CN110954249A - 基于蛋白质丝弹簧的体外心肌组织收缩力的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于蛋白质丝弹簧的体外心肌组织收缩力的测量方法，属于生物医用材料技术领域，将心肌细胞与水凝胶溶液混合，接种到两根平行直蛋白质丝的区域，待水凝胶成胶和心肌细胞开始收缩后，通过显微镜观察获得蛋白质丝弹簧的拉伸长度，根据已知的弹性系数和胡克定律即可计算出心肌细胞的收缩力。本发明的基于蛋白质丝弹簧的体外心肌组织收缩力的测量方法简单，仅需要缠绕和加热，不需要复杂的加工技术，而现有技术的装置(如PDMS微柱)制备方法复杂；本发明的蛋白质丝弹簧精度高，其弹性系数可以达到0.02N/m，能够准确测量心肌细胞跳动的收缩力；同时，其制备方法操作简便，成本低廉，在组织工程领域有广阔的应用前景。

Description

基于蛋白质丝弹簧的体外心肌组织收缩力的测量方法

技术领域

本发明属于生物医用材料技术领域，具体涉及基于蛋白质丝弹簧的体外心肌组织收缩力的测量方法。

背景技术

力在生物领域扮演着重要的角色，无论是分子间的相互作用，还是维持生命的心脏的跳动，都与力有着不可分割的联系。细胞产生的力，特别是心肌细胞产生的收缩力，对于调节细胞的机械特性和生理功能起着重要的作用。

在过去的三十年中，研究者们开发了不同的平台用于这些力的测量。其中一个关键的方法是使用原子力显微镜，原子力显微镜可以测量从皮牛顿到微牛顿的力。但是原子力显微镜主要用于二维培养的细胞的测量。另一个平台是利用聚二甲基硅氧烷微柱作为力的传感器，来测量包埋在水凝胶中的跳动心肌组织产生的收缩力。

然而，这些方法因为需要昂贵的设备，比如原子力显微镜，或交叉学科的专业知识，或专业的微制造技术，而限制了其在普通实验室的应用。

力在各种不同的生物体内都扮演着重要的角色，研究由细胞和组织产生的力至关重要。对于力的研究，测量其大小尤为重要。但测量细胞和组织产生的力仍然是生物医学工程领域的一个挑战。

人体组织中，心脏的收缩和舒张取决于心肌细胞的跳动，研究心肌细胞和组织产生的收缩力对于心脏疾病的研究具有重要意义。众所周知，心血管疾病都是导致全球死亡的头号杀手。过去的几十年来，研究者们致力于探索心血管疾病的发病机制和相应的治疗措施。由于心肌细胞停止增殖，不能再生，为在体外模拟心脏的环境，在很长的一段时间内，动物模型被用来研究和测试心脏疾病相关的药物。但是，由于种间差异，动物模型并不能很好地模拟人体心脏的环境，导致很多药物进入临床后因为没有预期的效应或有较强的毒副作用而被撤回。理想的体外心脏模型应该以人源心肌细胞作为种子细胞，从而使模型更贴近真实的人体心脏环境。近年来，随着人诱导多能干细胞的兴起，越来越多的研究致力于将人诱导多能干细胞诱导分化为人心肌细胞，再进一步将分化所得的心肌细胞与水凝胶等混合构建体外三维心肌组织。

心肌组织的收缩力是反映心肌组织功能的重要指标。根据文献报道，心肌组织的收缩力通常只有几微牛，因此测量心肌组织收缩力的技术要求较高。在目前测量心肌组织收缩力的方法中，聚二甲基硅氧烷(PDMS)微柱是应用最为广泛的，也是技术最成熟的。但是，PDMS微柱的制备方法复杂，对实验室条件的要求较高。

发明内容

发明目的：本发明提出基于蛋白质丝弹簧的体外心肌组织收缩力的测量方法，测量精度高，为心肌组织收缩力的测量提供了新的有力手段。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

测量体外心肌组织收缩力的蛋白质丝弹簧装置，包括如下步骤：

基于蛋白质丝弹簧的体外心肌组织收缩力的测量方法，包括如下步骤：

1)通过缠绕和加热制备得到蛋白质丝弹簧；

2)通过已知质量的球和游标卡尺测量蛋白质丝弹簧的弹性系数；

3)将蛋白质丝弹簧两端分别固定于长方形聚合物槽的两端，再在聚合物槽的其中一端固定两根平行排列的直蛋白质丝，与聚合物槽垂直相交，即获得心肌组织的体外培养和测量平台；

4)将心肌细胞与水凝胶溶液混合，接种到两根平行直蛋白质丝的区域，待水凝胶成胶和心肌细胞开始收缩后，通过显微镜观察获得蛋白质丝弹簧被心肌细胞拉伸的长度，根据已知的弹性系数和胡克定律即可计算出心肌细胞的收缩力。

进一步的，所述的步骤1)和步骤3)蛋白质丝为人头发丝，蚕丝或马鬃中的一种或几种。

进一步的，步骤1)中，所述的缠绕用的芯材为铁针，不锈钢针，玻璃毛细管中的任意一种。

进一步的，步骤1)中，所述的缠绕用的芯材的直径为0.1mm到5mm。

进一步的，步骤1)中，所述的加热方法为烘箱加热，微波炉加热，电烤箱加热，水煮，灭菌锅加热，水浴加热，油浴加热，电吹风加热中的任意一种；所述的加热的温度为80摄氏度到130摄氏度，加热时间为10分钟到2小时。

进一步的，所述的步骤3)的聚合物选自聚二甲基硅氧烷，聚甲基丙烯酸甲酯和聚氨酯弹性体；将步骤3)所得到的蛋白质丝弹簧装置用于测量体外心肌组织的收缩力，包括接种人诱导多能干细胞分化得到的心肌组织。

进一步的，所述的步骤2)中，蛋白质丝弹簧的弹性系数根据以下公式计算：

其中，k表示蛋白质丝弹簧的弹性系数，单位为N/m(μN/μm)，m表示球的质量，单位为kg，g表示当地的重力加速度，单位为m/s²，Δx表示蛋白质丝弹簧被球拉伸的长度，单位为m。

进一步的，步骤4)中，所述的心肌细胞的收缩力根据以下公式计算：

F＝k·Δy

其中，F表示心肌细胞的收缩力，单位为μN，Δy表示蛋白质丝弹簧被心肌细胞拉伸的长度，单位为μm。

有益效果：与现有技术相比，本发明的基于蛋白质丝弹簧的体外心肌组织收缩力的测量方法简单，仅需要缠绕和加热，不需要复杂的加工技术，而现有技术的装置(如PDMS微柱)制备方法复杂；本发明的蛋白质丝弹簧装置精度高，其弹性系数可以达到0.02N/m，能够准确测量心肌细胞跳动的收缩力；同时，其制备方法操作简便，成本低廉，在组织工程领域有广阔的应用前景。

附图说明

图1为蛋白质丝弹簧装置的制备方法；

图2为种有心肌细胞的蛋白质弹簧装置的显微镜照片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对本发明进一步说明。

基于蛋白质丝弹簧的体外心肌组织收缩力的测量方法，包括如下步骤：

1)通过缠绕和加热制备得到蛋白质丝弹簧；

2)通过已知质量的球和游标卡尺测量弹簧的弹性系数；

蛋白质丝弹簧的弹性系数根据以下公式计算：

其中，k表示蛋白质丝弹簧的弹性系数，单位为N/m(μN/μm)，m表示球的质量，单位为kg，g表示当地的重力加速度，单位为m/s²，Δx表示蛋白质丝弹簧被球拉伸的长度，单位为m；

3)将蛋白质丝弹簧两端分别固定于长方形聚合物槽的两端，再在聚合物槽的其中一端固定两根平行排列的直蛋白质丝，与聚合物槽垂直相交，即获得心肌组织的体外培养和测量平台；

4)将心肌细胞与水凝胶溶液混合，接种到两根平行直蛋白质丝的区域，待水凝胶成胶和心肌细胞开始收缩后，通过显微镜观察获得蛋白质丝弹簧被心肌细胞拉伸的长度，根据已知的弹性系数和胡克定律即可计算出心肌细胞的收缩力；

心肌细胞的收缩力根据以下公式计算：

F＝k·Δy

其中，F表示心肌细胞的收缩力，单位为μN，k表示蛋白质丝弹簧的弹性系数，单位为N/m(μN/μm)，Δy表示蛋白质丝弹簧被心肌细胞拉伸的长度，单位为μm。

步骤1)和步骤3)蛋白质丝为人头发丝，蚕丝或马鬃中的一种或几种。

步骤1)缠绕用的芯材为铁针，不锈钢针，玻璃毛细管中的任意一种。

缠绕用的芯材的直径为0.1mm到5mm。

步骤1)加热方法为烘箱加热，微波炉加热，电烤箱加热，水煮，灭菌锅加热，水浴加热，油浴加热，电吹风加热中的任意一种。加热的温度为80摄氏度到130摄氏度。加热时间为10分钟到2小时。

步骤3)的聚合物为聚二甲基硅氧烷，聚甲基丙烯酸甲酯，聚氨酯弹性体中的任意一种。

将步骤3)所得到的蛋白质丝弹簧装置用于测量体外心肌组织的收缩力，包括接种人诱导多能干细胞分化得到的心肌组织。

实施例1

首先，将65cm的头发丝一端固定在直径为1mm的不锈钢针上。然后，将头发丝的剩余部分紧密缠绕在钢针上，将另一端固定。随后，将上述缠绕头发丝的钢针放到高压灭菌锅中，120℃处理30min，最后将头发丝取下即可得到头发丝弹簧。

将两根2cm长的头发丝两端固定在聚二甲基硅氧烷(PDMS)槽的一端，将头发丝弹簧一端固定在上述头发丝上，另一端固定在PDMS槽的另一端(图1)，即可得到测量心肌组织收缩力的蛋白质弹簧装置。

实施例2

首先，将70cm的头发丝一端固定在直径为0.5mm的不锈钢针上。然后，将头发丝的剩余部分紧密缠绕在钢针上，将另一端固定。随后，将上述缠绕头发丝的钢针放到水浴锅中，80℃处理20min，最后将头发丝取下即可得到头发丝弹簧。

将两根2cm长的头发丝两端固定在聚二甲基硅氧烷(PDMS)槽的一端，将头发丝弹簧一端固定在上述头发丝上，另一端固定在PDMS槽的另一端(图1)，即可得到测量心肌组织收缩力的蛋白质弹簧装置。

实施例3

首先，将50cm的头发丝一端固定在直径为1.2mm的不锈钢针上。然后，将头发丝的剩余部分紧密缠绕在钢针上，将另一端固定。随后，将上述缠绕头发丝的钢针放到高温高压灭菌锅中，处理60min，最后将头发丝取下即可得到头发丝弹簧。

将头发丝弹簧的一端固定吗，并竖直悬挂，在弹簧底部分别悬挂0.017克和0.034克的塑料球，用数字显示游标卡尺分别测量弹簧的拉伸长度，再利用胡克定律计算出弹簧的弹性系数，得到的系数值为0.02N/m。

将两根1cm长的头发丝平行固定在长方形的聚二甲基硅氧烷(PDMS)槽的一端，间距为0.8cm，然后将头发丝弹簧两端分别固定在PDMS槽的两端，灭菌后，将心肌细胞和水凝胶溶液混合后接种到两根平行头发丝的区域，待水凝胶成胶后，心肌细胞收缩，会拉动弹簧，使弹簧拉伸，根据显微镜下弹簧的形变可以得到弹簧的拉伸长度，再根据胡克定律即可计算出心肌细胞的收缩力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于蛋白质丝弹簧的体外心肌组织收缩力的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)通过缠绕和加热制备得到蛋白质丝弹簧；

2)通过已知质量的球和游标卡尺测量蛋白质丝弹簧的弹性系数；

3)将蛋白质丝弹簧两端分别固定于长方形聚合物槽的两端，再在聚合物槽的其中一端固定两根平行排列的直蛋白质丝，与聚合物槽垂直相交，即获得心肌组织的体外培养和测量平台；

4)将心肌细胞与水凝胶溶液混合，接种到两根平行直蛋白质丝的区域，待水凝胶成胶和心肌细胞开始收缩后，通过显微镜观察获得蛋白质丝弹簧被心肌细胞拉伸的长度，根据已知的弹性系数和胡克定律即可计算出心肌细胞的收缩力。

2.根据权利要求1所述的基于蛋白质丝弹簧的体外心肌组织收缩力的测量方法，其特征在于：所述的步骤1)和步骤3)蛋白质丝为人头发丝，蚕丝或马鬃中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的基于蛋白质丝弹簧的体外心肌组织收缩力的测量方法，其特征在于：步骤1)中，所述的缠绕用的芯材为铁针，不锈钢针，玻璃毛细管中的任意一种。

4.根据权利要求3所述的基于蛋白质丝弹簧的体外心肌组织收缩力的测量方法，其特征在于：步骤1)中，所述的缠绕用的芯材的直径为0.1mm到5mm。

5.根据权利要求1所述的基于蛋白质丝弹簧的体外心肌组织收缩力的测量方法，其特征在于：步骤1)中，所述的加热方法为烘箱加热，微波炉加热，电烤箱加热，水煮，灭菌锅加热，水浴加热，油浴加热，电吹风加热中的任意一种；所述的加热的温度为80摄氏度到130摄氏度，加热时间为10分钟到2小时。

6.根据权利要求1所述的基于蛋白质丝弹簧的体外心肌组织收缩力的测量方法，其特征在于：所述的步骤3)的聚合物选自聚二甲基硅氧烷，聚甲基丙烯酸甲酯和聚氨酯弹性体。

7.根据权利要求1所述的基于蛋白质丝弹簧的体外心肌组织收缩力的测量方法，其特征在于：所述的步骤2)中，蛋白质丝弹簧的弹性系数根据以下公式计算：

其中，k表示蛋白质丝弹簧的弹性系数，单位为N/m，m表示球的质量，单位为kg，g表示当地的重力加速度，单位为m/s²，Δx表示蛋白质丝弹簧被球拉伸的长度，单位为m。

8.根据权利要求7所述的基于蛋白质丝弹簧的体外心肌组织收缩力的测量方法，其特征在于：步骤4)中，所述的心肌细胞的收缩力根据以下公式计算：

F＝k·Δy

其中，F表示心肌细胞的收缩力，单位为μN，Δy表示蛋白质丝弹簧被心肌细胞拉伸的长度，单位为μm。

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