CN207918877U - 基于应力可控的模拟体内动态微环境的细胞培养装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于应力可控的模拟体内动态微环境的细胞培养装置，包括壳体、以及设于壳体内部的平面面盖、培养皿放置座、拉伸装置、平台基座、散热机构，还包括顶盖、实时观察系统、电刺激系统、控制系统、CO₂输送装置和自动换液装置，拉伸装置包括对生物膜夹紧的夹紧装置、控制夹紧装置移动的传动机构以及拉力传感器，通过设置多个移动夹具，在细胞培养的过程中，可实现对生物膜进行单向、双向、多向的循环拉伸，并对生物膜的拉伸时间、拉伸频率以及拉伸幅度进行控制，同时对细胞进行电刺激，可以实现电‑拉力刺激的联合，更真实地模拟了体内细胞所处的微环境，为细胞、组织的体外生长的研究提供了条件。

Description

基于应力可控的模拟体内动态微环境的细胞培养装置

技术领域

本实用新型涉及细胞培养技术领域，尤其是涉及基于应力可控的模拟体内动态微环境的细胞培养装置。

背景技术

在组织工程中，细胞、组织的体外功能化培养已成为组织工程的核心技术，也是形成组织工程产业的比不可少的技术基础。提供与细胞体内生存条件相近似的体外生长环境，对于细胞、组织的三维培养和功能化至关重要，其中，力学、电学等物理影响因子在其中起着不可忽视的作用。

机体的器官、组织、细胞和生物大分子在力学作用下发生相应的形态和功能改变，这是机体对力学刺激的响应过程，而机体对一定范围力学刺激的自适应，对于维持正常生理功能具有重要作用。细胞由生物大分子构成，是生命活动的基本单位。研究力对细胞的作用，是揭示器官、组织生物力学特性的基础，也是进一步研究细胞内生物大分子的生物力学特性的出发点。研究表明，力可以通过影响细胞内基因表达和蛋白质合成来调节细胞功能，在细胞的生理、病理过程中发挥着重要作用。目前，细胞培养已成为细胞生物学、分子生物学、遗传学和免疫学等学科研究的重要基础。

当前，细胞培养广泛使用各种培养瓶，但局限于单一静态培养环境，实际上，在正常的生理条件下，细胞往往处于复杂的力学环境当中，如骨细胞、血管内皮细胞以及心肌细胞等等，这些细胞在生长过程中受到一些物理因素的影响如：血流的流体剪切应力、拉伸力和液体压力等。在常规的细胞培养条件下，此类细胞的真实生长环境无法模拟。因此，需要开发新的细胞培养方法提供与体内细胞生长环境近似的微环境，较为真实。

现有的技术对细胞的拉伸力作用通常是借助时细胞粘附的基底材料(如生物膜)发生形变来实现，其中大多数装置采用生物膜为基底材料，通过通过对膜的底部施加正气压或负气压或者液体产生的压力使来实现膜的形变,然后拉伸细胞，对细胞产生一定范围的力学刺激，再通过控制变形量大小来控制细胞受力大小，使用该种方法细胞受力的刺激是不均匀的，且力的大小不可控，不能够准确的对细胞进行力学刺激。

因此，开发出均匀、大小可控的力刺激技术对细胞的培养技术具有重要意义。

实用新型内容

为了解决上述现有技术问题，本实用新型提供了能够实现不同应力, 不同方向的基于应力可控的模拟体内动态微环境的细胞培养装置，包括壳体，还包括设于壳体内用于夹持生物膜的夹紧装置，所述夹紧装置包括至少两个移动夹具，所述生物膜位于两个夹具之间；设于壳体内控制夹紧装置移动的拉伸装置；所述夹紧装置之间设有用于放置培养皿的培养皿放置座；以及用于检测生物膜拉力的拉力传感器，并将拉力信号输出，所述夹具上设置有拉力传感器。

为进一步实现本实用新型，所述夹具包括上夹头、下夹头、以及调节上夹头移动的调节组件，上夹头包括上夹持端、上连接部，上连接部的底端与上夹持端连接，上连接部呈倒L形状，下夹头设置在上夹头的下方，下夹头包括下夹持端、下连接部，上夹持端与下夹持端形成夹持部，用于将生物膜夹紧，下连接部平行设置在上连接部的下方，下连接部的形状是与上连接部的形状相同的倒L状，下连接部设有滑槽，上连接部沿着下连接部的滑槽上下滑动，从而带动上夹持端靠近或者远离下夹持端，所述调节组件采用调节螺杆和螺母，通过拧动调节螺杆从而带动上夹持端靠近或者远离下夹持端。

为进一步实现本实用新型，所述调节组件为调节螺杆，所述上夹头的上连接部的横向段设有上下贯通的螺孔，所述下夹头对应位置设有第二通孔，调节螺杆的底端设置在第二通孔内，调节螺杆的顶端穿过上连接部的螺孔，调节螺杆与上连接部螺纹连接，通过拧动调节螺杆带动上夹头上下移动，从而带动上夹头的上夹持端靠近与远离下夹持端，实现夹紧与松开生物膜。

为进一步实现本实用新型，所述下夹头的下连接部沿其长度方向向内凹设形成滑槽，所述上夹头的上连接部沿着滑槽上下滑动。

为进一步实现本实用新型，还包括限位部，所述下夹头位于下连接部的位置沿其长度方向设有一段滑孔，对应于滑孔位置的上夹头部分设有通孔，所述限位部依次穿过通孔和滑孔，所述限位部将上连接部限制在下连接部的滑孔内滑动，避免上连接部脱离滑槽，同时将上连接部滑动的距离为限位滑孔的长度。

为进一步实现本实用新型，还包括电刺激系统，所述电刺激系统包括正负电极。

为进一步实现本实用新型，还包括顶盖，所述顶盖内壁固定连接弹性件，所述弹性件的底端固定连接正负电极，所述正负电极纵向设置。

为进一步实现本实用新型，所述拉伸装置包括传动机构，传动装置包括两个固定座、步进电机、丝杆和行程杆，所述步进电机固定设置在设有通孔的固定座上，所述丝杆设置在两个固定座之间，所述丝杆一端与电机的输出轴固定连接，并穿过固定座的通孔，另一端与另一个固定座的螺孔连接，行程杆一端与下夹头固定连接，行程杆另一端设有螺孔，该螺孔与丝杆螺纹连接，所述步进电机带动丝杆转动，实现行程杆水平直线运动，进而实现拉伸夹具移动。

为进一步实现本实用新型，还包括为该细胞培养装置提供CO2的 CO2输送装置、该细胞培养装置中的培养皿提供换液功能的自动换液装置和控制拉伸装置拉伸时间、拉伸频率以及拉伸幅度的控制系统。

有益效果：

1、本实用新型通过在壳体内部设有平面面盖，平面面盖的中心设有放置座孔，沿放置座孔周围设有多个滑行轨道，每个滑行轨道上设有一个夹具，夹具对生物膜进行夹持，夹具通过步进电机在滑行轨道上移动，夹具上设有检测生物膜拉力的拉力传感器，并将信息发送给控制系统，从而控制步进电机，步进电机控制夹具的水平应力加载，实现了拉力可控，并且可以控制不同应力大小对细胞的影响，且夹具可设置在多方向，可实现对生物膜进行单向、双向、多向的循环拉伸，并可控制对生物膜的拉伸时间、拉伸频率以及拉伸幅度；传统的通过对生物膜的底部施加正气压或负气压来实现生物膜的形变的方法，细胞受到的力学刺激是不均匀的，且力的大小不可控，存在实验定量的不确定性，造成实验设计存在一定的误差或者不足。而本实用新型拉伸夹具设置有拉力感应器，拉伸夹具设置在沿培养皿放置座的辐射方向，且拉伸夹具可设置在多个方向，拉力感应器可以测得相应方向的应力大小，然后根据细胞的生长状态，及时调整相应方向的拉力，可实现多个方向的拉力同步或异步调整，即能够实现不同应力，不同方向的刺激；拉力感应器可测得相应的对生物膜的应力，避免了实验定量的不确定性，得出实验结果更准确。

2、本实用新型的夹具装置采用多个移动夹具，夹具包括上夹头、下夹头、以及调节上夹头移动的调节组件，上夹头包括上夹持端、上连接部，上连接部的底端与上夹持端连接，上连接部呈倒L形状，下夹头设置在上夹头的下方，下夹头包括下夹持端、下连接部，上夹持端与下夹持端形成夹持部，用于将生物膜夹紧，下连接部平行设置在上连接部的下方，下连接部的形状与上连接部相同的倒L状，下连接部设有滑槽，上连接部沿着下连接部滑槽上下滑动，调节组件采用调节螺杆和螺母；通过拧动调节螺杆从而带动上夹持端靠近与远离下夹持端，以实现生物膜的夹紧与松卸，该结构简单，方便，快速。

3、整个夹具呈倾斜状，相对于传统的采用垂直结构，这种设置一方面避开了细胞培养皿侧壁，在放置培养皿时更加方便，不会导致夹具触碰培养皿，有利于细胞的顺利培养；另一方面倾斜设置可方便生物膜放进与取出，这样不需要借助其他工具就可以简单拧动螺杆的螺帽带动上夹头上下滑动，方便、快速地实现膜的夹紧或松卸。

4、本实用新型通过在滑槽上靠近下夹持端设有一段限位滑孔，限位滑孔沿着倾斜部分长度方向设置，本实用新型在上夹头的上连接部对应于限位滑孔处设有通孔，限位部依次穿过通孔与滑孔，限位部将上连接部限制在下连接部的滑槽内滑动，避免上连接部脱离滑槽，且可避免上夹头晃动，不能准确夹紧生物膜，同时将上连接部滑动的距离为限位滑孔的长度，当限位部滑动至限位孔的底端时，此时的上夹持端紧密贴合在下夹持端上。

5、本实用新型还设有顶盖，顶盖的设置为细胞的生长提供了无污染、防培养基蒸发，湿度和温度适宜的环境。细胞培养皿在本实用新型的培养箱中可以直接实验和培养，不需要盖培养皿盖，将培养皿与培养箱结合的设置，简化了实验步骤，节省了时间，而且避免因频繁取出细胞培养皿而导致污染和对细胞生长状态的影响。

6、本实用新型设置有电刺激系统，可以实现对细胞间歇或持续电刺激，通过模拟体内细胞、组织生长所处的电学微环境，且与力学刺激相结合，可为体外细胞、组织的生长提供更近似体内的环境，从而完成组织的功能化培养。本实用新型所述的电刺激系统包括正负电极、弹簧，弹簧起到缓冲作用，弹簧的设置可避免电极与生物膜硬接触，保证实验的顺利进行。

7、本实用新型的电刺激系统设置有升降装置，升降装置使电极可伸缩，在不需要进行电刺激实验时，可将正负电极往上移，从而避免电极长期置于培养液中，影响电极的使用寿命，且电极可升降，可实现对细胞的间歇式刺激或持续性刺激，灵活性更强，该升降装置的设置使本装置可以有单独力学刺激、力学-电学同时刺激、单独电学刺激等多种方式，从而使细胞能够更准确的模拟体内真实环境。

8、本实用新型设有散热机构，散热机构可以将培养装置工作时产生的热量，散热风扇可以将散热器收集的热量经壳体的散热孔而排出壳体外，培养皿里的培养液的温度处在具体设置的恒温温度范围之内，散热机构为细胞提供适宜的温度环境，确保实验的顺利进行。

附图说明

图1为本实用新型的爆炸示意图；

图2为本实用新型拉伸装置的结构示意图；

图3为本实用新型夹紧装置的结构示意图；

图4为本实用新型上夹头的结构示意图；

图5为本实用新型下夹头的结构示意图；

图6为本实用新型限位部的结构示意图；

图7为实施例2顶盖设有电刺激系统的结构示意图；

图8为实施例3电刺激系统的结构示意图；

图9为本实用新型未安装夹紧装置和顶盖的结构示意图；

图10为图9安装夹具后的结构示意图；

图11为盖上顶盖后的整体结构示意图；

图12为本实用新型的CO₂输送装置的结构示意图；

图13为本实用新型的自动换液装置示意图；

图14为本实用新型的自动换液装置出入接头的结构示意图；

图15为图14本实用新型的自动换液装置出入接头剖视图；

图16为图14本实用新型的自动换液装置出入接头的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步阐述，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，本具体实施的方向以图1方向为标准。

如图1～16所示，本实用新型公开了一种基于应力可控的模拟体内动态微环境细胞培养的装置，它包括壳体1、平面面盖2、培养皿放置座3、夹紧装置41、拉伸装置4、平台基座5、散热机构6、顶盖7、电刺激系统8、CO₂输送装置9、自动换液装置10、控制系统和显示屏(图中未示出)，其中：

实施例1

壳体1上端呈开口状结构，呈正方体或长方体，当然不限于此形状，壳体的一侧向上凸起形成一侧部11，壳体1内部形成空腔，培养皿放置座3、拉伸装置4、平台基座5、散热机构6均设置在空腔内；

平面面盖2设置在壳体1的上方开口处，平面面盖2与壳体1相适配，平面面盖2与壳体1可通过螺丝固定或卡设连接，平面面盖2的上表面中心设置有放置座孔21，放置座孔21呈上下贯通设置，放置座孔 21为圆形形状，在平面面盖2沿着放置座孔的圆周边向外间隔设有数个滑形轨道22，滑形轨道22呈长条状，且滑形轨道22上下贯通平面面盖 2。

培养皿放置座3用于调节培养皿的高度，包括高度调节环31、承载台32、高度调节座33。高度调节环31设置在放置座孔21处，高度调节环32呈圆环形，高度调节环32外壁设有环状螺纹；且高度调节环31的上表面设有两个缺口311，从而便于旋转高度调节环31，承载台32固定设置在高度调节环31的底端，或者是嵌设在调节环31内部，从而形成一个承载台面，承载台32呈圆形，该承载台32用于放置培养皿100，高度调节座33呈中空的圆柱状，高度调节座33内壁设有环状螺纹，且高度调节座33内螺纹与高度调节环31外螺纹配合，这样旋转高度调节环 31时可调节承载台32的高度，高度调节座33的底端与平台基座5固定连接；

本实用新型的培养皿放置座可通过旋转高度调节环31，实现承载台 32的高度控制，进而实现培养皿的高度控制，由于在做拉伸试验时，夹具应尽量接近培养皿底部，一般培养液比较昂贵，当培养皿位置过低时，一般通过添加培养液来使得夹具夹持端浸没在培养液中，使得生物膜能够完全浸没在培养液里，本实用新型可以通过调节培养皿往上调整来避免添加培养液，从而也可以避免培养液的浪费。

夹紧装置41可夹紧生物膜，夹紧装置41为至少两个移动夹具，且每个滑行轨道对应设有一个夹具41，本实用新型至少设置为两个，本实用新型以四个为例，且每两个夹具处于同一直线设置，夹具41包括上夹头411、下夹头412、调节组件413，其中，上夹头411包括上夹持端4111、上连接部4112，上夹持端4111为一平板结构，上夹持端4111套设有弹性套(图中未显示)，避免因上夹持端4111与生物膜硬性接触而损坏生物膜，上连接部4112的底端与上夹持端4111一体连接或固定连接，且呈一定角度连接，优选为钝角，上连接部4112为倒L形状，其中，上连接部4112的纵向部分呈倾斜状，使得整个上夹头411呈倾斜设置，倾斜段上设有通孔41121，上连接部4112位于顶端的横向部分设有上下贯通的螺孔41122；

下夹头412设置在上夹头411的下方，下夹头412包括下夹持端4121、下连接部4122，且下夹持端4121与上夹持端4111平行设置，上夹持端 4111与下夹持端4121形成夹持部，用于将基底材质夹紧，下夹持端4121 套设有弹性套(图中未显示)，避免生物膜与下夹持端4121硬性接触，从而避免损坏生物膜；下连接部4122平行设置在上连接部4112的下方，下连接部4122是与上连接部4112形状相同的倒L形状，下连接部4122 的整个倾斜部分向内凹设成滑槽41221，上连接部4112在滑槽41221内上下滑动，从而带动上夹持端4111靠近与远离下夹持端4121，进而实现夹紧与松卸生物膜，在滑槽41221上靠近下夹持端4121设有一段限位滑孔41222，限位滑孔41222沿着倾斜部分长度方向设置，本实用新型在通孔41121内设有限位部4113，限位部4113将上连接部4112限制在下连接部4122的滑槽内滑动，避免上连接部4112脱离滑槽，且可避免上夹头411晃动，不能准确夹紧生物膜，同时将上连接部4112滑动的距离为限位滑孔41222的长度，当限位部4113滑动至限位滑孔41222的底端时，此时的上夹持端4111紧密贴合在下夹持4121端上；限位部4113可采用上下两端带有帽的限位钉，限位钉的穿过第一通孔41121底端的钉帽滑设在限位滑孔41222的两端，如图6所示，也可采用以下结构实现，包括上下两个固定块41131，以及连接在两个固定块41131的连接杆部 41132，上固定块41131的宽度大于第一通孔41121，下固定块41131的宽度大于限位滑孔41222的宽度，连接杆部41132穿过第一通孔41121，上下两个固定块41131分别紧密贴合于上连接部4112与下连接部4122，上连接部4112的滑动带动下固定块41131沿着限位滑孔41222滑动；下连接部4122的横向部分设有上下贯通的第二通孔41223，调节组件413 包括调节螺杆4131、螺母4132，调节螺杆413的底端设置在第二通孔内，调节螺杆413的顶端穿过上连接部4112的螺孔，且与螺母4132固定连接，调节螺杆4131与上连接部4112螺纹连接，优选的实施方式中，调节螺杆4131的长度与限位滑孔41222的长度相同，拧动螺母4132，螺母4132带动调节螺杆4131转动，从而使得上夹头411上下移动，进而调节上夹持端4111与下夹持端4121的距离，进一步实现夹紧和松卸弹性生物膜的功能。

拉伸装置4可拉伸细胞生物膜，拉伸装置4包括控制夹紧装置移动的传动机构42以及拉力传感器43，其中；

传动装置42包括两个固定座421、步进电机422、丝杆423和行程杆424；两个固定座421纵向平行固定设置在平台基座5上；其中一个固定座421设有通孔4211，通孔4211尺寸大于丝杆423的直径，另一个固定座421对应通孔4211位置设有螺孔4212，步进电机422固定设置在设有通孔4211的固定座421上，丝杆422设置在两个固定座421之间，丝杆422一端与步进电机422的输出轴固定连接，并穿过固定座421的通孔4211，丝杆422另一端与另一个固定座421的螺孔连接，行程杆424 一端与下夹头412固定连接，可通过螺钉固定，行程杆424另一端设有螺孔，该螺孔与丝杆423螺纹连接，步进电机422带动丝杆转动，从而实现行程杆424水平直线运动，从而实现拉伸夹具41沿着平面面盖2的滑行轨道22移动，可以带动上下夹头对生物膜上的细胞做水平直线运动，以便对附着的细胞进行加载拉伸，模拟了体内细胞、组织牵张力环境，对细胞、组织的体外生长的研究提供了条件。

选用步进电机422能够控制每步的精度在3％-5％，并且不会将一步的差错堆集到下一步，因此有较好的方位精度和运动的重复性；

拉力感应器43设置在夹具41上，可设置在上夹头或下夹头上，拉力传感器43能够检测到膜所受到拉力，并将信息发送给控制系统，从而控制步进电机422，步进电机422控制夹具的水平应力加载，实现了拉力可控，并且可以控制不同应力大小对细胞的影响；本实用新型夹具41设置在培养皿放置座3周围辐射方向设置，且夹具41可设置在多个方向，这种设置可单向、双向、多向地控制对生物膜进行循环拉伸，并可控制对生物膜的拉伸时间、拉伸频率以及拉伸幅度。

如果未加拉力感应器43，例如通过对生物膜的底部施加正气压或负气压来实现生物膜的形变的方法，细胞受到的力刺激是不均匀的，且力的大小不可控，存在实验定量的不确定性，造成实验设计存在一定的误差或者不足。而本实用新型拉伸夹具41设置有拉力感应器43，拉伸夹具 41可以设置在多个方向，拉力感应器43可以测得相应方向的应力大小，然后根据细胞的生长状态，及时调整相应方向的拉力，可实现多个方向的拉力同步或异步调整，即能够实现不同应力，不同方向的刺激；拉力感应器43可测得相应的对生物膜的应力，避免了实验定量的不确定性，得出更准确的实验结果。

平台基座5设置在拉伸装置4的下方，平台基座5的中心位置对应于培养皿放置座3的位置设有第三通孔51，且其周边设有数个通孔，热量可从通孔传递出去。

散热机构6设置在平台基座5的下方，散热机构6包括散热器61和散热风扇62，散热器61的上端与平台基座5固定连接，散热器61的外端与散热风扇62的一端相连，散热器61可以收集培养装置工作时产生的热量，散热风扇62可以将散热器61收集的热量经壳体的散热孔而排出壳体外，培养皿里的培养液的温度处在具体设置的恒温温度范围之内，为细胞提供适宜的温度环境，确保实验的顺利进行。

顶盖7的形状和大小与壳体1相适配，顶盖7的下端呈开口设置，顶盖7的四周和壳体上端密封设置，顶盖7设置(卡设)在壳体1上，顶盖7的设置为细胞的生长提供了无污染、防培养基蒸发，湿度和温度适宜的环境。细胞培养皿在本实用新型的培养箱中可以直接实验和培养，不需要盖培养皿盖，这时设置将培养皿与培养箱结合，简化了实验步骤，节省了时间，而且避免因频繁取出细胞培养皿而导致污染和对细胞生长状态的影响。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上，对该细胞培养装置进一步的补充，通过以下的方式实现，电刺激系统8包括正电极81、负电极82、信号发生器(图中未标出)、弹性件83；

其中，正电极81和负电极82设置在顶盖7上，相互平行设置，正电极81和负电极82之间的间隔为5-15mm，当顶盖7盖上时，正电极与负电极能够抵触到生物膜上；

正负电极通过电极线连接信号发生器，正负电极、电极线和信号发生器构成电刺激加载系统，通过改变信号发生器的电压或者电流，提供不同大小的电刺激，电刺激为恒电压、脉冲电压或者直流微电流，由信号发生器产生。

将本装置放置于培养箱中培养，正负电极线穿过顶盖的孔和培养箱与外界相通的孔道与信号发生器连接。顶盖、细胞培养箱两侧的孔道与电极线、电源线连接处是密封的。

两个弹性件83的底端与顶盖7的内部固定连接，弹性件83的底端与正负极电极固定连接，弹性件83可采用弹簧，设置弹性件的作用可避免电极与生物膜硬性接触，从而起到一个缓冲作用，保证实验的顺利进行。因为如果在电极上端未设置有弹簧件83。当将顶盖7盖合至壳体1 处时，为了使电刺激更加准确，通常是电极会抵接至生物膜上，电极一般都有硬度，电极与生物膜直接硬接触，一方面对生物膜会有一定的损失，另一方面，电极会挤压到细胞，更大可能的造成细胞破碎死亡，影响实验的进程；本实用新型将正电极81、负电极82上端连接有弹簧83，由于弹簧起到一个缓冲作用，不仅可避免电极与生物膜硬接触，进一步保证了实验的顺利进行。

实施例3

本实施例是在实施例2的基础上，对电刺激系统进一步的改进，通过以下的方式实现，电刺激系统8包括正电极81、负电极82、信号发生器、弹性件83、升降装置84；

升降装置84包括电机841、丝杆842、电极座843、限位套844，电机841固定设置在顶盖7内壁上，电机输出轴纵向设置，与丝杆固定连接，丝杆呈纵向设置，电极座843的中心对应于丝杆位置设有上下贯通的螺孔，丝杆穿过电极座843的螺孔并伸出螺孔外，电极座853左右两端底部固定连接弹性件83，弹性件83的底端固定连接正电极81与负电极82，丝杆842的底端套设有限位套844，丝杆842在电机841的作用下将旋转运动转化为直线运动，从而带动限位套844上升下降，进而带动正负电极实现升降，限位套844的作用防止电极座843脱离丝杆842。

本实施例中的升降装置84的设置，在不需要进行电刺激实验时，可将正负电极往上移，从而避免电极长期置于培养液中，影响了电极的使用寿命，且电极可升降，可以随细胞实现间歇式刺激或持续性刺激，灵活性更强，使得本装置可以有单独力学刺激、力学-电学同时刺激、单独电学刺激，多种方式从而使细胞能够更准确的模拟体内真实环境，弹性件84的作用与实施例2相同，在此不作描述。

实施例4

本实施例是在实施例3的基础上，对该细胞培养装置进一步的补充，通过以下的方式实现，CO₂输送装置9为细胞生长提供恒定CO₂浓度， CO₂输送装置9包括CO₂感应器91、CO₂储存瓶92、电磁阀93、输气管 94、减风装置95。

CO₂感应器91设置在壳体1、平面面盖2与顶盖7形成的腔体内的壳体侧壁上，CO₂感应器91可感应本实用新型中CO₂的浓度，CO₂储存瓶92设置在本实用新型的外侧，CO₂储存瓶92为铝质平底压力气瓶；电磁阀93设置在本实用新型外侧；电磁阀93可实现开或关从而控制CO₂输送装置9对本实用新型的CO₂气体的输送；输气管94材质为聚四氟乙烯，输气管将CO2储存瓶92和电磁阀93相连，进而将输气管94穿过本实用新型壳体1侧壁连通至本实用新型的内部。

减风装置95设置在壳体1、平面面盖2与顶盖7形成的腔体内，减风装置95包括CO₂散气罩951、CO₂进风罩952、隔板953。

CO₂散气罩951设置在壳体1、平面面盖2与顶盖7形成腔体内，且 CO₂散气罩951设置在培养皿放置座3外侧、顶盖7内侧，CO₂散气罩951与顶盖7相适宜设置，CO₂散气罩951表面设置有若干通孔，通孔贯穿CO₂散气罩951设置，CO₂气体可通过通孔进入CO₂散气罩951与平面面盖2组成的腔体内，进而到达置于培养皿放置座3的细胞培养皿100 中的细胞培养液。CO₂散气罩951缓冲了CO₂气体进入细胞培养液的冲击力，降低CO₂气体对生物膜的影响。

为了进一步降低CO₂气体对生物膜的影响，CO₂进风罩952可设置成喇叭状，CO₂进风罩952设置在CO₂散气罩951外侧，且CO₂进风罩 952设置在壳体1、平面面盖2与顶盖7形成腔体内壳体的侧壁上，CO₂进风罩952靠近侧壁的一端为小端，远离侧壁的为大端，小端与大端相连通，CO₂进风罩952的小端可与输气管94的一端相连通，CO₂进风罩 952的这种设置可以使CO₂气体小口进大口出，有利于降低风力，降低 CO₂气体对生物膜的影响而减少对细胞牵引力实验结果的影响；

为了更进一步降低CO₂气体通过生物膜的影响，可在CO₂进风罩952 与CO₂散气罩951之间设置有隔板953，所述隔板953可将CO₂进风罩952的大端覆盖，所述隔板953与CO2进风罩952的大端之间形成一定间隙，所述隔板953下端与平面面盖2固定连接，使从CO2进风罩952 进入的CO2气体通过隔板953的阻挡，进一步缓解了CO2气体的冲击力，避免较大冲击力的CO2气体直接进出细胞培养液以至于对生物膜产生影响。

自动换液装置10设置在壳体1的侧部11、平面面盖2与顶盖7组成的腔体内，自动换液装置10包括换液电机101、换液泵头102、储液瓶 103、废液瓶104、输入管105、输出管106、出入接头107，换液电机101 安装于壳体1的侧部11中间位置上；换液泵头102是蠕动泵头，换液泵头102安装于靠近壳体1侧部11的平面面盖2上；换液泵头102与换液电机101是通过电机轴动相连，换液泵头102由换液电机101带动工作；储液瓶103安装于靠近壳体1侧部11的平面面盖2上，且储存瓶103位于换液泵头102的左侧，储液瓶103用于储存细胞培养液；废液瓶104 安装于储存瓶103前，废液瓶104用于收集废液。

输入管105安装于平面面盖上，输入管105的一端通过换液泵头102 与储存瓶103相密封连通；输出管106安装于平面面盖2上，输出管106 一端通过换液泵头102与废液瓶104相密封连通。

作为优选，输入管105和输出管106靠近培养皿的一端部分适宜细胞培养皿100形成弯折，输入管105和输出管106通过出入接头伸入细胞培养皿100中。

另外，可以将靠近培养皿的输入管105和输出管106设置成可伸缩的结构，这种设置可以适用不同半径大小的培养皿。

出入接头107与输入管105和输出管106弯折处开口端相连。出入接头107呈喇叭状或吸盘状，出入接头107包括盘体1071、输出管接头 1072、输入管接头1073和上盖1074，盘体1071与上盖1072之间的间隙形成容腔，盘体1071的整体可设置成圆形、椭圆形甚至多边形。盘体1071 的横截面是圆形，盘体1071的纵截面是台阶状，盘体1071上端是小端，盘体1071下端是大端，位于盘体1071小端的中心位置设置有缓冲池 10711，盘体1071上表面上缓冲池10711的外侧设置有若干条导流凸起 10712，导流凸起10712相对于盘体1071的中心呈均匀的放射状分布，导流凸起10712包括一级导流条107121、二级导流条107122、三级导流条107123，一级导流条107121的一端靠近缓冲池的设置，另一端延伸至盘体的外缘位置处；在相邻的两段一级导流条107121之间设置有二级导流条107122，二级导流条107122的长度短于一级导流条107121，使二级导流条107122的一端远离一级分流条107121靠近缓冲池的一端，另一端延伸至盘体的外缘位置处；在一级导流条107121与二级导流条 107122之间设置有三级导流条107123，三级导流条107123的长度短于二级导流条107122，使三级导流条107123的一端远离二级分流条107122 靠近缓冲池的一端，另一端延伸至盘体的外缘位置处；以此类推，可设置数级分流渠道，至此，导流凸起10712之间形成了数级分流渠道，盘体1071的下表面呈上凸状。缓冲池10711由环形围挡10713包设而成，围挡10713为朝盘体上表面向上延伸一截的环形体，它可以是圆形的也可以是其他形状，围挡10713内形成细胞培养液储液槽，围挡10713的上表面为锯齿形，锯齿形采用围挡的的周向间隔均匀的分布设置数个大小一致的缺口10714而形成，该缺口10714向下凹设内外贯通，且缺口 10714的深度小于围挡的高度，当储液槽中细胞培养液的液面高度超过缺口10714底部位置时，细胞培养液将从缺口10714中溢出而流到盘体1071 上，经分流渠道分流至细胞皿，盘体1071上表面的导流凸起10712可将输入管输送进入缓冲池10711的细胞培养液均匀导入细胞培养皿，降低了细胞培养液对细胞的冲击力。

输出管接头1072位于盘体1071的上表面上，输出管接头1072朝上伸出一截，输出管接头1072上端是小端，输出管接头1072下端是大端用于与输出管106相连接，输出管接头1072下端开口，输出管接头1072 上端开口比输出管接头1072下端开口小，且穿透盘体1071的底面，与引流孔用于吸取细胞培养皿中的废液。在换液泵头102的吸力作用下，输出管接头1072和盘体1071的的设置，有利于将吸力分散，较少或避免吸取细胞培养液时将细胞吸附。

上盖1074覆盖扣合在盘体1071上，且上盖1074刚好可将位于盘体 1071上表面的导流凸起10712完全覆盖，使上盖1074、盘体1071和导流凸起10712共同组成了细胞培养液流出的通道，上盖1074的中心设有管套1075，管套1075可套接在输出管接头1072，通过套管1075可使输出管接头1072与输出管1076连接，套管1075上设置有输入管接头1073，输入管接头1073的中心开有上下贯穿的输入孔，当上盖覆盖在盘体上时，输入管接头1073刚好位于缓冲池10712的储液槽的位置处，且与储液槽相连通，细胞培养液通过输入孔进入储液槽，进而细胞培养液经分流渠道流入细胞培养皿。

控制系统采用计算机控制，与拉伸装置4、拉力传感器43、CO₂感应器91、电磁阀93连接；显示屏设置在壳体1侧壁上，显示屏与控制系统连接。

控制系统控制传动装置42和拉力感应器43可以确定拉伸频率、拉伸幅度、拉伸时间；在显示屏上设置拉伸频率、拉伸幅度、拉伸时间，经过一定时间的牵张实验，可以获得拉力、拉伸频率、拉伸幅度和拉伸时间与细胞生长状态的关系；

将拉伸装置4、控制系统相结合应用于细胞培养中使细胞培养实验更简单、方便，节省时间及实验更准确。

在做细胞实验时，如细胞的刺激试验，如果是探讨不同的刺激条件对细胞生长状态的影响，实验操作时工作量比较大，因为严格来说实验包括生物学重复和实验重复，生物学重复就是一组实验相同批次细胞，一般需要3皿，实验重复是指相同实验不同批次，即不同实验次数，一般3次(不同批次细胞)，如果是探讨刺激条件有3个层次(相同刺激频率，刺激时间分10min、30min和1h)那么相同刺激频率，不同刺激时间的实验将需要9皿，9皿3个批次细胞刺激分别10min、30min和1h 取出观察细胞生长状态，实验操作时工作量比较大，且观察时间会不同、取出次数较多也会影响细胞的生长状态，这些都可能造成实验误差较大。

而本实用新型的培养装置中的控制系统通过控制传动装置42和拉力感应器43可以确定拉伸频率、拉伸幅度、拉伸时间；经过一定时间的牵张实验，可以获得拉力、拉伸频率、拉伸幅度和拉伸时间与细胞生长状态的关系；本实用新型的培养装置放置在普通培养箱中，培养到一定时间直接实验和观察，避免频繁将细胞培养皿取出，有利于细胞生长，而且降低了工作量，及缩小了观察细胞的时间差距，增加实验结果的准确性。

在显示屏上设定CO₂浓度，控制器通过接收来自CO₂感应器91检测本实用新型壳体1、平面面盖2和顶盖7组成的腔体内CO₂的浓度，从而控制电磁阀93，实现输气管94的开启或关闭，进而控制输送装置9对本实用新型的CO₂气体的输送，具体来说，当控制系统监测到本实用新型壳体1、平面面盖2和顶盖7组成的腔体内的CO₂浓度低于设定的CO₂浓度时，控制系统自动控制电磁阀93开启，使储存瓶内CO₂经输气管94 进入壳体1、平面面盖2和顶盖7组成的腔体内，当控制系统监测到壳体 1、平面面盖2和顶盖7组成的腔体内的CO₂浓度低于设定的CO₂浓度时，高于设定的CO₂浓度时，控制系统自动控制电磁阀93关闭，使储存瓶92 内CO₂不能经过输气管94进入本实用新型壳体1、平面面盖2和顶盖7 组成的腔体内。

本实用新型还设有压线夹201，将电线固定于壳体1内部。

本实用新型的工作原理：将贴壁细胞种植在培养皿底部的生物膜上，在无菌及CO₂输送装置提供适宜的CO₂环境的情况下，打开顶盖7将培养皿放在培养皿放置座3的调节座盖31上，调节夹具41上的螺旋帽调节拉伸夹具41将生物膜夹住，并将顶盖盖上，将本装置放置于细胞培养箱中，并将电极线与正负电极连接，启动散热机构，对培养装置内部进行散热，使得培养液温度保持一定的温度，控制系统根据拉力感应器11 测得的拉力来控制拉伸装置的行程杆423从而控制拉伸夹具拉伸频率、拉伸幅度、拉伸时间，将力学刺激细胞的方式接近于细胞生长、发育的体内环境，可改善细胞生长条件，从而促进细胞生长，提高细胞活性，当培养一定时间的细胞将要换液时，可以在显示屏上设置流速等工作参数，并启动进入工作状态，在工作过程中，换液电机101带动换液泵头 102工作，细胞培养液按要求流速从储液瓶103流出后，进入细胞培养皿 202，流出的培养液自动收集至废液瓶104。

上面所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非是对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神前提下，本领域普通工程技术人员对本实用新型技术方案做出的任何变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于应力可控的模拟体内动态微环境的细胞培养装置，包括壳体，其特征在于：还包括设于壳体内用于夹持生物膜的夹紧装置，所述夹紧装置包括至少两个移动夹具，所述生物膜位于两个夹具之间；设于壳体内控制夹紧装置移动的拉伸装置；所述夹紧装置之间设有用于放置培养皿的培养皿放置座；以及用于检测生物膜拉力的拉力传感器，并将拉力信号输出，所述夹具上设置有拉力传感器。

2.根据权利要求1所述的基于应力可控的模拟体内动态微环境的细胞培养装置，其特征在于：所述夹具包括上夹头、下夹头、以及调节上夹头移动的调节组件，上夹头包括上夹持端、上连接部，上连接部的底端与上夹持端连接，上连接部呈倒L形状，下夹头设置在上夹头的下方，下夹头包括下夹持端、下连接部，上夹持端与下夹持端形成夹持部，用于将生物膜夹紧，下连接部平行设置在上连接部的下方，下连接部的形状是与上连接部的形状相同的倒L状，下连接部设有滑槽，上连接部沿着下连接部的滑槽上下滑动，从而带动上夹持端靠近或者远离下夹持端，所述调节组件采用调节螺杆和螺母，通过拧动调节螺杆从而带动上夹持端靠近或者远离下夹持端。

3.根据权利要求2所述的基于应力可控的模拟体内动态微环境的细胞培养装置，其特征在于：所述调节组件为调节螺杆，所述上夹头的上连接部的横向段设有上下贯通的螺孔，所述下夹头对应位置设有第二通孔，调节螺杆的底端设置在第二通孔内，调节螺杆的顶端穿过上连接部的螺孔，调节螺杆与上连接部螺纹连接，通过拧动调节螺杆带动上夹头上下移动，从而带动上夹头的上夹持端靠近与远离下夹持端，实现夹紧与松开生物膜。

4.根据权利要求2所述的基于应力可控的模拟体内动态微环境的细胞培养装置，其特征在于：所述下夹头的下连接部沿其长度方向向内凹设形成滑槽，所述上夹头的上连接部沿着滑槽上下滑动。

5.根据权利要求4所述的基于应力可控的模拟体内动态微环境细胞培养装置，其特征在于：还包括限位部，所述下夹头位于下连接部的位置沿其长度方向设有一段滑孔，对应于滑孔位置的上夹头部分设有通孔，所述限位部依次穿过通孔和滑孔，所述限位部将上连接部限制在下连接部的滑孔内滑动，避免上连接部脱离滑槽，同时将上连接部滑动的距离为限位滑孔的长度。

6.根据权利要求1所述的基于应力可控的模拟体内动态微环境的细胞培养装置，其特征在于：还包括电刺激系统，所述电刺激系统包括正负电极。

7.根据权利要求6所述的基于应力可控的模拟体内动态微环境的细胞培养装置，其特征在于：还包括顶盖，所述顶盖内壁固定连接弹性件，所述弹性件的底端固定连接正负电极，所述正负电极纵向设置。

8.根据权利要求1所述的基于应力可控的模拟体内动态微环境的细胞培养装置，其特征在于：所述拉伸装置包括传动机构，传动装置包括两个固定座、步进电机、丝杆和行程杆，所述步进电机固定设置在设有通孔的固定座上，所述丝杆设置在两个固定座之间，所述丝杆一端与电机的输出轴固定连接，并穿过固定座的通孔，另一端与另一个固定座的螺孔连接，行程杆一端与下夹头固定连接，行程杆另一端设有螺孔，该螺孔与丝杆螺纹连接，所述步进电机带动丝杆转动，实现行程杆水平直线运动，进而实现拉伸夹具移动。

9.根据权利要求1所述的基于应力可控的模拟体内动态微环境的细胞培养装置，其特征在于：还包括为该细胞培养装置提供CO₂的CO₂输送装置、该细胞培养装置中的培养皿提供换液功能的自动换液装置和控制拉伸装置拉伸时间、拉伸频率以及拉伸幅度的控制系统。