CN112322492B - 一种神经轴突三维牵拉培育系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于医学神经培育技术领域，尤其涉及一种神经轴突三维牵拉培育系统，包括牵拉和培育装置、以及与牵拉和培育装置连接的控制系统，牵拉和培育装置包括水平设置的培育平台、以及设于培育平台上的固定底座和活动底座，活动底座上设置有细胞培养槽，细胞培养槽连接有牵拉机构和旋转机构；控制系统包括与牵拉机构和旋转机构连接的控制器、以及上位机，上位机与控制器连接；本发明能够灵活控制轴突生长的长度、方向、速度；可和在二维环境下培养出的轴突细胞进行试验对照，从而为病人培育出质量更高的长度合适、生长规律的神经组织，用于神经损失修复，具有广泛的应用前景。

Description

一种神经轴突三维牵拉培育系统

技术领域

本发明涉及医学神经培育的技术领域，尤其涉及一种神经轴突三维牵拉培育系统。

背景技术

根据第二次全国残疾人抽样调查结果，我国有8296万残疾人，占总人口5％，其中肢残者为2412万，占残疾人总数的29.07％，肢残病人中大约有600万截肢病人和数百万因脊髓损伤导致的截瘫病人。此外，由于意外事故、自然灾害、恶性疾病等原因，每年还会新增大量神经损伤患者。

神经损伤后需对断开神经两端进行修剪，并填充神经组织或其他生物材料作为桥接材料来诱导两端神经重新生长连接在一起。常用的生物体材料有：动、静脉管，羊膜以及骨骼肌等，这些材料都含有基底膜，其成分与细胞外基质相似，可促进轴突的再生。但是生物导管容易塌陷，无法修复长距离的神经缺损。对于长距离的神经缺损，在导管中填充机体细胞，弥补神经缺损区域会起到更好的修复效果。常用于填充在导管中的细胞有嗅鞘细胞、星形胶质细胞、干细胞等。其中，干细胞具有分化能力，可根据患者需求，分化成对应的运动神经元、感觉神经元，甚至神经胶质细胞，作为一种很有潜力的神经修复材料，应用最为广泛。但是，目前干细胞技术诱导效率低、价格贵、周期长且容易形成神经瘤。

随着组织工程的发展，人工神经开始应用于神经修复。人工神经主要是采用一些生物兼容性好、可降解的材料作为神经生长的支架，引导损伤的神经末梢生长。一个理想的神经支架应满足以下性质：①高孔隙率和连通孔网络的三维结构，以便于细胞、组织的生长，营养的供应以及代谢废物的排放；②合适的降解速度以匹配组织的生长；③合适的表面化学性质以便于细胞的粘附和分化；④足够的结构强度以提供支撑。常用的支架材料有水凝胶、胶原、甲基纤维素、琼脂糖、聚乳酸、聚羟基乙酸、聚乳酸-羟基乙酸等。

但对于长距离的神经缺损，在支架中填充机体细胞，弥补神经缺损区域会起到更好的修复效果。往往自体神经是最为理想的桥接材料，一方面可以填补损伤缺陷，而不会引起机体的免疫反应；另一方面能给截断神经的近端末梢延伸到远端末梢提供一个内在的导引。但是，自体神经有许多明显的限制，首先，被截取的神经会永久的失去功能，并有形成神经瘤的风险；其次，由于来源有限、直径不匹配等原因根本无法满足修复大量损坏神经的需求。

中国发明专利201010583804.0公开了一种用于细胞牵拉刺激的高通量培养装置。该装置使用嵌有硅胶膜的双层有机玻璃孔板结构，通过使用单一压力源对硅胶膜上所有细胞培养单元同时施加周期性压力，从而对细胞牵拉实现控制。该装置不仅可以精细调节薄膜拉伸量、实现周期性牵拉，而且还可以直接在倒置显微镜下观察。但该方法主要依靠硅胶材料的形变来对细胞进行重复牵拉，这种方式不适合神经细胞的培养。

中国发明专利CN201410403385.6公开了一种神经轴突牵拉生长装置。该装置是对神经轴突进行牵拉培养，但该装置采用贴壁方法培养神经细胞，导致细胞一般都呈二维状态，但生物体内的神经束是三维的圆柱体，只有三维形态的神经束，才能更直接的应用于病人。

因此，诱导神经定向生长，快速培养一段长度合适、排列规律的自体神经组织是神经损伤修复的前提条件。为解决上述问题，本发明模拟胚胎发育期轴突的快速生长方式，基于神经的三维结构，开发一套快速培育自体神经组织的轴突三维牵拉培育系统。

发明内容

基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种神经轴突三维牵拉培育系统，可灵活控制神经轴突生长的长度、方向、速度，实现三组细胞的三维差速牵拉培养。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：

一种神经轴突三维牵拉培育系统，包括牵拉和培育装置、以及与牵拉和培育装置连接的控制系统，所述牵拉和培育装置包括水平设置的培育平台、以及设于培育平台上的固定底座和活动底座，所述活动底座上设置有细胞培养槽，所述细胞培养槽连接有牵拉机构和旋转机构；

所述控制系统包括与牵拉机构和旋转机构连接的控制器、以及上位机，所述上位机与控制器连接。

进一步地，所述细胞培养槽呈长方体结构，所述细胞培养槽上设有一匹配设置的盖子，所述细胞培养槽内设有一横向设置的支撑块，所述细胞培养槽内设有纵向设置的两根支撑杆，两根所述支撑杆穿插于支撑块，所述支撑块的一侧设有牵拉杆，所述牵拉杆的一端穿过细胞培养槽与牵拉块固定连接，所述牵拉杆的另一端与支撑块固定连接，所述支撑块的另一侧设有三组细胞培养座组件，三组所述细胞培养座组件并排间隔设置。

进一步地，每组所述细胞培养座组件包括与支撑块连接的第一培养座、可伸缩杆和第二培养座，所述可伸缩杆的一端与第一培养座连接，所述可伸缩杆的另一端与第二培养座的一端连接，所述第二培养座的另一端通过滚轴与旋转轴连接。

进一步地，所述第一培养座的端部粘接有第一牵拉膜，所述第二培养座靠近第一培养座的一端粘接有第二牵拉膜，所述第一牵拉膜的延伸部与第二牵拉膜的延伸部粘接。

进一步地，所述牵拉机构包括第一步进电机、设于细胞培养槽外侧的主动齿轮和从动齿轮，所述从动齿轮设于主动齿轮的两侧并与主动齿轮啮合，所述第一步进电机通过连接轴与主动齿轮连接，所述主动齿轮和从动齿轮均与细胞培养槽内侧的旋转轴连接，所述第一步进电机能够通过主动齿轮和从动齿轮带动细胞培养座组件旋转。

进一步地，所述牵拉机构还包括第二步进电机、滚珠丝杆直线滑台和牵拉连接块，所述第二步进电机与滚珠丝杆直线滑台连接，所述滚珠丝杆直线滑台与牵拉连接块连接，所述牵拉连接块通过联轴器与细胞培养槽外侧的牵拉块连接，所述第二步进电机能够通过滚珠丝杆直线滑台、牵拉连接块和联轴器带动牵拉杆和细胞培养座组件产生位移。

进一步地，所述旋转机构包括第三步进电机，所述第三步进电机与活动底座底部的旋转杆的一端连接，所述旋转杆的另一端与杆支撑块插接，且杆支撑块固定安装在固定底座上，所述第三步进电机能够通过旋转杆带动活动底座旋转30度。

进一步地，所述细胞培养槽的左右两侧设有与外界相通的孔道。

进一步地，所述固定底座、活动底座、细胞培养槽和支撑块均采用聚四氟乙烯材料制成，所述盖子采用有机玻璃材料制成，所述牵拉杆、支撑杆和可伸缩杆均采用不锈钢材料制成。

进一步地，所述第一牵拉膜和第二牵拉膜均采用厚度为50μm的聚三氟氯乙烯薄膜。

由上，本发明提供的种神经轴突三维牵拉培育系统至少具有如下有益效果：

1、本发明为细胞提供一种三维运动的牵拉生长环境，灵活控制轴突生长的长度、方向、速度；可和在二维环境下培养出的轴突细胞进行试验对照，从而为病人培育出质量更高的长度合适、生长规律的神经组织，用于神经损失修复，具有广泛的应用前景。

2、通过本发明构建的牵拉控制系统，能够在三维运动的培育环境下同时对多个独立的细胞牵拉装置进行牵拉，方便实验对照；还能在三维运动的培育环境下牵拉不同的神经细胞或组织轴突，同时培育运动、感觉等不同功能的神经组织进行移植。

3、本发明使用的牵拉膜均采用聚三氟氯乙烯薄膜，该膜生物兼容性好、透明，且抗高温高压，不易发生形变，方便灭菌、观察和牵拉。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中细胞培养槽的结构示意图；

图3为本发明中活动底座的结构示意图；

图4为本发明中单组细胞培养座组件的结构示意图；

图5为本发明中第一牵拉膜和第二牵拉膜的连接示意图；

图6为本发明的原理方框图。

图中：1-培育平台、2-细胞培养槽、3-第一步进电机、4-第二步进电机、5-第三步进电机、6-滚珠丝杆直线滑台、7-牵拉连接块、8-杆支撑块、9-联轴器、10-联轴器、11-孔道、12-主动齿轮、13-从动齿轮、14-上位机、15-控制器、16-活动底座、17-盖子、18-旋转杆、19-第一培养座、20-第二培养座、21-可伸缩杆、22-旋转轴、23-滚轴、24-支撑块、25-支撑杆、26-牵拉块、27-第一牵拉膜、28-第二牵拉膜、29-牵拉杆。

具体实施方式

参照图1-图6，本发明的神经轴突三维牵拉培育系统，包括牵拉和培育装置、以及与牵拉和培育装置连接的控制系统，所述牵拉和培育装置包括水平设置的培育平台1、以及设于培育平台1上的固定底座10和活动底座16，所述活动底座16上设置有细胞培养槽2，所述细胞培养槽2连接有牵拉机构和旋转机构；

本发明的控制系统包括与牵拉机构和旋转机构连接的控制器15、以及上位机14，所述上位机14与控制器15连接；其中，上位机14通过编程可控制牵拉的参数，包括细胞牵拉的位移、速度、持续时间等，控制器15用于接收上位机14的控制指令，从而驱动牵拉机构和旋转机构动作。

具体的，所述细胞培养槽2呈长方体结构，该细胞培养槽2为一体化设计结构，所述细胞培养槽2上设有一匹配设置的盖子17，盖子17采用有机玻璃材料制成，并使用螺丝将其与细胞培养槽2进行紧固，形成密封培养环境；所述细胞培养槽2内设有一横向设置的支撑块24，该支撑块24位于细胞培养槽2内中部位置，可在细胞培养槽2内移动，以满足实际使用需求；所述细胞培养槽2内设有纵向设置的两根支撑杆25，该两根支撑杆25位于下述三组细胞培养座组件的两侧，其两端部采用螺丝与细胞培养槽2紧固连接，两根所述支撑杆25穿插于支撑块24，并使得支撑块24保持平衡，所述支撑块24的一侧设有牵拉杆29，所述牵拉杆29的一端穿过细胞培养槽2与牵拉块26螺丝固定连接，所述牵拉杆29的另一端与支撑块24固定连接，这样可防止牵拉杆29在细胞培养期间出现松动现象，所述支撑块24的另一侧设有三组细胞培养座组件，三组所述细胞培养座组件并排间隔设置，这里可通过三组细胞培养座组件实现三组细胞的三维差速牵拉培养，设计时可根据实际需求确定组数，以满足使用需求。

其中，所述细胞培养槽2的左右两侧设有与外界相通的孔道11，培养时将该孔道11插上软管将细胞培养箱的空气通过气泵导入，维持细胞培养槽5％的二氧化碳环境及细胞生长所需的温度和湿度环境。

具体的，参照图4，每组所述细胞培养座组件包括与支撑块24连接的第一培养座19、可伸缩杆21和第二培养座20，所述可伸缩杆21的一端与第一培养座19连接，所述可伸缩杆21的另一端与第二培养座20的一端连接，所述第二培养座20的另一端通过滚轴23与旋转轴22连接。

具体的，参照图5，所述第一培养座19的端部粘接有第一牵拉膜27，所述第二培养座20靠近第一培养座19的一端粘接有第二牵拉膜28，所述第一牵拉膜27的延伸部与第二牵拉膜28的延伸部粘接；该第一牵拉膜27和第二牵拉膜28均为长方形的透明性薄膜，用硅胶垂直粘附在第一培养座19和第二培养座20的端部，并使得第一牵拉膜27延伸部分与第二牵拉膜28紧贴，通过机械牵拉可对贴附与第一牵拉膜27和第二牵拉膜28上生长的轴突产生机械刺激。

其中，所述固定底座10、活动底座16、细胞培养槽2和支撑块24均采用聚四氟乙烯材料制成，所述牵拉杆29、支撑杆25和可伸缩杆21均采用不锈钢材料制成；所述第一牵拉膜27和第二牵拉膜28均采用厚度为50μm的聚三氟氯乙烯薄膜，该膜生物兼容性好、透明，且抗高温高压，不易发生变形，方便灭菌、观察和牵拉。

具体的，所述牵拉机构包括第一步进电机3、设于细胞培养槽2外侧的主动齿12轮和从动齿轮13，所述从动齿轮13设于主动齿轮12的两侧并与主动齿轮12啮合，所述第一步进电机3通过连接轴与主动齿轮12连接，所述主动齿轮12和从动齿轮13均与细胞培养槽2内侧的旋转轴22连接，所述第一步进电机3能够通过主动齿轮12和从动齿轮13带动细胞培养座组件旋转。

具体的，本发明的牵拉机构还包括第二步进电机4、滚珠丝杆直线滑台6和牵拉连接块7，所述第二步进电机4与滚珠丝杆直线滑台6连接，所述滚珠丝杆直线滑台6与牵拉连接块7连接，所述牵拉连接块7通过联轴器9与细胞培养槽2外侧的牵拉块26连接，所述第二步进电机4能够通过滚珠丝杆直线滑台6、牵拉连接块7和联轴器9带动牵拉杆29和细胞培养座组件产生位移。

本发明的旋转机构包括第三步进电机5，所述第三步进电机5与活动底座16底部的旋转杆18的一端连接，所述旋转杆18的另一端与杆支撑块8插接，且杆支撑块8固定安装在固定底座10上，所述第三步进电机5能够通过旋转杆18带动活动底座16旋转30度。

本实施例中，由第三步进电机5带动旋转杆18使得固定于培育平台1上的活动底座16旋转30度；由第二步进电机4带动滚珠丝杆直线滑台6、牵拉连接块7和联轴器9带动牵拉杆29和细胞培养座组件产生平移运动；与此同时，由第一步进电机3带动主动齿轮12和从动齿轮13旋转，进而带动连接的旋转轴22旋转，由于旋转轴22套入滚轴23，从而带动第二培养座20和可伸缩杆21旋转，进而由可伸缩杆21带动第一培养座19旋转。

在本实施例中，使用前，先将第一牵拉膜27和第二牵拉膜28剪裁为所需要的形状，第一牵拉膜27一侧打磨成平滑的坡度，然后将所有部件用去离子水清洗2-3遍，再用酒精和紫外线灯灭菌消毒。装配时，用螺丝将牵拉杆29紧固，移动支撑块24至合适的位置，然后在第一培养座19、第二培养座20端部涂上硅胶，用镊子夹取第一牵拉膜27和第二牵拉膜28分别慢慢贴附上去，并使用灭菌棉棒的一头轻轻按压，将多余的的硅胶挤压出来。装置装配完毕后，在紫外灯下放置数小时至硅胶凝固，然后将一端慢慢贴附上去，并使用灭菌棉棒的一头轻轻按压,将多余的硅胶挤压出来。装置装配完毕后，在紫外灯下放置数小时至硅胶凝固，然后加入无菌水浸泡数天，至硅胶乙酸释放完毕，方可进行细胞培养。将神经细胞或者组织放置于第一牵拉膜27和第二牵拉膜28两侧，相距100微米以内，待两侧的神经细胞形成突触连接，即可对轴突进行机械牵拉。为防止机械牵拉位移过大从而使轴突断裂，每次牵拉的步距需设计为1-2μm。

在本实施例中，由数据线将上位机14控制指令下载到控制器15，从而驱动第三步进电机5旋转，带动底座16旋转至30°；驱动第二步进电机4，进而通过联轴器9带动固定在滚珠丝杆线性滑台6上的牵拉连接块7产生位移，牵拉连接块7通过牵拉杆和支撑块带动第一牵拉膜27在第二牵拉膜28上移动；驱动第三步进电机5带动主动齿轮12旋转，由主动齿轮12带动左右两侧的从动齿轮13旋转，进而带动培养座旋转，从而对生长在牵拉膜27和牵拉膜28上的神经轴突产生三维牵拉。

综上所述，本发明能够灵活控制轴突生长的长度、方向、速度；可和在二维环境下培养出的轴突细胞进行试验对照，从而为病人培育出质量更高的长度合适、生长规律的神经组织，用于神经损失修复，具有广泛的应用前景。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解得到的变换或者替换，都应该涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (4)

1.一种神经轴突三维牵拉培育系统，包括牵拉和培育装置、以及与牵拉和培育装置连接的控制系统，其特征在于，所述牵拉和培育装置包括水平设置的培育平台(1)、以及设于培育平台(1)上的固定底座(10)和活动底座(16)，所述活动底座(16)上设置有细胞培养槽(2)，所述细胞培养槽(2)连接有牵拉机构和旋转机构；

所述控制系统包括与牵拉机构和旋转机构连接的控制器(15)、以及上位机(14)，所述上位机(14)与控制器(15)连接；

所述细胞培养槽(2)呈长方体结构，所述细胞培养槽(2)上设有一匹配设置的盖子(17)，所述细胞培养槽(2)内设有一横向设置的支撑块(24)，所述细胞培养槽(2)内设有纵向设置的两根支撑杆(25)，两根所述支撑杆(25)穿插于支撑块(24)，所述支撑块(24)的一侧设有牵拉杆(29)，所述牵拉杆(29)的一端穿过细胞培养槽(2)与牵拉块(26)固定连接，所述牵拉杆(29)的另一端与支撑块(24)固定连接，所述支撑块(24)的另一侧设有三组细胞培养座组件，三组所述细胞培养座组件并排间隔设置；

每组所述细胞培养座组件包括与支撑块(24)连接的第一培养座(19)、可伸缩杆(21)和第二培养座(20)，所述可伸缩杆(21)的一端与第一培养座(19)连接，所述可伸缩杆(21)的另一端与第二培养座(20)的一端连接，所述第二培养座(20)的另一端通过滚轴(23)与旋转轴(22)连接；

所述第一培养座(19)的端部粘接有第一牵拉膜(27)，所述第二培养座(20)靠近第一培养座(19)的一端粘接有第二牵拉膜(28)，所述第一牵拉膜(27)的延伸部与第二牵拉膜(28)的延伸部粘接；

所述牵拉机构包括第一步进电机(3)、设于细胞培养槽(2)外侧的主动齿轮 (12)和从动齿轮(13)，所述从动齿轮(13)设于主动齿轮(12)的两侧并与主动齿轮(12)啮合，所述第一步进电机(3)通过连接轴与主动齿轮(12)连接，所述主动齿轮(12)和从动齿轮(13)均与细胞培养槽(2)内侧的旋转轴(22)连接，所述第一步进电机(3)能够通过主动齿轮(12)和从动齿轮(13)带动细胞培养座组件旋转；

所述牵拉机构还包括第二步进电机(4)、滚珠丝杆直线滑台(6)和牵拉连接块(7)，所述第二步进电机(4)与滚珠丝杆直线滑台(6)连接，所述滚珠丝杆直线滑台(6)与牵拉连接块(7)连接，所述牵拉连接块(7)通过联轴器(9)与细胞培养槽(2)外侧的牵拉块(26)连接，所述第二步进电机(4)能够通过滚珠丝杆直线滑台(6)、牵拉连接块(7)和联轴器(9)带动牵拉杆(29)和细胞培养座组件产生位移；

所述旋转机构包括第三步进电机(5)，所述第三步进电机(5)与活动底座(16)底部的旋转杆(18)的一端连接，所述旋转杆(18)的另一端与杆支撑块(8)插接，且杆支撑块(8)固定安装在固定底座(10)上，所述第三步进电机(5)能够通过旋转杆(18)带动活动底座(16)旋转30度。

2.如权利要求1所述的一种神经轴突三维牵拉培育系统，其特征在于，所述细胞培养槽(2)的左右两侧设有与外界相通的孔道(11)。

3.如权利要求1所述的一种神经轴突三维牵拉培育系统，其特征在于，所述固定底座(10)、活动底座(16)、细胞培养槽(2)和支撑块(24)均采用聚四氟乙烯材料制成，所述盖子(17)采用有机玻璃材料制成，所述牵拉杆(29)、支撑杆(25)和可伸缩杆(21)均采用不锈钢材料制成。

4.如权利要求1所述的一种神经轴突三维牵拉培育系统，其特征在于，所述第一牵拉膜(27)和第二牵拉膜(28)均采用厚度为50μm的聚三氟氯乙烯薄膜。

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