CN110029059A - 一种基于纳米纤维膜的细胞共培养系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于纳米纤维膜的细胞共培养系统，包括纳米纤维膜，所述纳米纤维膜具有网状拓扑结构，通过将待培养的不同种细胞接种于所述纳米纤维膜上以实现细胞共培养，其中利用所述网状拓扑结构的尺寸与拓扑排布设置为细胞共培养过程提供方向定向性。本发明通过纳米纤维膜的网状拓扑结构，可以更好地在共培养的同时研究其拓扑结构带来的定向性对于细胞生长的影响，对于研究角膜基质、神经元、血管组织的再生具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及生物制造技术领域，特别是涉及一种基于纳米纤维膜的细胞共培养系统。
背景技术
生物体是由多种细胞组成的有机整体，不同细胞之间通过相互影响，协调发挥作用，维持器官，组织的正常。在组织工程中，细胞之间的相互作用在组织生长的整体成功中起重要作用。一些科学报告证明了这些相互作用的重要性。
研究细胞和细胞间的相互作用可以通过不同种类的细胞的共培养来实现。目前，细胞共培养的方法主要有直接接触式共培养和非直接接触式共培养。直接接触式共培养是将不同类型的细胞在同一个培养体系中混合在一起进行共同培养，使两种细胞直接接触，其缺点是不同类型的细胞发生直接接触，不能彻底分开，不利于后续分析观察。
非直接接触式共培养是将两种或两种以上的细胞分别接种到不同的载体或位置上，然后将这些细胞置于同一个培养环境中，细胞之间相互作用的常规研究利用Transwell方案。将塑料插入物悬浮在培养孔的顶部，该塑料插件通过薄且多孔(0.4μm)的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜将上隔室和下隔室分开。在该系统中，可以在上部和下部隔室中培养不同的细胞，其通过微孔膜分开。另外，膜可以用细胞外基质包被和/或用胶原蛋白处理，这允许细胞附着在其上(像基底膜一样)并为分泌物分子提供支持。尽管有这些优点，但传统的共培养系统缺乏方向性定向，难以对某些组织如神经元和血管组织的再生进行有效的深入的研究。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于纳米纤维膜的细胞共培养系统。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于纳米纤维膜的细胞共培养系统，包括纳米纤维膜，所述纳米纤维膜具有网状拓扑结构，通过将待培养的不同种细胞接种于所述纳米纤维膜上以实现细胞共培养，其中利用所述网状拓扑结构的尺寸与拓扑排布设置为细胞共培养过程提供方向定向性。
进一步地：
包括单个纳米纤维膜，一种细胞接种于所述纳米纤维膜的一面，另一种细胞接种于所述纳米纤维膜的另一面。
包括放置于同一培养腔室的两个以上纳米纤维膜，不同种细胞分别接种于不同的纳米纤维膜上。
还包括与所述纳米纤维膜结合的水凝胶或胶原，优选地，所述水凝胶为海藻酸钠，所述胶原为鼠尾一型胶原。
还包括两片微流控芯片，所述纳米纤维膜位于所述两片微流控芯片之间，所述两片微流控芯片键合在一起形成有中间细胞培养腔室和周边空气腔室，所述纳米纤维膜将所述中间细胞培养腔室分隔成上下两个腔室，所述周边空气腔室环绕于所述中间细胞培养腔室的外围，所述纳米纤维膜的边缘伸入所述周边空气腔室内，通过所述周边空气腔室将所述纳米纤维膜的边缘固定。
还包括Transwell迁移小室，所述Transwell迁移小室包括上室、下室以及将所述上室和所述下室分隔的多孔膜，所述上室与所述下室内分别设置有所述纳米纤维膜，所述多孔膜的孔径只允许细胞间营养物质的交换，阻止细胞的通过。
所述多孔膜的孔径小于3μm。
所述纳米纤维膜由静电纺丝工艺或者静电直写工艺制作而成。
所述纳米纤维膜采用PCL或PLGA材料制作而成。
所述纳米纤维膜采用PCL溶于六氟异丙醇的梯度溶液通过静电纺丝制成。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供的一种基于纳米纤维膜的细胞共培养系统，包括纳米纤维膜，所述纳米纤维膜具有网状拓扑结构，通过将待培养的不同种细胞接种于所述纳米纤维膜上以实现细胞共培养，利用纳米纤维膜网状拓扑结构的纤维网格厚度，层叠形成三维支架尺寸等，仿生出细胞的生存环境，实现对细胞的三维培养，其中利用网状拓扑结构的三维尺寸与拓扑排布设置，实现为细胞共培养过程提供方向定向性。本发明通过纳米纤维膜的网状拓扑结构，可以更好地在共培养的同时研究其拓扑结构带来的定向性对于细胞生长的影响，这对于深入研究角膜基质、神经元、血管组织的再生具有至关重要的意义。本发明可以很方便地建立两种细胞或多种细胞的共培养体系，并且基于纳米纤维膜的结构，可以很好地仿生细胞的生存环境，实现细胞的三维培养。此外，用纳米纤维膜作为进行细胞接触式共培养的载体，还可以方便地进行取出单独检测等操作。
在优选的方案中，将纳米纤维膜与微流控芯片相结合，实现了利用微流控芯片高通量的特点来进行多种细胞的共培养。在另一优选的方案中，将纳米纤维膜与Transwell迁移小室相结合，实现利用两者的优点来更好地进行定向组织共培养。此外，优选采用静电纺丝和静电直写工艺制备纳米纤维膜，其具有尺寸均一性好、结构多样化、生物相容性好、机械性能良好且参数可控等优势。
附图说明
图1为本发明实施例的四种网状拓扑结构的单一纳米纤维膜的整体示意图。
图2a至图2c为本发明一种实施例的纳米纤维膜-微流控芯片复合系统的主视图、侧视图和俯视图。
图3为本发明一种实施例的纳米纤维膜-Transwell迁移小室复合系统整体示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参阅图1至图3，在一种实施例中，一种基于纳米纤维膜的细胞共培养系统，包括纳米纤维膜，所述纳米纤维膜具有网状拓扑结构，通过将待培养的不同种细胞接种于所述纳米纤维膜上以实现细胞共培养，其中利用所述网状拓扑结构的尺寸与拓扑排布设置为细胞共培养过程提供方向定向性。
图1示出了本发明实施例的四种网状拓扑结构的单一纳米纤维膜，其中11、13、15、17分别为纳米纤维膜的四种结构，12、14、16、18为其局部放大图。在实际应用中，纳米纤维膜结构可有更丰富的设计。
在一些实施例中，所述细胞共培养系统可以使用单个纳米纤维膜，一种细胞接种于所述纳米纤维膜的一面，另一种细胞接种于所述纳米纤维膜的另一面。
在另一些实施例中，所述细胞共培养系统可以包括放置于同一培养腔室的两个以上纳米纤维膜，不同种细胞分别接种于不同的纳米纤维膜上。
在优选的实施例中，所述细胞共培养系统还包括与所述纳米纤维膜结合的水凝胶或胶原。较佳地，所述水凝胶可以为海藻酸钠，所述胶原可以为鼠尾一型胶原。
参见图2a至图2c，在一种优选的实施例中，所述细胞共培养系统包括两片微流控芯片2和所述纳米纤维膜2-1，共同组成一个纳米纤维膜-微流控芯片复合系统，其中所述纳米纤维膜2-1位于所述两片微流控芯片2之间，所述两片微流控芯片2键合在一起形成有中间细胞培养腔室2-2和周边空气腔室2-3，所述纳米纤维膜2-1将所述中间细胞培养腔室2-2分隔成上下两个腔室，所述周边空气腔室2-3环绕于所述中间细胞培养腔室2-2的外围，所述纳米纤维膜2-1的边缘伸入所述周边空气腔室2-3内，通过所述周边空气腔室将所述纳米纤维膜21的边缘固定。由于纳米纤维膜夹层具有一定的厚度，设计空腔来夹持固定纳米纤维膜能够提高夹紧的可靠性。
参见图3，在另一种优选的实施例中，所述细胞共培养系统包括Transwell迁移小室3-1和纳米纤维膜3-3，共同组成一个纳米纤维膜-Transwell迁移小室复合系统，所述Transwell迁移小室3-1包括上室、下室以及将所述上室和所述下室分隔的多孔膜3-2，所述上室与所述下室内分别设置有纳米纤维膜3-3，所述多孔膜的孔径只允许细胞间营养物质的交换，阻止细胞的通过。
在更优选的实施例中，所述多孔膜的孔径小于3μm。
在优选的实施例中，所述纳米纤维膜由静电纺丝工艺或者静电直写工艺制作而成。
在优选的实施例中，所述纳米纤维膜采用PCL或PLGA材料制作而成。
在更优选的实施例中，所述纳米纤维膜采用PCL溶于六氟异丙醇的梯度溶液通过静电纺丝制成。
以下结合附图进一步描述本发明具体实施例的特征、优点及其制备方法。
参照图1至图3，在具体实施例中，基于纳米纤维膜的细胞共培养系统可以设置成单一纳米纤维膜系统、纳米纤维膜-微流控芯片复合系统、或纳米纤维膜-Transwell迁移小室复合系统。
所述纳米纤维膜优选由静电纺丝或者静电直写工艺加工而成，材料优选为PCL或PLGA材料。
在所述单一纳米纤维膜共培养系统中，可将一种细胞接种于膜的一面，待细胞贴附良好之后将另一种细胞接种于膜的另一面，或者将不同种细胞分别接种于不同结构的膜上，可实现两种细胞的直接共培养，同时调整单一纳米纤维膜的厚度和支架尺寸或者将其与水凝胶/胶原等结合，可实现细胞的三维培养。
在所述纳米纤维膜-微流控芯片复合系统中，纳米纤维膜位于两片微流控芯片中间，微流控芯片上设计的空腔可将纳米纤维膜的边缘很好地固定。将纳米纤维膜与微流控芯片结合起来，可以利用微流控芯片高通量、易加工等特点很好地实现两种或多种细胞的共培养。
在所述纳米纤维膜-Transwell迁移小室复合系统中，将纳米纤维膜与Transwell迁移小室相结合，通过调整纳米纤维膜的结构可实现细胞的定向共培养。可以通过调整支架厚度和支架尺寸或者将其与水凝胶/胶原等结合，满足细胞的三维培养的需要。
一种纳米纤维膜的制备方法：
纳米纤维膜优选通过静电纺丝和静电直写打印制备。材料以PCL为例，静电纺丝制备纳米纤维膜，将PCL溶于六氟异丙醇配备梯度溶液，通过调整喷头与收集板之间的距离、收集装置的类型、电压的大小、注射器挤出的速度、打印时间的长短等参数，可以打印不同尺寸、不同排列方式、不同厚度的静电纺丝那么纤维支架。静电直写制备纳米纤维膜，将PCL放入熔融加热喷头，通过调整喷头与收集板之间的距离、电压的大小、气压的大小、打印的层数、喷头移动的速度并且用autoCAD设计不同的结构，可以打印出需要结构的、不同厚度、不同尺寸大小的静电直写纳米纤维支架。
一种基于纳米纤维膜的细胞共培养系统的制备方法：
对于单一纳米纤维膜共培养系统，通过静电纺丝或静电直写打印纳米纤维膜，将膜两边分别接种不同的细胞直接进行培养或者将膜两侧包被水凝胶/胶原等，优选地，水凝胶可为海藻酸钠，胶原可选用鼠尾一型胶原。在单一纳米纤维膜两侧进行包被时，可先将细胞接种在膜两侧，细胞贴附后进行包被，也可用负载有细胞的水凝胶或者胶原直接包被纳米纤维膜；
对于纳米纤维膜-微流控芯片复合系统，通过静电纺丝或者静电直写打印中间夹层纳米纤维膜，通过二次光刻的方法加工出带有中间细胞培养腔室和周边空气腔的PDMS微流控芯片，对PDMS进行打孔，方便细胞悬液和细胞培养基的注入。将PDMS微流控芯片用等离 子清洗机进行处理以便更好地键合，之后将纳米纤维膜嵌入PDMS微流控芯片之间，完成纳米纤维膜-微流控芯片复合系统的构建。
对于纳米纤维膜-Transwell迁移小室复合系统，通过静电纺丝或者静电直写打印中间夹层纳米纤维膜；选用尺寸小于3μm的PET Transwell迁移小室，只允许细胞间营养物质的交换，阻止细胞的通过。将纳米纤维膜分别放于Transwell迁移小室的上室与下室，其中上下室可分别选用不同结构和尺寸的纳米纤维膜，可同时研究纳米纤维膜和共培养对细胞的共同作用。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于纳米纤维膜的细胞共培养系统，其特征在于，包括纳米纤维膜，所述纳米纤维膜具有网状拓扑结构，通过将待培养的不同种细胞接种于所述纳米纤维膜上以实现细胞共培养，其中利用所述网状拓扑结构的尺寸与拓扑排布设置为细胞共培养过程提供方向定向性。
2.如权利要求1所述的细胞共培养系统，其特征在于，包括单个纳米纤维膜，一种细胞接种于所述纳米纤维膜的一面，另一种细胞接种于所述纳米纤维膜的另一面。
3.如权利要求1所述的细胞共培养系统，其特征在于，包括放置于同一培养腔室的两个以上纳米纤维膜，不同种细胞分别接种于不同的纳米纤维膜上。
4.如权利要求2或3所述的细胞共培养系统，其特征在于，还包括与所述纳米纤维膜结合的水凝胶或胶原，优选地，所述水凝胶为海藻酸钠，所述胶原为鼠尾一型胶原。
5.如权利要求1至4任一项所述的细胞共培养系统，其特征在于，还包括两片微流控芯片，所述纳米纤维膜位于所述两片微流控芯片之间，所述两片微流控芯片键合在一起形成有中间细胞培养腔室和周边空气腔室，所述纳米纤维膜将所述中间细胞培养腔室分隔成上下两个腔室，所述周边空气腔室环绕于所述中间细胞培养腔室的外围，所述纳米纤维膜的边缘伸入所述周边空气腔室内，通过所述周边空气腔室将所述纳米纤维膜的边缘固定。
6.如权利要求1至4任一项所述的细胞共培养系统，其特征在于，还包括Transwell迁移小室，所述Transwell迁移小室包括上室、下室以及将所述上室和所述下室分隔的多孔膜，所述上室与所述下室内分别设置有所述纳米纤维膜，所述多孔膜的孔径只允许细胞间营养物质的交换，阻止细胞的通过。
7.如权利要求6所述的细胞共培养系统，其特征在于，所述多孔膜孔径小于3μm。
8.如权利要求1至7任一项所述的细胞共培养系统，其特征在于，所述纳米纤维膜由静电纺丝工艺或者静电直写工艺制作而成。
9.如权利要求1至8任一项所述的细胞共培养系统，其特征在于，所述纳米纤维膜采用PCL或PLGA材料制作而成。
10.如权利要求1至9任一项所述的细胞共培养系统，其特征在于，所述纳米纤维膜采用PCL溶于六氟异丙醇的梯度溶液通过静电纺丝制成。
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