胞体外流体剪切力刺激的培养装置及其方法。

背景技术

人体内譬如内皮细胞受到血流形成的剪切力的作用之后细胞会发生变化，为了进行相关研究，已经发明了各类血流模拟循环装置；同时为了更模拟人体内的各种血流环境，进而发明了各种流动模式的切换方法；然而在实践中发现，如果在培养液中放置悬浮的细胞，有因为使用了不合适的泵导致了细胞的死亡，有因为使用了对于流动管道的挤压导致了细胞的死亡。人体内的血液循环是依靠心脏的泵血，同时依靠了心脏瓣膜的作用，从而实现了血液在人体内的循环。

在细胞循环实验中，泵本身的是否干净也是非常关键的。

发明内容

为了能更好的在体外实现模拟血流环境下的细胞培养，我们发明了此细胞体外流体剪切力刺激培养装置及其方法；本装置实现了在体外尽量的模拟了体内血液循环的方式，避免了对培养液循环管道的挤压，利用血流自身的压力进行血液循环，同时利用单向阀模拟心脏瓣膜的效果，由于气压加载的压力是模拟了血压的作用，因此单向阀处单向阀关闭时对于细胞的作用是细胞能够耐受的压力，因此可以认为是对培养内的细胞是无损伤的；进而实现了对于细胞进行流体剪切力刺激培养。

本发明一种细胞体外流体剪切力刺激培养装置包括供气装置、培养液流动装置、平行平板流动培养腔及计算机控制系统组成；所述供气装置包括气压泵、干燥瓶、电控阀、过滤器、连接管路；所述供气装置实现2个供气口,所述2个供气端口进行交替供气，同时在交替时，不供气的供气端口连接大气；所述培养液流动装置由4个单向阀、2个培养液管、若干管路及培养液管固定支架组成。

进一步的，所述供气装置中所述气压泵为能输送稳定气体量的泵，同时气体流经部分的泵体或管路容易拆卸并进行灭菌处理，例：蠕动泵，所述泵可实现的流量0-1000ml/min；所述干燥瓶内装干燥剂，干燥剂本身或者吸湿后都无粉尘及颗粒物且本身无毒生物可接触，例如氧化铝；所述电控阀通过挤压通道软管的方式，实现切换气压泵输出的气体输向不同的通路A或者通路B，并且能够实现当向一个口向外输送压力气体时，另一个口与大气连接。

进一步的，所述培养液流动装置，通过所述4个单向阀、2个培养液管及若干管路组成，配合所述供气装置的供气方式，可以实现培养液流体的单一方向流动、单一方向的间歇式流动、往复方向流动；当供气装置向一个培养液管进行供气时，另一个培养液管的供气口与大气连接，设定好供气口切换的时间，所述供气口切换时间小于培养液管内培养液全部流出的时间即可。

进一步的，所述的培养液流体的单一方向流动，2个所述的培养液管的出液口处各连接一个单向阀正向连接后，一同接入所述平行平板流动腔的进液端口；2个所述的培养液管的培养液回流口处各连接一个单向阀反向连接后，一同连接所述平行平板流动腔的出液端口，切换供气口压缩气体对培养液管内培养液的作用，实现平行平板流动腔内培养液的单一方向的流动，对平行平板流动腔内培养的细胞施加单一方向的流体剪切力刺激。

进一步的，所述培养液流体的单一方向的间歇式流动，通过控制所述泵的启动和停止实现间歇式流动，所述培养液流动装置与所述的培养液液体的单一方向流动的所有连接方式相同。

进一步的，所述培养液流体的往复方向流动，2个所述的培养液管的出液口各自串联两个单向阀，第2个单向阀接培养液管自己的回流口，单向阀正向连接，一个培养液管在所配的2个单向阀中间的连接管路断开后一同接入所述平行平板流动腔的进液端口；另外一个所述的培养液管在所配的2个单向阀中间的连接管路断开口后一同连接所述平行平板流动腔的出液端口；配合切换供气口压缩气体对培养液管内培养液的作用，实现平行平板流动腔内培养液的往复运动，对平行平板流动腔内培养的细胞施加恒定往复的流体剪切力刺激。

进一步的，所述培养液流动装置中的培养液管固定支架用于固定所述培养液管放置在同一高度；所述培养液管内的培养液在静止状态下无须两个培养液管内的液面高度相同，当一个培养液管内的培养液在完全流向管路时，另一个培养液管内不能达到全满。

进一步的，所述平行平板流动腔水平放置；所述一种细胞体外流体剪切力刺激培养装置运行时与所述培养液管相对位置固定。

进一步的，为了保障培养的气体环境和温度环境，可以把所述培养液流动装置及所述平行平板流动培养腔放入恒温装置中；为保证5%浓度CO2，把所述气压泵的进气口连5%浓度CO2的气体环境中。

进一步的，本发明还提供了细胞体外流体剪切力刺激培养装置的使用方法，包括如下步骤：

1.对细胞体外流体剪切力刺激培养装置中气体管路、培养液流动装置、平行平板流动培养腔都进行消毒灭菌；

2.根据实验目的按照培养液流体的单一方向流动、单一方向的间歇式流动、往复方向流动的模式进行连接培养液流动装置，利用泵驱动气体对培养液管的输送形成对培养液的推动，根据单向阀的不同布置实现培养液的循环运动，同时实现对平行平板流动实验腔内的细胞的作用；

3.把培养液加到一个培养液管内，开启所述电控阀在对于的放入培养液的管中，使供气装置供气使培养液进入培养液流动装置、平行平板流动培养腔；

4.根据需要加载的流体剪切力,在计算机控制系统中进行设置需要的流体剪切力；

5.连接好供气装置的进气口,所述进气口连通5%浓度二氧化碳气体.并把培养液流动装置、平行平板流动培养腔放置在恒温环境中；

6.启动所述细胞体外流体剪切力刺激培养装置进行实验。

本发明的有益效果如下

本发明实现了简化供气装置，并使得从泵的进气口开始的每一个环节，除了使用一次性耗材以外都能够轻易的实现高温高压灭菌消毒，从而保证了细胞培养被污染的可能性大大降低了，也降低了泵的清洁成本；

本发明实现了一种对于细胞没有因为过大挤压而造成伤害的细胞培养方式；

本发明实现了通过简单的变化管路及单向阀的布置方式，利用相同的气压供给方式就实现了多种流体模式的作用；

本发明实现了非常少的培养液进行循环运行满足细胞培养的需求，可以实现细胞分泌物的收集；

本发明实现了培养液能够无差别的进行循环是指循环液的循环实现了在运行过程中对培养充分的混匀,供给时都不是只是同一部分的培养液在对细胞进行刺激；

本发明实现了流体的单一方向流动、单一方向的间歇式流动、往复方向流动的方法使的培养液能够无差别的进行循环同时对平行平板流动腔内的细胞进行刺激和培养。

因此本发明提供了一种细胞体外流体剪切力刺激培养装置及其方法。

附图说明

图1.基于本发明的一种细胞体外流体剪切力刺激培养装置示意图。

图2.培养液单一方向流及培养液单一方向间歇流状态1示意图。

图3.培养液单一方向流及培养液单一方向间歇流示状态2意图。

图4.培养液往复方向流状态1示意图。

图5.培养液往复方向流状态2示意图。

图6.电控阀挤压软管通道通路状态示意图。

图7.电控阀挤压软管通道关闭状态示意图。

图8.电控阀两种状态原理图。

附图编号:

供气装置(1)、培养液流动装置(2)、平行平板流动培养腔(3)、计算机控制系统(4);

气压泵(1-1)、干燥瓶(1-2)、电控阀(1-3)、过滤器(1-8)、连接管路(1-5)；供气端口(A)、供气端口(B)；培养液管A(2-1)、培养液管B(2-2)、单向阀(2-3)、培养液管固定支架(2-3)、供气装置输出气压（p1）、外部大气压(p0)、电控阀对软管的闭合状态（C）、电控阀对软管的闭合状态（O）、夹（1-3-1）。

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，并非用以限定本发明的专利申请范围；基于本发明中的实施例，凡本发明所提示的方法及技术方案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。

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

一种细胞体外流体剪切力刺激培养装置包括供气装置(1)、培养液流动装置(2)、平行平板流动培养腔(3)及计算机控制系统(4)组成；所述供气装置(1)包括气压泵(1-1)、干燥瓶(1-2)、电控阀(1-3)、过滤器(1-4)、连接管路(1-5)；所述供气装置(1)实现2个供气口,所述2个供气端口:供气端口(A)、供气端口(B)进行交替供气，同时在交替时，不供气的供气端口连接大气；所述培养液流动装置(2)由4个单向阀(2-2)、2个培养液管(2-1)、若干管路及培养液管固定支架(2-3)组成。

进一步的，所述气压泵为能输送稳定气体量的泵，同时气体流经部分的泵体或管路容易拆卸并进行灭菌处理，例：蠕动泵；所述泵可实现的流量0-3000ml/min的供气，根据培养液循环的需求调整泵的供气；所述干燥瓶（1-2）内装干燥剂，干燥剂本身或者吸湿后都无粉尘及颗粒物且本身无毒生物可接触，例如氧化铝；所述电控阀通过挤压通道软管的方式，实现切换气压泵输出的气体输向不同的通路A或者通路B，并且能够实现当向一个口向外输送压力气体时，另一个口与大气连接。

进一步的，所述培养液流动装置（2），通过所述4个单向阀（2-3）、2个培养液管（培养液管A(2-1)、培养液管B(2-2)）及若干管路组成，配合所述供气装置(1)的供气方式，可以实现培养液流体的单一方向流动、单一方向的间歇式流动、往复方向流动；当供气装置向培养液管A进行供气时，培养液管B的供气口与大气连接，设定好供气口切换的时间，所述供气口切换时间小于培养液管内内容全部流出的时间即可。

进一步的，所述的培养液流体的单一方向流动，2个所述的培养液管（培养液管A(2-1)、培养液管B(2-2)）的出液口处各连接一个单向阀(2-3)正向后一同接入所述平行平板流动腔(3)的进液端口，2个所述的培养液管（培养液管A(2-1)、培养液管B(2-2)）的培养液回流口处各连接一个单向阀(2-3)反向连接后一同连接所述平行平板流动腔(3)的出液端口，切换供气口压缩气体对培养液管内培养液的作用，实现平行平板流动腔(3)内培养液的单一方向的流动，对平行平板流动腔内培养的细胞施加单一方向的流体剪切力刺激。

进一步的，所述培养液流体的单一方向的间歇式流动，通过控制所述泵（1-1）的启动和停止实现间歇式流动，所述培养液流动装置（2）与所述的培养液液体的单一方向流动的所有连接方式相同。

进一步的，所述培养液流体的往复方向流动，2个所述的培养液管的出液口各自串联两个单向阀，第2个单向阀接培养液管自己的回流口，单向阀正向连接，一个培养液管在所配的2个单向阀中间的连接管路断开后一同接入所述平行平板流动腔的进液端口；另外一个所述的培养液管在所配的2个单向阀中间的连接管路断开口后一同连接所述平行平板流动腔的出液端口；配合切换供气口压缩气体对培养液管内培养液的作用，实现平行平板流动腔内培养液的往复运动，对平行平板流动腔内培养的细胞施加恒定往复的流体剪切力刺激。

进一步的，所述培养液流动装置(2)中的培养液管固定支架(2-4)用于固定所述培养液管放置在同一高度；所述培养液管内的培养液在静止状态下无须两个培养液管内的液面高度相同，当一个培养液管内的培养液在完全流向管路时，另一个培养液管内不能达到全满。

进一步的，所述平行平板流动腔(3)水平放置；所述一种细胞体外流体剪切力刺激培养装置运行时与所述培养液管相对位置固定。

进一步的，为了保障培养的气体环境和温度环境，把所述培养液流动装置及所述平行平板流动培养腔放入恒温装置中；为保证5%浓度CO2，把所述气压泵的进气口连5%浓度CO2的气体环境中。

进一步的，根据本发明实例还提供了细胞体外流体剪切力刺激培养装置的使用方法，包括如下步骤：

1.对细胞体外流体剪切力刺激培养装置中气体管路、培养液流动装置、平行平板流动培养腔都进行消毒灭菌；

2.根据实验目的按照培养液流体的单一方向流动、单一方向的间歇式流动、往复方向流动的模式进行连接培养液流动装置，利用泵驱动气体对培养液管的输送形成对培养液的推动，根据单向阀的不同布置实现培养液的循环运动，同时实现对平行平板流动实验腔内的细胞的作用；

3.把培养液加到一个培养液管内，开启所述电控阀在对于的放入培养液的管中，使供气装置供气使培养液进入培养液流动装置、平行平板流动培养腔；

4.根据需要加载的流体剪切力,在计算机控制系统中进行设置需要的流体剪切力；

5.连接好供气装置的进气口,所述进气口连通5%浓度二氧化碳气体.并把培养液流动装置、平行平板流动培养腔放置在恒温环境中；

6.启动所述细胞体外流体剪切力刺激培养装置进行实验。

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，凡本发明所提示的方法及技术方案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)

1.一种细胞体外流体剪切力刺激培养装置及其方法，其特征在于包括供气装置、培养液流动装置、平行平板流动培养腔及计算机控制系统组成；所述供气装置包括气压泵、干燥瓶、电控阀、过滤器、连接管路；所述供气装置实现2个供气口,所述2个供气端口进行交替供气，同时在交替时，不供气的供气端口连接大气；所述培养液流动装置由4个单向阀、2个培养液管、若干管路及培养液管固定支架组成。

2.根据权利要求1所述一种细胞体外流体剪切力刺激培养装置，其特征在于所述供气装置中所述气压泵为能输送稳定气体量的泵，同时气体流经部分的泵体或管路容易拆卸并进行灭菌处理，例：蠕动泵，所述泵可实现的流量0-1000ml/min；所述干燥瓶内装干燥剂，干燥剂本身或者吸湿后都无粉尘及颗粒物且本身无毒生物可接触，例如氧化铝；所述电控阀通过挤压通道软管的方式，实现切换气压泵输出的气体输向不同的通路A或者通路B，并且能够实现当向一个口向外输送压力气体时，另一个口与大气连接。

3.根据权利要求1所述一种细胞体外流体剪切力刺激培养装置，其特征在于所述培养液流动装置，通过所述4个单向阀、2个培养液管及若干管路组成，配合所述供气装置的供气方式，可以实现培养液流体的单一方向流动、单一方向的间歇式流动、往复方向流动；当供气装置向一个培养液管进行供气时，另一个培养液管的供气口与大气连接，设定好供气口切换的时间，所述供气口切换时间小于培养液管内培养液全部流出的时间即可。

4.根据权利要求3所述培养液流动装置，其特征在于所述的培养液流体的单一方向流动，2个所述的培养液管的出液口处各连接一个单向阀正向连接后，一同接入所述平行平板流动腔的进液端口；2个所述的培养液管的培养液回流口处各连接一个单向阀反向连接后，一同连接所述平行平板流动腔的出液端口，切换供气口压缩气体对培养液管内培养液的作用，实现平行平板流动腔内培养液的单一方向的流动，对平行平板流动腔内培养的细胞施加单一方向的流体剪切力刺激。

5.根据权利要求3所述培养液流动装置，其特征在于所述培养液流体的单一方向的间歇式流动，通过控制所述泵的启动和停止实现间歇式流动，所述培养液流动装置与所述的培养液液体的单一方向流动的所有连接方式相同。

6.根据权利要求3所述培养液流动装置，其特征在于所述培养液流体的往复方向流动，2个所述的培养液管的出液口各自串联两个单向阀，第2个单向阀接培养液管自己的回流口，单向阀正向连接，一个培养液管在所配的2个单向阀中间的连接管路断开后，一同接入所述平行平板流动腔的进液端口；另外一个所述的培养液管在所配的2个单向阀中间的连接管路断开口后一同连接所述平行平板流动腔的出液端口；配合切换供气口压缩气体对培养液管内培养液的作用，实现平行平板流动腔内培养液的往复运动，对平行平板流动腔内培养的细胞施加恒定往复的流体剪切力刺激。

7.根据权利要求1所述一种细胞体外流体剪切力刺激培养装置，其特征在于所述培养液流动装置中的培养液管固定支架用于固定所述培养液管放置在同一高度；所述培养液管内的培养液在静止状态下无须两个培养液管内的液面高度相同，当一个培养液管内的培养液在完全流向管路时，另一个培养液管内不能达到全满。

8.根据权利要求1所述一种细胞体外流体剪切力刺激培养装置，其特征在于所述平行平板流动腔水平放置，运行时与所述培养液管相对位置固定。

9.根据权利要求1所述一种细胞体外流体剪切力刺激培养装置，其特征在于培养的气体环境和温度环境，所述培养液流动装置及所述平行平板流动培养腔放置恒温装置中；把所述气压泵的进气口连5%浓度CO2的气体环境中。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种细胞体外流体剪切力刺激培养装置的使用方法，包括如下步骤：

1.对细胞体外流体剪切力刺激培养装置中气体管路、培养液流动装置、平行平板流动培养腔都进行消毒灭菌；

2.根据实验目的按照培养液流体的单一方向流动、单一方向的间歇式流动、往复方向流动的模式进行连接培养液流动装置，利用泵驱动气体对培养液管的输送形成对培养液的推动，根据单向阀的不同布置实现培养液的循环运动，同时实现对平行平板流动实验腔内的细胞的作用；

3.把培养液加到一个培养液管内，开启所述电控阀在对于的放入培养液的管中，使供气装置供气使培养液进入培养液流动装置、平行平板流动培养腔；

4.根据需要加载的流体剪切力,在计算机控制系统中进行设置需要的流体剪切力；

5.连接好供气装置的进气口,所述进气口连通5%浓度二氧化碳气体.并把培养液流动装置、平行平板流动培养腔放置在恒温环境中；

6.启动所述细胞体外流体剪切力刺激培养装置进行实验。