CN112852615A - 一种力-化学耦合生物学实验装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种力‑化学耦合生物学实验装置及其控制方法，实验装置包括：微流动模块、蠕动泵、储液器、活塞室、微调气泵、活塞、盖板、上层容纳盒、卡合固定块、薄膜。通过微调气泵推动活塞室两侧活塞周期性运动，带动弹性气囊周期性舒张，进而为细胞流动提供周期性的流体剪切力和拉伸力，使实验装置内化学物质交换情况、细胞排列、受力情况均与生物体中真实状态高度吻合；本发明的实验装置为细胞学研究提供了有力的工具，使细胞在体外培养条件下生长，有利于医务工作者在体外模拟真实的体内环境，研究各种细胞的生物学功能和作用机理；同时能够解决现有的实验装置容易漏液、漏气的技术难题，提高了实验结果的准确性及工作效率。

Description

一种力-化学耦合生物学实验装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及生物医药技术领域，具体涉及一种力-化学耦合生物学实验装置及其控制方法。

背景技术

细胞在生物体内处于一个充满力学激励的环境、生物力学激励参与了胚胎发育、骨组织平衡、正常心血管系统维持等正常生理过程，而异常的生物力学激励则可能引起动脉血管硬化、骨质疏松等疾病的发生。虽然力学激励功能异常是导致上述疾病的重要因素，但其作用机理尚不清楚，而传统研究方法的局限性阻碍了相关研究进展。

细胞生物学是是以细胞为研究对象的专门研究细胞结构、功能和各种生命规律的一门科学。细胞生物学是现代生命科学的前沿分支学科之一，主要是从细胞的不同结构层次来研究细胞的生命活动的基本规律。从生命结构层次看，细胞在体环境非常复杂，受到力学、化学等许多因素的单独或共同作用，为了更好地观察力化学耦合作用对血管内皮细胞、肿瘤细胞等的作用现象，并深入研究相关分子机制，现有技术中通常设计一套能保证实验组和对照组研究对象受相同力-化学条件刺激的生物实验装置，以解决上述问题，通过对培养的细胞进行周期性张力和化学刺激，有利于在体外模拟人体体内环境。然而，生物体的脉管系统如血管、输尿管、以及组织间隙如骨间隙等均存在的流体剪切力和拉伸力，研究各种细胞的生物学功能和作用机理，现有的力-化学耦合实验装置在进行细胞培养时，仅能提供单一的流体剪切力或机械拉伸力，而无法同时提供流体剪切力和机械拉伸力，且体外培养实验装置内经常出现漏液、漏气以及力学平衡性较差的问题，难以很好地模拟生物体的细胞在脉管内的真实流动情况，实验效率较低。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构简单，设计合理、使用方便的力-化学耦合生物学实验装置：

本发明所述的一种力-化学耦合生物学实验装置，包括：微流动模块、蠕动泵、储液器、活塞室、微调气泵、活塞、盖板、上层容纳盒、卡合固定块、薄膜。所述微流动模块的流体出口通过软管与所述蠕动泵的吸入口连接，所述蠕动泵的排出口通过液力软管与所述储液器的入口连接，所述储液器的出口通过液力软管与流体入口连接，所述微流动模块的第一气流接口与第二气流接口之间连接有气泵，所述气泵由活塞室、微调气泵、活塞组成，所述活塞室内两对活塞，所述微调气泵的气路与活塞室连通，通过所述微调气泵充入/吸收惰性气体，可以推动所述活塞在所述活塞室内移动。所述微流动模块的上部卡合有卡合固定块，所述卡合固定块内部固定有薄膜，所述卡合固定块的上部卡合有上层容纳盒，所述上层容纳盒与盖板呈嵌入式连接。

为了防止装置漏液、漏气，在所述微流动模块卡合固定块之间，以及卡合固定块与上层容纳盒之间均设置密封环。

所述微流动模块呈盒状，所述微流动模块的左、右两侧分别设置有流体出口和流体入口，所述微流动模块的前、后两侧分别设置有第一气流接口和第二气流接口；在细胞液流动方向上，所述流体入口与集液槽的入口连接，所述集液槽的出口通过多个并联的毛细管与所述下层流动腔的入口连接，所述下层流动腔的出口通过多个并联的毛细管与另一集液槽的入口连接，另一集液槽的出口与所述流体出口连接。

所述微流动模块可以采用透明材料制作。

所述盖板为矩形盖状，采用透明材料制作，便于电子显微镜进行观察。所述盖板的上部设置有腔体注入口、化学激励物质添加口、腔体流出口，所述盖板的下部与上层容纳盒之间形成使化学激励物质流动的上层流动腔；通过所述化学激励物质添加口添加化学激励物质，可以实现对细胞的化学激励，使化学物质，如蛋白质，葡萄糖等物质透过薄膜与细胞内的物质进行交换，在实际实验过程中，化学激励物质可以根据实际的实验需求来添加。

所述上层容纳盒呈矩形状，其内部边缘设置有竖直向上的卡合凸起，通过所述卡合凸起卡合所述盖板，对装置内的液体进行密封。

所述微流动模块的第一气流接口和第二气流接口弹性连接下层流动腔的一侧设置有弹性气囊，所述弹性气囊在气压调节下可以扩张或收缩，在所述弹性气囊收缩时，对细胞形成机械拉伸力。因此，细胞在流动培养过程中的受力情况为：平行于细胞液流动方向的流体剪切力和垂直于细胞液流动方向的流体拉伸力。

本发明的一种力-化学耦合生物学实验装置，它采用在实验平台上设置的蠕动泵-储液器子系统、气泵子系统，蠕动泵-储液器子系统通过使流体在微流动模块内产生平行于总流动方向的流体剪切力，而气泵子系统通过活塞的移动可以调节弹性气囊的收缩/扩张程度，进而可以垂直于总流动方向的机械拉伸力，通过流体拉伸力和流体剪切力的共同作用，可使装置内细胞排列，受外力的方式，与生物体各动脉/静脉血管内细胞排列，受力方式相同。

本发明的一种力-化学耦合生物学实验装置，其相对于现有技术，优点在于：通过外部设备提供流体剪切力和流体拉伸力，使装置内细胞在流动过程中的排列方式、受力方式与真实情景相同，上述实验装置为细胞学研究提供了有力的工具，能够解决现有技术中的力-化学激励同时加载装置容易漏液、漏气的技术难题，解决了现有的实验装置精度不高，实验结果不准确的问题，提高了实验结果的准确性及工作效率。

本发明的一种力-化学耦合生物学实验装置，通过微调气泵推动活塞室内两侧活塞周期性运动，可以带动弹性气囊周期性舒张，进而为细胞流动提供周期性的流体剪切力和拉伸力，使实验装置内化学物质交换情况、细胞排列、受力情况均与生物体中真实状态高度吻合；上述实验装置为细胞学研究提供了有力的工具，使细胞在体外培养条件下生长，同时对培养的细胞进行周期性张力和化学刺激，有利于医务工作者在体外模拟真实的体内环境，研究各种细胞的生物学功能和作用机理；同时能够解决现有技术中的力-化学激励同时加载装置容易漏液、漏气的技术难题，解决了现有的实验装置精度不高，实验结果不准确的问题，提高了实验结果的准确性及工作效率。

附图说明

图1是本发明的一种力-化学耦合生物学实验装置系统图；

图2是本发明的生物学实验装置的结构剖面图；

图3是本发明的微流动模块的俯视结构图；

图中，1、微流动模块；1-1、流体出口；1-2、第一气流接口；1-3、流体入口；1-4、第二气流接口；1-5、集液槽；1-6、毛细管；1-7、下层流动腔；2、蠕动泵；3、储液器；4、活塞室；5、微调气泵；6、活塞；7、盖板；7-1、腔体注入口；7-2、化学激励物质添加口；7-3、腔体流出口；7-4、上层流动腔；8、上层容纳盒；8-1、卡合凸起；9、卡合固定块；10、薄膜；11、密封环；12、弹性气囊。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的等同限定。

如图1-3所示，本发明所述的一种力-化学耦合生物学实验装置，包括：微流动模块1、蠕动泵2、储液器3、活塞室4、微调气泵5、活塞6、盖板7、上层容纳盒8、卡合固定块9、薄膜10。微流动模块1的流体出口1-1通过软管与蠕动泵2的吸入口连接，蠕动泵2的排出口通过液力软管与储液器3的入口连接，储液器3的出口通过液力软管与流体入口1-3连接，微流动模块1的第一气流接口1-2与第二气流接口1-4之间连接有气泵，气泵由活塞室4、微调气泵5、活塞6组成，活塞室4内两对活塞6，微调气泵5的气路与活塞室4连通，通过微调气泵5充入/吸收惰性气体，可以推动活塞6在活塞室4内移动。微流动模块 1的上部卡合有卡合固定块9，卡合固定块9内部固定有薄膜10，卡合固定块9 的上部卡合有上层容纳盒8，上层容纳盒8与盖板7呈嵌入式连接，通过盖板7 可以向微流动模块1内注入细胞悬浮液。

进一步参考图2，为了防止装置漏液、漏气，在微流动模块1与卡合固定块 9之间，卡合固定块9与上层容纳盒8之间均设置有密封环11，密封环11采用硅胶液。

薄膜10采用选择透过性透明薄膜，仅允许化学化学化学激励物质中的高分子有机物、水分等通过，因而，通过薄膜10可以模拟血管粘膜。

微流动模块1呈盒状，微流动模块1的左、右两侧面分别设置有流体出口 1-1和流体入口1-3，微流动模块1的前、后两侧面分别设置有第一气流接口1-2 和第二气流接口1-4，流体出口1-1和流体入口1-3均与集液槽1-5的一端连接；两个集液槽1-5的另一端通过多个并联设置的毛细管1-6(相当于生物体内与静脉/动脉血管相连的毛细血管)与下层流动腔1-7(相当于生物体中的静脉/动脉血管)连接；此外，毛细管的作用还在于将外部紊流转化为层流状态(生物体内细胞在血液内流动状态近似为层流)。进而，通过多个毛细管1-6和下层流动腔 1-7可以模拟真实生物体中的血管网局部结构。

盖板7为矩形盖状，采用透明材料制作，便于电子显微镜进行观察，盖板7 的上部设置有腔体注入口7-1、化学激励物质添加口7-2、腔体流出口7-3，盖板7的下部与上层容纳盒之间形成使化学激励物质流动的上层流动腔7-4；通过化学激励物质添加口7-2可以添加化学激励物质，通过所述化学激励物质添加口添加化学激励物质，可以实现对细胞的化学激励，使化学物质，如蛋白质，葡萄糖等物质透过薄膜与细胞内的物质进行交换。在实际实验过程中，化学激励物质可以根据实际的实验需求来添加。需要指出的是，腔体注入口7-1和腔体流出口 7-3与化学激励物质泵送装置(图中未画出)连接。

上层容纳盒呈矩形状，其内部边缘设置有竖直向上的卡合凸起8-1，通过卡合凸起8-1卡合上述盖板7，对装置内的液体进行密封。

进一步参考图3，微流动模块1的第一气流接口1-2和第二气流接口1-4弹性连接下层流动腔1-7的两侧均设置有弹性气囊12，弹性气囊12在气力调节下可以扩张或收缩，在弹性气囊12收缩时，对细胞形成机械拉伸力。因此，细胞在流动培养过程中的受力情况为：平行于细胞培养液流动方向的流体剪切力和垂直于该流动方向的机械拉伸力。

本发明的一种力-化学耦合生物学实验装置，它采用在实验平台上设置的蠕动泵-储液器子系统、气泵子系统，蠕动泵-储液器子系统通过使流体在微流动模块1内产生平行于总流动方向的流体剪切力，而气泵子系统通过活塞的移动可以调节弹性气囊12的收缩/扩张程度，进而可以垂直于总流动方向的机械拉伸力，通过流体拉伸力和流体剪切力的共同作用，可使装置内细胞排列，受外力的方式，与生物体各动脉/静脉血管内细胞排列，受力方式相同。

此外，本发明的一种力-化学耦合生物学实验装置，还包含如下实验方法：

1)取细胞培养液18～25ml加入储液器3中，将化学激励物质(如化学激励液)通过化学激励添加口7-2进入上层流动腔7-4中；

2)设定蠕动泵频率和工作周期，使蠕动泵按设定频率、设定周期进行工作，同时，启动化学激励物质泵送装置，使化学激励物质在薄膜10上形成微流动；

3)通过电子显微镜实时观察并采集下层流动腔中细胞液图像；

4)当医务人员从细胞液图像中获知细胞液已达到预设的培养时间，细胞的外形已达到预期效果，则停止蠕动泵、化学激励物质泵动作；

5)从储液器3中收集样品。

综上所述，本发明的一种力-化学耦合生物学实验装置，通过微调气泵推动活塞室内两侧活塞周期性运动，可以带动弹性气囊12周期性舒张，进而为细胞流动提供周期性的流体剪切力和拉伸力，使实验装置内化学物质交换情况、细胞排列、受力情况均与生物体中真实状态高度吻合；上述实验装置为细胞学研究提供了有力的工具，使细胞在体外培养条件下生长，同时对培养的细胞进行周期性张力和化学刺激，有利于医务工作者在体外模拟真实的体内环境，研究各种细胞的生物学功能和作用机理；同时能够解决现有技术中的力-化学激励同时加载装置容易漏液、漏气的技术难题，解决了现有的实验装置精度不高，实验结果不准确的问题，提高了实验结果的准确性及工作效率。

最后需要说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述具体实施方式已对本发明的技术方案进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而又无需付出创造性劳动的技术方案，仍属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种力-化学耦合生物学实验装置，包括：微流动模块、蠕动泵、储液器、活塞室、微调气泵、活塞、盖板、上层容纳盒、卡合固定块、薄膜。其特征在于：所述微流动模块的流体出口通过软管与所述蠕动泵的吸入口连接，所述蠕动泵的排出口通过液力软管与所述储液器的入口连接，所述储液器的出口通过液力软管与流体入口连接，所述微流动模块的第一气流接口与第二气流接口之间连接有气泵，所述气泵由活塞室、微调气泵、活塞组成，所述活塞室内两对活塞，所述微调气泵的气路与活塞室连通，通过所述微调气泵充入/吸收惰性气体，推动所述活塞在所述活塞室内移动。所述微流动模块的上部卡合有卡合固定块，所述卡合固定块内部固定有透明状的薄膜，所述卡合固定块的上部卡合有上层容纳盒，所述上层容纳盒与盖板呈嵌入式连接。

2.根据权利要求1所述的一种力-化学耦合生物学实验装置，其特征在于：所述薄膜具有选择透过性，所述微流动模块与卡合固定块之间以及卡合固定块与上层容纳盒之间均设置有密封环，所述密封环由硅胶液涂覆凝固而成。

3.根据权利要求1所述的一种力-化学耦合生物学实验装置，其特征在于：所述微流动模块呈盒状，所述微流动模块的左、右两侧分别设置有流体出口和流体入口，所述微流动模块的前、后两侧分别设置有第一气流接口和第二气流接口；在细胞液流动方向上，所述流体入口与集液槽的入口连接，所述集液槽的出口通过多个并联的毛细管与所述下层流动腔的入口连接，所述下层流动腔的出口通过多个并联的毛细管与另一集液槽的入口连接，另一集液槽的出口与所述流体出口连接。

4.根据权利要求3所述的一种力-化学耦合生物学实验装置，其特征在于：所述盖板为矩形盖状，采用透明材料制作；所述盖板的上部设置有腔体注入口、化学激励物质添加口、腔体流出口，所述盖板的下部与上层容纳盒之间形成使化学激励物质流动的上层流动腔。

5.根据权利要求3所述的一种力-化学耦合生物学实验装置，其特征在于：所述微流动模块的第一气流接口和第二气流接口弹性连接下层流动腔的一侧设置有弹性气囊。

6.一种力-化学耦合生物学实验方法，用于如权利要求4-6任一项所述的一种力-化学耦合生物学实验装置，所述实验方法具体步骤如下：

1)取细胞培养液18～25ml加入所述储液器中，将化学激励物质通过化学激励添加口加入上层流动腔中；

2)设定蠕动泵的频率和工作周期，使蠕动泵按设定频率、设定周期进行工作，同时，启动化学激励物质泵送装置，使化学激励物质在薄膜上形成微流动；

3)通过电子显微镜实时观察并采集下层流动腔中细胞液图像；

4)当医务人员从所述细胞液图像中判断出细胞液已达到预设的培养时间，细胞的外形已达到预期效果，则停止蠕动泵、化学激励物质泵动作；

5)从储液器中收集样品。

Images