CN113637571A - 一种用于模拟生物力学拉伸细胞和微组织的光响应器件 - Google Patents

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Abstract

本发明属于生物医学工程与功能材料技术领域，涉及一种用于模拟生物力学拉伸的光响应器件及其制备方法与应用。本发明的利用光响应材料与生物兼容性材料底片制备的新型器件，将光照转换为形变，达到模拟生物力学拉伸的目的。本发明可以将不同强度、频率的光照信号通过器件转化成强度、频率不同的形变，形成具有一定规律的拉伸动作，最终对培养材料形成拉伸刺激。本发明所述器件制备简单，体积小，可适配多种细胞培养装置，可实现细胞培养并用于体外细胞和组织的生物力学拉伸刺激的模拟。

Description

一种用于模拟生物力学拉伸细胞和微组织的光响应器件
技术领域
本发明属于生物医学工程与功能材料技术领域，涉及一种用于模拟生物力学拉伸的光响应器件及其制备方法与应用。本发明的光响应器件可用于体外细胞和组织的生物力学拉伸的刺激。
背景技术
现有技术公开了细胞微环境在动态调节细胞行为如迁移、增殖、分化和凋亡中起重要作用，其中，细胞感知的机械力，属于细胞微环境中的生物物理因素，包括作用于内皮细胞的剪切力、软骨细胞的压力和肌细胞的拉力等；为了使它们的行为与周围的机械环境协调一致，细胞将外部机械力变化转化为影响基因表达的信号从而完成机械转导以切换细胞命运。
经研究实践显示，传统的体外静态培养，不能给细胞提供真实的微环境，研究者认为，模拟拉伸装置可模拟生物体内微环境，以及用于研究单一微环境因素对实验材料的影响。有研究采用模拟拉伸的装置通过气体抽真空或气缸拉伸方式达到材料的形变目的。
基于现有技术的研究基础和现状，本申请的发明人拟提供了一种以光照为动力的新型生物力学拉伸方式的装置。具体涉及一种用于模拟生物力学拉伸的光响应器件，本发明使用新型液晶材料制备所述的器件，利用其光致形变特性达到拉伸目的[1,2]。
与本发明相关的现有技术有：
1.Lv,J.A.,et al.,Photocontrol of fluid slugs in liquid crystalpolymer microactuators.Nature,2016.537(7619):p.179-84.
2.Xu,B.,et al.,Light-Directed Liquid Manipulation in Flexible BilayerMicrotubes.Small,2019.15(24):p.e1901847.。
发明内容
本发明的目的是基于现有技术的研究基础和现状，提供一种以光照为动力的新型生物力学拉伸方式的装置，具体涉及一种用于模拟生物力学拉伸的光响应器件，本发明使用新型液晶材料制备所述的器件，利用其光致形变特性达到拉伸目的，该器件可适配多种细胞培养装置的特点，结合光源和光控系统实现细胞培养并用于体外细胞和组织的生物力学拉伸刺激的模拟。
本发明提供了一种轻便、操作简易、高通量、自动化的新型体外细胞生物力学拉伸模拟装置。
更具体的，提供了一种用于模拟生物力学拉伸细胞和微组织的光响应器件，其特征在于，所述器件由光响应材料薄膜(2)与生物兼容性材料底片(1)构成。
所述器件中，底片为可提供支撑作用的硬质材料，光响应材料薄膜为大小与底片外圈大小相同的圆片，两者热键合成光响应器件，与光源和光控系统共同构成模拟生物力学拉伸的系统。
本发明中，所述的光响应材料为具有光致形变能力的含有偶氮苯、苯并螺吡喃、三苯基甲烷、肉桂酸酯的液晶材料；所述材料经滴涂法制备成合适厚度和大小的薄膜以使其适配不同规格的孔板(6/12/24/48/96孔)。
本发明中，所述的底片材料可为PMMA、PS、玻璃等生物相容性较好的硬质材料，经切割形成合适厚度和大小的底片以使其适配不同规格的孔板(6/12/24/48/96孔)；所述的薄膜与底片通过55℃热键合2h结合成光响应器件。
本发明所述系统中的光源为光强可调节的，提供固定波长的可见光光照的点光源、点阵光源或面光源。
本发明所述系统中控制光照的电控器件为可编程逻辑控制器(PLC)或单片机等电信号控制设备，通过预设的程序控制光源启闭；或由PLC控制旋转气缸，通过预设的程序间歇遮蔽光源。光照后关闭或遮蔽光源供光响应聚合物薄膜形变回复，循环固定时长。
本发明提供了一种用于模拟生物力学拉伸的光响应器件，所述器件具有制备简单，操作简便，可适配多种细胞培养装置的特点，结合光源和光控系统实现细胞培养并用于体外细胞和组织的生物力学拉伸刺激的模拟。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明通过光照驱动光响应聚合物薄膜的形变实现细胞和微组织的拉伸，可减少管路污染，体积小，能耗小，易于拆装。
2.本发明可通过调整电控装置的程序实现不同光照强度和频率驱动薄膜不同程度的形变。
3.本发明可利用点阵光源或面光源实现高通量的细胞拉伸模拟实验，且与各种细胞培养装置相适配。
附图说明
图1为本发明的器件结构示意图，其中，1：生物兼容性材料底片；2：光响应材料薄膜。
图2为多种器件形式的结构示意图。
图3为本发明的实施例拉伸模拟系统示意图，其中，1：放置有光响应器件的24孔板；2：光源；3：光源支架；4：载物台；5：旋转气缸；6：挡板。
具体实施方式
为了更直观地显示该发明的技术方案和优势，下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
液晶材料PC11AB6经滴涂法制备成厚度为～0.02mm，直径为～13mm的薄膜；PMMA经切割形成外径～13mm，厚度～2.7mm的铜钱状底片(如图1所示)，薄膜与底片通过55℃热键合2h结合成光响应器件。
使用时，将键合后的器件翻转，使用Matrigel包被，接种1×104个人脐静脉内皮细胞(HUVECs)后置于24孔板中，37℃/5％CO2培养24h；光照前，将器件翻转后置于盛有培养液的24孔板中；波长470nm，光强75-80mW/cm2的可见光垂直照射放置有光响应器件的板孔；由PLC控制旋转气缸，通过预设的程序间歇遮蔽光源，光照1s(如图3步骤1所示)，遮蔽光源10s(如图3步骤2所示)，循环固定时长；光照后，取出器件，揭下薄膜进行后续的生物学分析。
实施例2
液晶材料PC11AB6经滴涂法制备成厚度为～0.02mm，直径为～13mm的薄膜，PMMA经切割形成外径～13mm，厚度～2.7mm的铜钱状底片，薄膜与底片通过55℃热键合2h结合成光响应器件；
将准备的原代人主动脉平滑肌细胞(HASMCs)，以1×106/ml的浓度均匀混悬在浓度为5％(w/v)GelMA中制备混有细胞生物墨水，结合生物打印平台在翻转后的器件中通过生物打印构建HASMCs细胞层；
HASMCs细胞层打印完毕后，将准备的原代人主动脉内皮细胞(HAECs)，以1×106/ml的浓度均匀混悬浓度为5％(w/v)GelMA中制备混有细胞生物墨水，结合生物打印平台在器件中HASMCs细胞层上通过生物打印构建HAECs细胞层，随后紫外光固化40s使之交联成形；
光照前，将器件翻转后置于盛有培养液的24孔板中，波长470nm，光强75-80mW/cm2的可见光垂直照射放置有光响应器件的板孔；由PLC控制旋转气缸，通过预设的程序间歇遮蔽光源，光照1s(如图3，步骤1所示)，遮蔽光源10s(如图3，步骤2所示)，循环固定时长；光照后，取出器件，揭下薄膜进行后续的生物学分析。
经实验显示，本本发明的器件制备简单，操作简便，可适配多种细胞培养装置，结合光源和光控系统实现细胞培养并用于体外细胞和组织的生物力学拉伸刺激的模拟。

Claims (5)

1.一种用于模拟生物力学拉伸细胞和微组织的光响应器件，其特征在于，所述器件由光响应材料薄膜(2)与生物兼容性材料底片(1)构成，底片(1)形状为圆片状，光响应材料薄膜(2)为与底片(1)外圈大小相同的圆片，两者热键合成光响应器件。
2.根据权利要求1所述的用于模拟生物力学拉伸细胞和微组织的光响应器件，其特征在于，所述的光响应材料为具有光致形变能力的含有偶氮苯、苯并螺吡喃、三苯基甲烷、肉桂酸酯的液晶材料。
3.根据权利要求1所述的用于生物力学拉伸细胞和微组织的光响应器件，其特征在于，所述的底片材料为具有生物相容性的硬质材料。
4.根据权利要求1或3所述的用于生物力学拉伸细胞和微组织的光响应器件，其特征在于，所述的底片材料选自亚克力：聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA、聚苯乙烯PS或玻璃。
5.根据权利要求1所述的用于生物力学拉伸细胞和微组织的光响应器件，其特征在于，所述器件与光源和光控系统构成模拟生物力学拉伸的系统，实现体外细胞和微组织的生物力学拉伸刺激的模拟。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101092595A (zh) * 2006-06-23 2007-12-26 上海交通大学医学院附属第九人民医院 数控机械应变细胞加载实验机
CN103483495A (zh) * 2013-09-16 2014-01-01 复旦大学 基于三线态-三线态湮灭上转换发光的光致形变高分子材料
CN105500857A (zh) * 2015-12-18 2016-04-20 北京大学 一种具有双层膜结构的光驱动复合材料及其制备方法
KR101784113B1 (ko) * 2016-09-30 2017-10-10 계명대학교 산학협력단 세포 배양장치 및 이를 이용한 세포 배양방법
CN108517295A (zh) * 2018-06-01 2018-09-11 东莞东阳光科研发有限公司 一种细胞捕获装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101092595A (zh) * 2006-06-23 2007-12-26 上海交通大学医学院附属第九人民医院 数控机械应变细胞加载实验机
CN103483495A (zh) * 2013-09-16 2014-01-01 复旦大学 基于三线态-三线态湮灭上转换发光的光致形变高分子材料
CN105500857A (zh) * 2015-12-18 2016-04-20 北京大学 一种具有双层膜结构的光驱动复合材料及其制备方法
KR101784113B1 (ko) * 2016-09-30 2017-10-10 계명대학교 산학협력단 세포 배양장치 및 이를 이용한 세포 배양방법
WO2018062655A1 (ko) * 2016-09-30 2018-04-05 계명대학교 산학협력단 세포 배양장치 및 이를 이용한 세포 배양방법
CN108517295A (zh) * 2018-06-01 2018-09-11 东莞东阳光科研发有限公司 一种细胞捕获装置

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