CN113214991A - 一种模拟细胞力学微环境的细胞培养装置 - Google Patents

一种模拟细胞力学微环境的细胞培养装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种模拟细胞力学微环境的细胞培养装置，包括气体驱动装置、培养槽以及体声波发生器，在培养槽中设置软体气动腔，将培养液倒置在软体气动腔的表面，通过气体驱动装置对软体气动腔进行充放气，使软体气动腔的顶部变形，以软体气动腔的变形力作为组织宏观水平力学刺激的加载方法，同时通过体声波发生器对培养液中的细胞施加体声波，以体声波作为细胞微观水平力学刺激的加载方法，体声波能够作用于所有类型的细胞上，实现对细胞的精确操纵，同时声波操纵不会对细胞造成损伤，该装置将声流控技术与软驱动技术相结合，使该细胞培养装置能够对细胞兼顾宏观和微观力学刺激，实现体外微组织培养过程中细胞力学微环境的模拟。

Description

一种模拟细胞力学微环境的细胞培养装置
技术领域
本发明属于生物技术领域，尤其是一种基于声流控与软基驱动技术的体外模拟复杂结构和组织细胞的力学微环境的细胞培养装置。
背景技术
类器官是指在微流控系统中构建具有三维多细胞复杂结构和组织功能的微组织或微器官，用于体外模拟整个器官和多器官系统的活动、力学环境和生理反应。类器官芯片的研究在生命科学、新药研发、个性化医疗、毒性预测和生物防御等领域有着巨大的应用潜力。2019年《Science》刊发了以类器官芯片为主题的专刊，综述了类器官芯片的应用前景和当前发展所面临的问题，指出如何有效地控制类器官芯片的细胞微环境是类器官芯片面临的主要问题之一。
细胞的力学微环境是细胞微环境的重要组成部分，其包括组织生长过程中细胞有规则的排列、细胞间的相互作用力、周围流体对细胞的作用力、活体器官运动对组织的刺激等力学环境，对组织生长和再生过程中细胞的增殖、分化、迁移以及组织形态的建立有着重要的影响。模拟细胞的力学微环境不仅需要在微观水平(十几微米)上控制细胞所受到的作用力，还需在宏观水平(毫米甚至厘米)上控制组织所受到的作用力。
细胞水平的力学微环境模拟的力学刺激加载方式有光镊、原子力显微镜、玻璃微管等；组织水平的力学微环境模拟通过昂贵的夹具对构建细胞微环境的软体基底材料加载力学刺激。现有的微观和宏观力学加载方法存在价格昂贵、设备复杂、对微环境有干扰、难以实现宏微观力学刺激兼顾等缺点。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于细胞力学微环境模拟的细胞培养装置，实现体外微组织培养过程中细胞力学微环境的模拟。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种模拟细胞力学微环境的细胞培养装置，包括气体驱动装置、培养槽和体声波发生器；
所述培养槽中嵌置有软体气动腔，气体驱动装置与软体气动腔连接，用于对软体气动腔充放气，培养液位于软体气动腔的顶面，体声波发生器固接在培养槽上，并位于培养液的顶部，用于对培养液输出体声波，软体气动腔的顶部嵌置有柔性传感器。
优选的，所述软体气动腔中设置有多个气动室，多个气动室相互连通。
优选的，所述软体气动腔的底部设置有底部通道，每个气动室与底部通道连通，第一个气动室与通过管道与气体驱动装置连接。
优选的，所述柔性传感器包括设置在软体气动腔顶部的微通道，微通道中灌注有液态金属。
优选的，所述体声波发生器包括陶瓷压电片、功率放大器和信号发生器；
所述陶瓷压电片固定在培养槽内壁上，并位于软体气动腔的上表面，陶瓷压电片通过功率放大器与信号发生器连接。
优选的，所述气体驱动装置包括电机、丝杠滑台导轨模组和气缸；
所述电机与丝杠滑台导轨模组连接，丝杠滑台导轨模组与气缸的活塞连接，气缸的缸体与软体气动腔连接。
优选的，所述丝杠滑台导轨模组包括支撑座、滚珠丝杠和滑块；
所述滚珠丝杠的两端转动支撑在支撑座的两端，支撑座的顶面设置有导轨，滑块配装在滚珠丝杠上并与导轨滑动连接，电机的输出轴通过联轴器与滚珠丝杠连接，气缸的活塞与滑块连接。
优选的，所述缸体的活塞端与支撑座连接，缸体远离支撑座的一端上方设有出气孔，出气孔通过管道与软体气动腔连通。
优选的，所述电机通过步进电机驱动器与步进电机控制器连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种模拟细胞力学微环境的细胞培养装置，包括气体驱动装置、培养槽以及体声波发生器，在培养槽中设置软体气动腔，将培养液倒置在软体气动腔的表面，通过气体驱动装置对软体气动腔进行充放气，使软体气动腔的顶部变形，以软体气动腔的变形力作为组织宏观水平力学刺激的加载方法，同时通过体声波发生器对培养液中的细胞施加体声波，以体声波作为细胞微观水平力学刺激的加载方法，体声波能够作用于所有类型的细胞上，实现对细胞的精确操纵，同时声波操纵不会对细胞造成损伤，该装置将声流控技术与软驱动技术相结合，使该细胞培养装置能够对细胞兼顾宏观和微观力学刺激，实现体外微组织培养过程中细胞力学微环境的模拟。
附图说明
图1为本发明细胞培养装置的三维视图。
图2为本发明驱动装置的立体结构图。
图3为本发明软体培养槽的立体结构图。
图4为本发明中软体气动腔的内部结构图。
图5为本发明中柔性传感器的结构图。
图中：气体驱动装置1包括步进电机控制器11、步进电机驱动器12、控制步进电机13、联轴器14、滚珠丝杠15、滑块16、活塞杆17、气缸18；培养槽2包括玻璃槽22、陶瓷压电片21、软体气动腔24、柔性传感器23、圆孔25、底座26、硅胶231、液态金属232、气动室241、底部通道242、通气孔243；信号输出3包括信号发生器31、功率放大器32。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参照图1，一种模拟细胞力学微环境的细胞培养装置，包括气体驱动装置1、培养槽2以及体声波发生器3三大部分组成。
如图2所示，所述气体驱动装置1包括步进电机控制器11以及与其连接的步进电机驱动器12，步进电机驱动器12设置在步进电机控制器11的下方，步进电机驱动器12经导线与步进电机13相连，步进电机控制器11输出的脉冲信号经过步进电机驱动器12转换为能够控制步进电机13转动的强电流信号，步进电机13的输出轴与丝杠滑台导轨模组连接。
丝杠滑台导轨模组包括支撑座、滚珠丝杠15和滑块16。
滚珠丝杠15的两端转动支撑在支撑座的两端，支撑座的顶面设置有导轨，滑块配装在滚珠丝杠15上并与导轨滑动连接，步进电机13的输出轴通过联轴器14与滚珠丝杠15连接。
支撑座的一端设置气缸18，气缸18的活塞杆17与滑块16固定连接，气缸18远离支撑座的一端上方设有出气孔，活塞杆17的往复运动实现气缸18的充放气过程。
如图3所示，所述培养槽2包括玻璃槽22、软体气动腔24和陶瓷压电片21。
软体气动腔24嵌置在玻璃槽22中，气缸18通过通气孔与软体气动腔24连通，培养液位于软体气动腔24的顶部，软体气动腔24的上表面嵌置有柔性传感器23，用于检测软体气动腔的变形度，玻璃槽22的顶部设置有体声波发生器，用于对培养液发射体声波。
具体的，玻璃槽侧壁有供气管进入的圆孔25，玻璃槽22内部设有软体气动腔24，软体气动腔24四周与下底面与玻璃槽紧密贴合，软体气动腔24由硅胶制成，软体气动腔24中设有多个间隔的腔室，并且多个腔室连通，软体气动腔24侧壁的中部设有通气孔243，气缸18的出气孔通过管道与通气孔243连接，在气缸18的往复推动下软体气动腔24上表面会产生变形运动以模拟细胞宏观力学刺激，软体气动腔24上表面硅胶中嵌有柔性传感器23，柔性传感器应用于软体气动腔上用以实时检测弯曲角度，监控细胞培养装置的工作状态。
体声波发生器3包括陶瓷压电片21、功率放大器32和信号发生器31。
陶瓷压电片21固定在玻璃槽内壁上，并位于软体气动腔24的顶部，陶瓷压电片21通过功率放大器32与信号发生器31连接。
陶瓷压电片21在由功率放大器32放大的驱动信号驱动下产生体声波，体声波作用于软体培养槽中流体以及其中所培养的细胞，在声波的作用下，细胞受到声辐射力的力学微观刺激后移向声压节点处，功率放大器32放大的驱动信号是信号发生器31产生的正弦激励信号。为了最大化传递到压电陶瓷片的电力，功率放大器放大倍数约为50倍。
如图4所示，软体气动腔24内部有五个间隔的气动室241，软体气动腔24的底部设置有底部通道242，每个气动室241与底部通道242连通，使多个气动室241内部气压一致，软体气动腔24中有通气孔243，通气孔243引出的气管与气缸18相通。
如图5所示，柔性传感器23采用Galinstan液态金属作为敏感材料，柔性传感器23由硅胶231以及硅胶231内部微通道中的Galinstan液态金属232构成，所述硅胶231内部微通道截面是边长0.5mm的正方形横截面，所述Galinstan液态金属232是柔性传感器中的感性元件。
下面对本发明提供的一种模拟细胞力学微环境的细胞培养装置的工作原理进行详细的说明。
步骤1，将培养液倒入玻璃槽22中，使培养液位于软体气动腔24的顶部。
步骤2，步进电机控制器11输出的脉冲信号经过步进电机驱动器12转换为能够控制控制步进电机13转动的强电流信号，进而使步进电机13转动，步进电机通过联轴器带动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠带动滑块沿轴向往复运动，进而滑块带动气缸的活塞往复移动，对软体气动腔24进行充放气，并通过柔性传感器23检测软体气动腔24的变形量。
步骤3，信号发生器31发生正弦激励信号并经功率放大器放大后，通过陶瓷压电片21产生体声波，体声波作用于培养液中的细胞上，在声波的作用下，心肌细胞受到声辐射力的力学微观刺激后移向声压节点处，排布成心肌组织特定的三维结构。
该模拟细胞力学微环境的细胞培养装置，结合声流控技术与软基驱动技术，以体声波作为微观(细胞)水平力学刺激的加载方法，以软体气动腔驱动作为宏观(组织)水平力学刺激的加载方法，将软体气动腔和体声波相结合，兼顾宏观和微观力学刺激。
采用压电效应将陶瓷压电片21产生的声波传播到流体中，流体中细胞受到声辐射力等微观力学刺激，移向声学激发的压力节点，陶瓷压电片21产生的超声波具有非入侵、易与其他技术集成、高通量、处理要求低并能作用于几乎所有类型的细胞上等优点，不仅能够精确地操纵细胞，而且不会对细胞造成损伤。
软体气动腔24具备无限自由度和连续变形能力，为软体基底上培养细胞提供宏观力学刺激，同时柔性传感器可以将检测到的电阻数据转化为软体气动腔24上表面弯曲角度，实时监控细胞培养装置的工作状态。软体气动腔21由硅胶浇注而成，硅胶具有良好的生物相容性，且物理化学性质稳定，不但有利于细胞培养实验中细胞附着软体基底生长，而且可以保正细胞培养装置长时间稳定工作。该发明设备简单便携，集成度高，宏微观力学刺激控制快速精准，开放式易操作和维护，集成了多种不同功能。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种模拟细胞力学微环境的细胞培养装置，其特征在于，包括气体驱动装置(1)、培养槽(2)和体声波发生器(3)；
所述培养槽(2)中嵌置有软体气动腔(24)，气体驱动装置(1)与软体气动腔(24)连接，用于对软体气动腔(24)充放气，培养液位于软体气动腔(24)的顶面，体声波发生器(3)固接在培养槽上，并位于培养液的顶部，用于对培养液输出体声波，软体气动腔(24)的顶部嵌置有柔性传感器(23)。
2.根据权利要求1所述的一种模拟细胞力学微环境的细胞培养装置，其特征在于，所述软体气动腔(24)中设置有多个气动室，多个气动室相互连通。
3.根据权利要求2所述的一种模拟细胞力学微环境的细胞培养装置，其特征在于，所述软体气动腔(24)的底部设置有底部通道(242)，每个气动室(241)与底部通道(242)连通，第一个气动室与通过管道与气体驱动装置(1)连接。
4.根据权利要求1所述的一种模拟细胞力学微环境的细胞培养装置，其特征在于，所述柔性传感器(23)包括设置在软体气动腔(24)顶部的微通道，微通道中灌注有液态金属。
5.根据权利要求1所述的一种模拟细胞力学微环境的细胞培养装置，其特征在于，所述体声波发生器(3)包括陶瓷压电片(21)、功率放大器(32)和信号发生器(31)；
所述陶瓷压电片(21)固定在培养槽(2)内壁上，并位于软体气动腔(24)的上表面，陶瓷压电片(21)通过功率放大器(32)与信号发生器(31)连接。
6.根据权利要求1所述的一种模拟细胞力学微环境的细胞培养装置，其特征在于，所述气体驱动装置(1)包括电机、丝杠滑台导轨模组和气缸(18)；
所述电机与丝杠滑台导轨模组连接，丝杠滑台导轨模组与气缸的活塞连接，气缸(18)的缸体与软体气动腔(24)连接。
7.根据权利要求6所述的一种模拟细胞力学微环境的细胞培养装置，其特征在于，所述丝杠滑台导轨模组包括支撑座、滚珠丝杠(15)和滑块(16)；
所述滚珠丝杠(15)的两端转动支撑在支撑座的两端，支撑座的顶面设置有导轨，滑块配装在滚珠丝杠(15)上并与导轨滑动连接，电机的输出轴通过联轴器(14)与滚珠丝杠(15)连接，气缸的活塞与滑块连接。
8.根据权利要求1所述的一种模拟细胞力学微环境的细胞培养装置，其特征在于，所述缸体的活塞端与支撑座连接，缸体远离支撑座的一端上方设有出气孔，出气孔通过管道与软体气动腔(24)连通。
9.根据权利要求1所述的一种模拟细胞力学微环境的细胞培养装置，其特征在于，所述电机通过步进电机驱动器(12)与步进电机控制器(11)连接。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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