CN110343614A - 一种刺激细胞生长的体外培养装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种刺激细胞生长的体外培养装置，该刺激细胞生长的体外培养装置包括培养组件、驱动组件以及控制系统；培养组件包括培养底座和牵拉件，所述培养底座上开设有上开口的培养槽，所述培养槽的槽底贴设有底膜，所述牵拉件面向所述培养槽槽底的底面上贴设有牵拉膜，所述牵拉膜和所述底膜密封连接；驱动组件包括驱动电机和牵拉杆，所述牵拉杆一端与所述驱动电机连接，另一端与所述牵拉件连接，所述驱动电机通过所述牵拉杆驱使所述牵拉件在所述培养槽中移动；控制系统与所述驱动组件连接，用于控制所述驱动组件使所述牵拉件移动预设距离。本发明的技术方案装置结构简单，并能精确控制牵拉程度。

Description

一种刺激细胞生长的体外培养装置

技术领域

本发明属于生物医学实验装置技术领域，尤其涉及一种刺激细胞生长的体外培养装置。

背景技术

目前，外周神经损伤修复是组织工程、康复工程、神经外科等都多个学科和研究领域共同关注的问题。现有的外周神经损伤修复主要是通过组织工程学、自体移植等方法将组织工程支架、血管、其他神经束植入缺损的神经处进行神经修复。其中，“自体移植”被视为外周神经损伤临床治疗的“金标准”，但是该方法往往受限于供体来源，其供体限制比较大且代价也很大；而组织工程学的方法可通过设计合适的组织工程支架，对其表面进行修饰诱导神经再生，即组织工程支架可以营造适合神经再生的环境，并依靠受损神经再生修复，但此方法可以修复的缺损有限。

针对组织工程中的这一问题，目前已有通过电刺激、力学刺激、化学诱导等体外培育并获取神经束的技术，而且这些方法已经实验证明能有效促进体外神经的再生和神经轴突的生长。然而，现有的用于体外培育并获取神经束的装置大都结构复杂、组装繁琐，且不能够实现精准和长段的牵拉。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种刺激细胞生长的体外培养装置，其旨在解决现有体外培养装置结构复杂、组装繁琐，且不能够实现精准和长段的牵拉的技术问题。

本发明是这样实现的：一种刺激细胞生长的体外培养装置，包括：

培养组件，包括培养底座和牵拉件，所述培养底座上开设有上开口的培养槽，所述培养槽的槽底贴设有底膜，所述牵拉件面向所述培养槽槽底的底面上贴设有牵拉膜，所述牵拉膜和所述底膜密封连接；

驱动组件，包括驱动电机和牵拉杆，所述牵拉杆一端与所述驱动电机连接，另一端与所述牵拉件连接，所述驱动电机通过所述牵拉杆驱使所述牵拉件在所述培养槽中移动；以及，

控制系统，与所述驱动组件连接，用于控制所述驱动组件使所述牵拉件移动预设距离。

可选地，以朝向所述驱动电机的方向为前方，所述培养底座包括底板、自所述底板的前边缘向上延伸形成的前板、自所述底板的后边缘向上延伸形成的后板、自所述底板的左右两侧边缘向上延伸形成的两相对侧板，所述底板、所述前板、所述后板、以及两所述侧板围合形成所述培养槽；

所述牵拉件包括滑动块和牵拉块，所述滑动块的两端分别与两侧板滑动连接，所述牵拉杆活动穿设所述前板后与所述滑动块连接，所述滑动块上远离所述牵拉杆的一侧设有嵌槽，所述牵拉块适配嵌置在所述嵌槽中。

可选地，所述牵拉块的面向所述培养槽槽底的底面呈与所述培养槽槽底相切的弧面设置。

可选地，所述牵拉膜在远离所述牵拉杆的一端伸出，且伸出部分的所述牵拉膜与所述底膜密封粘接。

可选地，所述培养底座一体成型。

可选地，所述培养组件还包括培养盖，所述培养盖与所述培养底座适配盖合，所述培养盖上开设有观察窗，所述观察窗上贴覆有透明膜，所属透明膜上开设有若干气孔。

可选地，所述前板的内壁上和所述后板的内壁上均设有限位台阶，所述培养盖的前后两端均搭接在所述限位台阶上。

可选地，所述刺激细胞生长的体外培养装置还包括位移平台，所述位移平台上在沿朝向所述培养组件的方向上，依次设置有驱动电机、滚珠丝杠、连接块；

所述驱动电机与所述控制系统电连接，所述滚珠丝杠两端分别与所述驱动电机和所述连接块连接，所述牵拉杆通过所述连接块与所述滚珠丝杠连接。

可选地，所述位移平台上还设有保护罩，所述驱动电机、所述滚珠丝杠、所述连接块均位于所述保护罩和所述位移平台围成的密封空间内，所述牵拉杆密封式穿出所述保护罩后与所述牵拉件连接。

可选地，所述控制系统包括触控面板，所述触控面板用于输入所述牵拉件的移动方向数据以及移动距离数据。

基于此结构设计，由于在培养槽的槽底贴设有底膜，在牵拉件的底面上贴设有牵拉膜，且牵拉膜和底膜密封连接，故当需培养的细胞，例如神经束细胞种植在牵拉膜和底膜的连接处时，就可以通过控制系统控制驱动电机，进而驱动牵拉杆带动位于培养槽内的牵拉件移动预设距离，如此，就可通过对牵拉件的外力单向牵拉而实现对被培养细胞的力学刺激，从而促进神经轴突定向且快速生长，以短期内体外获取长段的神经束。在本发明的技术方案中，为实现力学刺激，其结构仅需要一个与驱动电机连接并受其驱动的牵拉杆，以及与牵拉杆连接的牵拉件拉动牵拉膜和底膜即可，故结构十分简单实用，而且，通过驱动电机对牵拉杆牵拉距离的控制，还可以实现对牵拉方向和距离的有效精确控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的刺激细胞生长的体外培养装置中培养组件和牵拉杆的结构示意图；

图2是图1中去除培养盖后的培养组件和牵拉杆的结构示意图；

图3是图2中的培养底座于另一角度的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的刺激细胞生长的体外培养装置中滑动块的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的刺激细胞生长的体外培养装置中牵拉块的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的刺激细胞生长的体外培养装置的牵拉件和牵拉杆装配时的侧视图。

图7是本发明实施例提供的刺激细胞生长的体外培养装置的俯视图。

附图标号说明：

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上和下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”和“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供一种刺激细胞生长的体外培养装置。

请参阅图1、图2和图7，该刺激细胞生长的体外培养装置包括培养组件100、驱动组件200以及控制系统300。其中，培养组件100包括培养底座110和牵拉件120，培养底座110上开设有上开口的培养槽111，培养槽111的槽底贴设有底膜112，牵拉件120面向培养槽111槽底的底面上贴设有牵拉膜121，牵拉膜121和底膜112密封连接；驱动组件200包括驱动电机210和牵拉杆220，牵拉杆220一端与驱动电机210连接，另一端与牵拉件120连接，驱动电机210通过牵拉杆220驱使牵拉件120在培养槽111中移动；控制系统300与驱动组件200连接，用于控制驱动组件200使牵拉件120移动预设距离。

在此需说明的是，本刺激细胞生长的体外培养装置主要适用于使用力学干预神经组织的生长分化，特别是神经束的神经轴突的牵拉生长，以在短期内获取长段的有生命活性的神经束，再结合组织工程方法进行嫁接和移植。当然，本发明的技术方案还可以拓展用于力学、电学、化学等工程手段干预其他种类细胞(例如但不限于骨细胞、皮肤细胞等)的生长分化；此外，在本发明的技术方案中，还可以通过增加其他功能组件，而实现加入电刺激，化学刺激等多种体外干预和刺激手段，从而更有利于促进神经轴突定向且快速生长，进而体外获取长段的神经束。

基于此结构设计，由于在培养槽111的槽底贴设有底膜112，在牵拉件120的底面上贴设有牵拉膜121，且牵拉膜121和底膜112密封连接，故当需培养的细胞，例如神经束细胞种植在牵拉膜121和底膜112的连接处时，就可以通过控制系统300控制驱动电机210，进而驱动牵拉杆220带动位于培养槽111内的牵拉件120移动预设距离，如此，就可通过对牵拉件120的外力单向牵拉而实现对被培养细胞的力学刺激，从而促进神经轴突定向且快速生长，以短期内体外获取长段的神经束。在本发明的技术方案中，为实现力学刺激，其结构仅需要一个与驱动电机210连接并受其驱动的牵拉杆220，以及与牵拉杆220连接的牵拉件120拉动牵拉膜121和底膜112即可，故结构十分简单实用，而且，通过驱动电机210对牵拉杆220牵拉距离的控制，还可以实现对牵拉方向和距离的有效精确控制。

请参阅图2和图3，在本实施例中，以朝向驱动电机210的方向为前方，培养底座110包括底板、自底板的前边缘向上延伸形成的前板113、自底板的后边缘向上延伸形成的后板114、自底板的左右两侧边缘向上延伸形成的两相对侧板115，底板、前板113、后板114、以及两侧板115围合形成培养槽111；牵拉件120包括滑动块122和牵拉块123，滑动块122的两端分别与两侧板115滑动连接，牵拉杆220活动穿设前板113后与滑动块122连接，滑动块122上远离牵拉杆220的一侧设有嵌槽122a，牵拉块123适配嵌置在嵌槽122a中。当然，于其他实施例中，牵拉件120也可以呈一体设置，但本实施例中的滑动块122和牵拉块123的分体设置，则有利于后续在牵拉块123上更换牵拉膜121的便利。具体地，一并参照图4和图5，滑动块122的底面上分别邻近左右两侧边缘处凹设有滑槽122b，两侧板115可作为导轨而分别与对应侧的滑槽122b连接，从而实现滑动块122在培养底座110上的滑动；牵拉块123通过与滑动块122嵌套好，而安装在培养底座110上，牵拉杆220活动穿设前板113后与滑动块122可拆卸螺接，以方便后续的调整或更换。

请参阅图5和图6，在本实施例中，牵拉块123的面向培养槽111槽底的底面呈与培养槽111槽底相切的弧面设置，相应地，贴设于牵拉块123底面的牵拉膜121也呈相切的弧面设置，这样就可以保证在贴膜后，牵拉膜121的前端与底膜112贴合，而避免因牵拉膜121悬空而造成的拉扯损坏产生。

进一步地，如图5所示，牵拉膜121在远离牵拉杆220的一端伸出，且伸出部分的牵拉膜121与底膜112密封粘接。具体地，在本实施例中，以牵拉膜121和底膜112均选用Alcar膜为例，在使用前，可采用200um厚度的Aclar膜作为底膜112进行裁剪，然后用生物相容性好的胶贴附在培养槽111的槽底；同样地，可将50um厚度的Aclar膜进行适当剪裁贴附在牵拉块123的弧形底面处，并在远离牵拉杆220的自由端保留1cm左右的距离与底膜112贴附。然本设计不限于此，于其他实施例中，本牵拉膜121和底膜112亦可更换成其他具备生化稳定性和生物兼容性的功能材料，以方便研究其他因素对于细胞(不限于神经细胞)的影响。例如，牵拉膜121可以采用可拉伸的材料，即可以将牵拉膜121与底膜112固定住，在牵拉膜121上培植神经细胞、成纤维细胞、成骨细胞等进行力学刺激；或者，在牵拉膜121或者底膜112上电镀有电极点或者直接采用柔性可拉伸、可导电的材料，则不仅可以研究力学刺激对于细胞的影响，还能研究电学刺激对于细胞的影响；本设计亦可以用于探索记录神经信号的特征和方法研究等。

请参阅图2和图3，在本实施例中，培养底座110优选一体成型。具体地，培养底座110可优选采用聚四氟氯乙烯材料一体化设计，从而可减少多个机械机构的组装，如此，一方面可降低操作难度，另一方面还可降低过多机械结构带来的精度影响。当然，于其他实施例中，培养底座110还可以由任何生化兼容性好，物理化学稳定性好且能够用于3D打印或者便于加工的材料制成。

请参阅图1，在本实施例中，培养组件100还包括培养盖130，培养盖130与培养底座110适配盖合，培养盖130上开设有观察窗，观察窗上贴覆有透明膜131，所属透明膜131上开设有若干气孔132。在此，培养盖130优选为一体成型的C形盖，贴在观察窗上的透明膜131应生化稳定性和生物兼容性好，且还可以根据实验需要在透明膜131上剪裁适当大小的气孔132。可以理解，此培养盖130的设置，一方面提高了培养组件100整体的透明度，从而可在不开盖的情况下方便观察培养槽111中的状况，降低了染菌的风险；另一方面，由于透明膜131可以随意切割剪开，故可以个性化的设置气孔132，即可以根据需要在不同位置开天窗或者气孔132，进而方便不同实验对气流的需要，以满足本培养组件100内部与外部的气流交换。然本设计不限于此，于其他实施例中，培养可以采用任何生物化学稳定性好且透明度好的材料加工制成，且透明膜131也可以换成任何透明的且生物兼容性好的材料。

请参阅图1至图3，进一步地，在本实施例中，前板113的内壁上和后板114的内壁上均设有限位台阶116，培养盖130的前后两端均搭接在限位台阶116上。此设置可使得培养盖130与培养底座110两侧板115的顶端保持一定的距离，进而有利于空气流通。此外，培养底座110的两侧板115除了与培养盖130形成挡板，实现与周围环境进行阻隔的作用之外，还具有一定的支撑作用，可以作为滑动块122的滑轨。

请参阅图7，在本实施例中，刺激细胞生长的体外培养装置还包括位移平台400，位移平台400上在沿朝向培养组件100的方向上，依次设置有驱动电机210、滚珠丝杠230、连接块240；驱动电机210与控制系统300电连接，滚珠丝杠230两端分别与驱动电机210和连接块240连接，牵拉杆220通过连接块240与滚珠丝杠230连接。具体地，位移平台400呈长条矩形，其长度延伸方向即为朝向培养组件100的方向，且位移平台400与培养组件100同水平面同中心轴线设置。在此，驱动电机210优选控制精度高的步进电机，而滚珠丝杠230可保证很高的调节精度，移动平台与培养组件100之间是通过牵拉杆220与连接块240进行连接固定，从而可实现非常精准的牵拉，并能够精确控制牵拉的方向、速度和总长度。

进一步地，在本实施例中，位移平台400上还设有保护罩250，驱动电机210、滚珠丝杠230、连接块240均位于保护罩250和位移平台400围成的密封空间内，牵拉杆220密封式穿出保护罩250后与牵拉件120连接。在此，由于驱动电机210和滚珠丝杠230等均为高精度器件，故保护罩250主要用于罩住位移平台400，从而减少二氧化碳培养箱内的高热高湿气体与位移平台400内部器件接触，确保驱动电机210和滚珠丝杠230等不会受潮损坏。

进一步地，在本实施例中，控制系统300包括触控面板310，触控面板310用于输入牵拉件120的移动方向数据以及移动距离数据。在实际操作过程中，控制系统300可通过设置步长、牵拉总长度、牵拉方向、牵拉时间等参数来控制驱动电机210的旋转方向、速度和总时间，进而通过移动平台来控制牵拉杆220以实现目标牵拉。在此，由于设置有触控面板310，故本刺激细胞生长的体外培养装置的控制系统300的操作十分简单方便且易于掌握，而不需要人员时刻在场操作。例如，实验人员可以直接在触控面板310上设置前进、后退来调整连接块240的位置，也可以直接在触控面板310上通过设置总牵拉长度和牵拉步距来实现牵拉控制。

基于前述结构设计，使用本刺激细胞生长的体外培养装置的具体操作方法步骤如下：

S10、首先在二氧化碳培养箱的气孔132塞上打孔将连接控制系统300与驱动电机210的数据线从中间穿过去，并在外面采用气溶胶密封。

S20、对装置进行灭菌操作。具体地，将培养组件100和位移平台400均使用洗洁精清洗干净，然后使用三蒸水清洗三遍，使用酒精浸泡15分钟后，最后使用紫外灯照射30分钟；其中，位移平台400以及其外壳，以及其他机械平台配件使用酒精棉擦拭后，紫外灯照射30分钟。

S30、在培养组件100上进行贴膜。具体地，可采用200um厚度的Aclar膜作为底膜112进行裁剪，然后用生物相容性好的胶贴附在培养槽111的槽底；同样地，可将50um厚度的Aclar膜进行适当剪裁贴附在牵拉块123的弧形底面处，并在远离牵拉杆220的自由端保留1cm左右的距离与底膜112贴附。同理，在培养盖130的观察窗处亦可贴上透明膜131，并根据实验需要剪裁适当大小的气孔132和对应的遮盖气孔132的盖子。

S40、对培养组件100进行组装。具体地，待前一步骤中的胶干透，牵拉膜121、底膜112以及透明膜131稳定贴附后，就可将滑动块122与牵拉块123嵌套好，并安装在培养底座110上；然后将牵拉杆220从对应的孔中伸出，并选择合适培养区域和牵拉范围后，旋紧前端的螺丝进行固定；最后盖上培养盖130即完成组装。

S50、提取目标细胞并将目标细胞移植到牵拉膜121和底膜112合适的位置，注意在位置选定后，应拧紧滑动块122前端的固定螺丝，最后盖上培养盖130以及遮盖培养盖130上的气孔132。

S60、对本刺激细胞生长的体外培养装置进行调位。具体地，将保护罩250固定在位移平台400上，并将整个位移平台400放置到二氧化碳培养箱中；然后，连接数据线并启动控制器，并根据牵拉杆220上的孔与滑动块122的距离选择前进或后退的距离，当牵拉杆220末端通孔与滑动块122的前端的楔入部分对好时，停止调位，然后将滑动块122与牵拉杆220进行连接。

S70、在控制系统300的触控面板310上设置牵拉总距离、牵拉方向以及牵拉步距等参数，然后拧松培养槽111前端的固定螺丝、打开气孔132盖，点击确定后即开始牵拉。

S80、若中途需要取出培养组件100进行观察时，可先通过控制系统300暂停牵拉，然后拧紧培养组件100上的固定螺丝，取出楔入牵拉杆220的牵拉件120后，并盖上气孔132盖之后，就可将培养组件100平稳取出，以进行观察。

S90、若需要结束牵拉，就需要关闭控制系统300的开关320，并按照S80的步骤取出培养组件100后，再取出数据线，然后将整个位移平台400自二氧化碳培养箱取出即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种刺激细胞生长的体外培养装置，其特征在于，包括：

培养组件，包括培养底座和牵拉件，所述培养底座上开设有上开口的培养槽，所述培养槽的槽底贴设有底膜，所述牵拉件面向所述培养槽槽底的底面上贴设有牵拉膜，所述牵拉膜和所述底膜密封连接；

驱动组件，包括驱动电机和牵拉杆，所述牵拉杆一端与所述驱动电机连接，另一端与所述牵拉件连接，所述驱动电机通过所述牵拉杆驱使所述牵拉件在所述培养槽中移动；以及，

控制系统，与所述驱动组件连接，用于控制所述驱动组件使所述牵拉件移动预设距离。

2.如权利要求1所述的刺激细胞生长的体外培养装置，其特征在于，以朝向所述驱动电机的方向为前方，所述培养底座包括底板、自所述底板的前边缘向上延伸形成的前板、自所述底板的后边缘向上延伸形成的后板、自所述底板的左右两侧边缘向上延伸形成的两相对侧板，所述底板、所述前板、所述后板、以及两所述侧板围合形成所述培养槽；

所述牵拉件包括滑动块和牵拉块，所述滑动块的两端分别与两侧板滑动连接，所述牵拉杆活动穿设所述前板后与所述滑动块连接，所述滑动块上远离所述牵拉杆的一侧设有嵌槽，所述牵拉块适配嵌置在所述嵌槽中。

3.如权利要求2所述的刺激细胞生长的体外培养装置，其特征在于，所述牵拉块的面向所述培养槽槽底的底面呈与所述培养槽槽底相切的弧面设置。

4.如权利要求3所述的刺激细胞生长的体外培养装置，其特征在于，所述牵拉膜在远离所述牵拉杆的一端伸出，且伸出部分的所述牵拉膜与所述底膜密封粘接。

5.如权利要求2所述的刺激细胞生长的体外培养装置，其特征在于，所述培养底座一体成型。

6.如权利要求5所述的刺激细胞生长的体外培养装置，其特征在于，所述培养组件还包括培养盖，所述培养盖与所述培养底座适配盖合，所述培养盖上开设有观察窗，所述观察窗上贴覆有透明膜，所属透明膜上开设有若干气孔。

7.如权利要求6所述的刺激细胞生长的体外培养装置，其特征在于，所述前板的内壁上和所述后板的内壁上均设有限位台阶，所述培养盖的前后两端均搭接在所述限位台阶上。

8.如权利要求1至7任一项所述的刺激细胞生长的体外培养装置，其特征在于，所述刺激细胞生长的体外培养装置还包括位移平台，所述位移平台上在沿朝向所述培养组件的方向上，依次设置有驱动电机、滚珠丝杠、连接块；

所述驱动电机与所述控制系统电连接，所述滚珠丝杠两端分别与所述驱动电机和所述连接块连接，所述牵拉杆通过所述连接块与所述滚珠丝杠连接。

9.如权利要求8所述的刺激细胞生长的体外培养装置，其特征在于，所述位移平台上还设有保护罩，所述驱动电机、所述滚珠丝杠、所述连接块均位于所述保护罩和所述位移平台围成的密封空间内，所述牵拉杆密封式穿出所述保护罩后与所述牵拉件连接。

10.如权利要求1所述的刺激细胞生长的体外培养装置，其特征在于，所述控制系统包括触控面板，所述触控面板用于输入所述牵拉件的移动方向数据以及移动距离数据。