CN215517429U - 一种细胞加力装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种细胞加力装置，包括：底座(9)：用于支撑整个细胞加力装置；微型直线伺服驱动器(10)：用于为整个细胞加力装置提供动力；可拆卸应力加载装置(4)：用于为细胞提供外力；所述微型直线伺服驱动器(10)可拆卸固定于底座(9)上，所述微型直线伺服驱动器(10)驱动所述可拆卸应力加载装置(4)往返运动。本实用新型的细胞加力装置的有益效果是通过微型直线伺服驱动器驱动可拆卸应力加载装置，使得运动精度更高，可达0.03mm，加力精度可达0.06％；而且采用一体化装置，结构简洁，易于移动。

Description

一种细胞加力装置

技术领域

本实用新型涉及细胞力学技术领域，具体讲涉及一种细胞加力装置，用于对体外培养细胞施加机械应变。

背景技术

细胞力学是现代生物力学发展的前沿领域，主要研究力学载荷对细胞形态、生长分化、功能等的影响，是组织工程和细胞工程的基础之一。细胞在体内会受到多种力的作用，张力作为其中一种生物力对细胞的多种生命活动发挥作用，例如：肌肉收缩时给予肌腱细胞张力影响肌腱细胞代谢，正畸牙齿移动过程中牙周膜细胞受到拉伸作用促进成骨，膀胱平滑肌细胞受到张力作用促进自身增殖分化等等。同时也有很多细胞在长时间的病理性张力作用下发生病变，例如受到长时间病理性张力作用的心肌细胞会发生一些组织学和形态学的变化从而引发心衰，肺泡细胞受到长时间病理性张力后会发生纤维化等等。利用体外细胞张力装置可以在体外模拟体内细胞受到的生理性或病理性张力作用，从而对于各种细胞在张力作用下所发生变化获得更深的理解，探索可能的机制，有助于对那些由于病理性张力引起的疾病起到探索性的治疗方法。

实用新型内容

目前市面上常见体外细胞张力装置主要是通过调节气压使得弹性底培养板与下方装置之间形成密闭负压状态，使培养板底部弹性膜受到方向向下的力，在弹性膜下方圆柱形装置的作用下，弹性膜中央不能向下塌陷，而外圈环形部分受到负压作用向下塌陷，使得中央部分受到水平张力作用。该装置存在以下几点不足：

1.装置非一体化设计，组成部分多，占地面积大，至少需要1m³占地空间(官方数据：不含在细胞培养箱中的装置部分、真空泵和气压调节装置需要68.58cm*40.64cm的空间，重量达9.5kg)；

2.应用条件苛刻，管线路要求高，其试验设备要求在全密闭细胞培养箱箱壁上定制特殊开口供设备的正压、负压管路通过，多数实验室细胞培养箱不具备上述条件，需经过改造或更换培养箱后才可使用。此外，电脑主机、真空泵、细胞培养及拉伸装置均需要单独供电。

3.设备耗电量大，据估算每小时耗电量约为0.7kWh，环保程度低。

4.真空负压加力方式引入的实验误差较大。根据FX-6000T的设计，弹性膜下方的加力模块直径为25mm，弹性膜培养皿的直径为35mm，由于摩擦力的存在，弹性膜在加力模块上方的部分和凹向下的部分所受的张力不同，拉伸率也不同。经计算，当水平方向上细胞的拉伸率为ε时，弹性培养膜上仅有0.51/(1+ε)²的细胞拉伸率确为ε,即不足51％的细胞受力为预期拉伸率，且随着拉伸率的增大这个比例会进一步减小。而其他细胞所受拉伸力会大于ε。由于方法的限制，细胞在整个弹性膜内接近于均匀生长，加力实验结束后，收集的也是弹性膜上的所有细胞，因此会带来较大的误差。

鉴于此，本实用新型的目的在于解决至少上述存在的技术问题之一，提供一种细胞加力装置，该装置结构简单，操作方便，能够广泛应用于体外细胞力学研究。将对细胞的加力操作与对细胞的后续处理进行分离。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种细胞加力装置，所述细胞加力装置包括：用于支撑整个细胞加力装置的底座；用于为整个细胞加力装置提供动力的微型直线伺服驱动器；用于为细胞提供外力的可拆卸应力加载装置；所述微型直线伺服驱动器可拆卸固定于底座上，所述微型直线伺服驱动器驱动所述可拆卸应力加载装置往返运动。

本实用新型中细胞加力装置通过直线伺服驱动器为整个细胞加力装置提供动力，其精度可达0.03mm，使得加力精度可达0.06％。

在本实用新型的一个具体实施方式中，所述可拆卸应力加载装置为球冠形金属加力元件，其为数控机床切削制作，精度在0.01mm。根据计算公式：拉伸率＝拉伸后弹力膜表面积/未拉伸时弹力膜表面积，进而根据需求可以对球冠形凸起的角度进行设置，以便实现对细胞施加0-200％的拉伸作用，尤其是实现对细胞施加30％-200％的拉伸作用。球冠形金属加力元件与细胞培养容器的弹性膜接触时，能够减小摩擦力的影响，使得细胞受力更加均匀，有效减小实验误差。

在本实用新型的一个具体实施方式中，所述细胞加力装置还包括活动平台：用于支撑1个或同时支撑多个可拆卸应力加载装置；所述微型直线伺服驱动器驱动所述活动平台进而驱动所述可拆卸应力加载装置往返运动。本申请中，活动平台能够支撑多个可拆卸应力加载装置，例如，2个，3个，4个，5个或6个等，多个可拆卸应力加载装置可相同或不同；相同时，可以实现同一个试验同时进行多个平行，从而减少不同平行之间的误差，使得实验数据更加准确可靠。

在本实用新型的一个具体实施方式中，所述活动平台可拆卸连接于所述微型直线伺服驱动器的推杆上方，保证所述活动平台始终随所述微型直线伺服驱动器的推杆垂直运动。

在本实用新型的一个具体实施方式中，所述活动平台两侧设置有两条垂直导轨，用于保证所述活动平台整体在垂直方向上运动。

在本实用新型的一个具体实施方式中，所述细胞加力装置还包括培养板支撑平台，用于支撑培养细胞的容器；所述培养板支撑平台通过垂直支撑柱可拆卸固定于底座上。

在本实用新型的一个具体实施方式中，所述培养板支撑平台中部开口，所述开口周围设置有凹槽，所述凹槽与所述培养细胞的容器完全吻合，用于限制所述容器的水平运动。

在本实用新型的一个具体实施方式中，所述细胞加力装置还包括培养板固定装置，用于固定培养细胞的容器。

在本实用新型的一个具体实施方式中，所述细胞加力装置还包括中央控制盒，所述中央控制盒与所述微型直线伺服驱动器电连接，用于控制所述微型直线伺服驱动器。

在本实用新型的一个具体实施方式中，所述中央控制盒包括锂电池和微型处理器。所述锂电池作为整个细胞加力装置运行的电源设备。所述微型处理器可以进行编程以调控微型直线伺服驱动器的运动方式进而改变可拆卸应力加载装置的运动方式，其运动方式包括但不限于：正弦波、三角波、梯形玻以及多种波形组合等等，其可根据实验需要进行设定。

在本实用新型的一个具体实施方式中，所述细胞加力装置尺寸为500mm(长)×400mm(宽)×120mm(高)，占地面积≤0.02m³，重量为≤4.9kg，其不超过普通细胞培养箱单层高度，不超过普通细胞培养箱单层承重，可整体放入细胞培养箱中，无需外接电源，无需对现有培养箱进行改造等。

在本实用新型的一个具体实施方式中，所述细胞加力装置还包括两个提手，分别位于底座的两侧。

在本实用新型的一个具体实施方式中，所述培养细胞的容器为

弹性应力细胞培养板。

本实用新型至少具有以下有益效果之一：本实用新型提供的细胞加力装置，通过微型直线伺服驱动器驱动可拆卸应力加载装置，使得运动精度更高，可达0.03mm，加力精度可达0.06％；而且采用一体化装置，结构简洁，易于移动。

附图说明

图1为实施例中1细胞加力装置的主视图的结构示意图。

图2为实施例1中细胞加力装置的左视图的结构示意图。

图3为实施例1中细胞加力装置的俯视图的结构示意图。

图4为实施例1中利用细胞加力装置对牙周膜干细胞加力之前的排列图片。

图5为实施例1中利用细胞加力装置对牙周膜干细胞以9％延伸率，加力24h的排列图片。

图6为实施例1中利用细胞加力装置对牙周膜干细胞以12％延伸率，加力24h的排列图片。

图7为实施例2中利用细胞加力装置处理人牙周膜干细胞后，成骨基因RUNX2表达变化的实验结果图。

图8为实施例2中利用细胞加力装置处理人牙周膜干细胞后，成骨基因OSX表达变化的实验结果图。

图9为实施例2中利用细胞加力装置处理人牙周膜干细胞后，成骨基因OCN表达变化的实验结果图。

图10为实施例2中利用细胞加力装置处理人牙周膜干细胞后，成骨基因OPN表达变化的实验结果图。

Bioflex弹性应力细胞培养板-1；培养板固定装置-2；培养板支撑平台-3；可拆卸应力加载装置-4；活动平台-5；垂直支撑柱-6；垂直导轨-7；提手-8；底座-9；微型直线伺服驱动器-10；中央控制盒-11。

具体实施方式

实施例1

本实施例以图1中细胞加力装置的主视图的方位为准，培养细胞的容器以6孔的Bioflex弹性应力细胞培养板为例，可拆卸应力加载装置以球冠形金属加力元件为例进行描述。为与6孔的Bioflex弹性应力细胞培养板相配合，球冠形金属加力元件为6枚。

如图1-3所示，本实施例提供一种细胞加力装置，微型直线伺服驱动器10通过底部的螺栓固定于底座9的前侧，活动平台5通过其中央的螺栓固定于微型直线伺服驱动器10的推杆上，微型直线伺服驱动器10驱动活动平台5往返运动。球冠形金属加力元件4通过螺栓固定于活动平台5上。本实施例中，球冠形金属加力原件，共6枚，可同时做6个平行试验。活动平台5的左右两侧分别设置有垂直导轨7，微型直线伺服驱动器10驱动活动平台5运动时，活动平台5始终沿着垂直导轨7运动。培养板支撑平台3通过四个垂直支撑柱6固定在底座9上，其中央设置有开口，便于裸露出Bioflex弹性应力细胞培养板1的底部，开口周围设置有凹槽(图中未标注)，凹槽与培养细胞的容器完全吻合，用于限制容器的水平运动。Bioflex弹性应力细胞培养板1通过培养板固定装置2完全固定于培养板支撑平台3上。培养板固定装置2分别设置于培养板支撑平台3的左右两侧。在底座9的左右两侧分别设置有提手8，用于方便搬运细胞加力装置；在底座9的后侧设置有中央控制盒11，中央控制盒11内设置有锂电池和控制器，锂电池用于为整个细胞加力装置提供电源；通过编程将控制程序传入控制器内并固化，从而控制球冠形金属加力元件4的运动方式，例如其波形为正弦波、三角波、梯形波以及多种波形组合等等。

细胞加力装置工作过程：按下开关开机后，控制器控制微型直线伺服器10按事先设定的程序进行直线运动，驱动活动平台5及固定于活动平台5上的球冠形金属加力元件4进行垂直运动。Bioflex弹性应力细胞培养板1通过培养板固定装置2固定于培养板支撑平台3。在四个垂直支撑柱6的配合及限制作用下，当微型直线伺服器10驱动活动平台5及固定于活动平台5上的球冠形金属加力元件4垂直向上运动越过原点后，球冠形金属加力元件4便与Bioflex弹性应力细胞培养板1的底部弹性膜接触，对底部弹性膜施力，从而使弹性膜发生形变，对Bioflex弹性应力细胞培养板1上培养的细胞起到拉伸作用(即张力作用)。越向上方运动施力越大，Bioflex弹性应力细胞培养板1上培养的细胞所受拉伸力(即张力)也越大。当微型直线伺服器10驱动上方活动平台5及固定于活动平台5上的球冠形金属加力元件4垂直向下运动越过原点后，球冠形金属加力元件4便与Bioflex弹性应力细胞培养板1的底部弹性膜脱离接触，球冠形金属加力元件4不再对Bioflex弹性应力细胞培养板1的底部弹性膜产生力的作用，Bioflex弹性应力细胞培养板1培养的细胞也就不再受到拉伸作用。通过控制器编程调控微型直线伺服器10的运动方式，便可特异性地对Bioflex弹性应力细胞培养板1培养细胞的拉伸力的力值大小、频率、变化方式等进行调节。

本实施例中微型直线伺服器精度可达0.03mm，使得加力精度可达0.06％。球冠形金属加力元件为数控机床切削制作，精度在0.01mm，可同时安装六个，进行六组平行试验。球冠形金属加力原件可根据需求设计成多种不同凸度，根据计算公式：拉伸率＝拉伸后弹力膜表面积/未拉伸时弹力膜表面积，可实现对细胞施加0-200％的拉伸作用。

图4-6为利用本实施例中的细胞加力装置对牙周膜干细胞拉伸的研究实验结果。如图4所示，在非加力对照组中，牙周膜干细胞排列随意。如图5和图6所示，随着加力时间的逐渐延长，牙周膜干细胞排列趋于一致，与加力方向垂直，同时可见牙周膜干细胞胞体的延长。

实施例2

使用本申请的细胞加力装置，测试在加力状态下人牙周膜干细胞成骨向分化情况。

使用ɑ-MEM培养人牙周膜干细胞，将4-6代人牙周膜干细胞种于BioFlex细胞加力六孔板上，等待贴壁完全并达到90％以上细胞密度后，通过本申请实施例中的细胞加力装置加载动态牵张应力(12％形变牵张力，0.25Hz)，各组作用时间分别为0h，3h，6h，12h。用Trizol法分别提取实验组与对照组(加力0h)的牙周膜干细胞总RNA，反转录成cDNA，以GAPDH为内参，使用Real-Time PCR分析人牙周膜干细胞在不同牵张应力作用时间后相关成骨基因mRNA表达变化。相关成骨基因包括：RUNX2、OSX、OCN、OPN，其实验结果如图7-10所示。

图7为成骨基因RUNX2的mRNA表达变化的实验结果图；图8为成骨基因OSX的mRNA表达变化的实验结果图；图9为成骨基因OCN的mRNA表达变化的实验结果图；图10为成骨基因OPN的mRNA表达变化的实验结果图。从图7-图10中可以看出，与对照组(NC：加力0h)相比，实验组加力3h，6h，12h后，RUNX2、OSX、OCN、OPN等成骨相关标志物mRNA表达均呈上升趋势，其中12h实验组成骨相关标志物上升趋势最明显，差异均有统计学意义(P<0.05)。

本实施例中细胞加力装置规格尺寸为500mm*400mm*120mm，重量4900g，其规格小，重量轻，易于移动和携带，可整体放入细胞培养箱，不超过普通细胞培养箱单层体积高度，不超过普通细胞培养箱单层承重。其最大拉伸力100N，可满足绝大多数实验需要。细胞加力装置所有部分进行防潮处理，可用于高湿度环境(>95％湿度)，可整体放入密闭容器内，无需走线或额外接口，避免对实验室细胞培养箱的改造或更换，便于在不同空间环境下使用。

本实施例中，是将整个Bioflex弹性应力细胞培养板通过培养板固定装置固定于培养板支撑平台，培养板固定装置可为普通的固定装置，例如弹簧夹等。相较于只固定弹性膜，本实施例中的细胞加力装置更易操作。而且细胞培养板能够整体从培养板支撑平台上取下来，可以将对细胞的其他操作与对细胞的加力培养分开，从而解决了现有技术中对细胞受力研究时，所有的操作(例如细胞需加力之前的培养，以及细胞加力后对细胞的其他研究等)只能在对细胞加力的装置上进行的限制；而且整个细胞培养板移动，避免了对培养的细胞的污染等，使得细胞的培养、细胞处理更加方便，不受限制。

本实施例中的细胞加力装置配合商品化的BioFlex Culture Plates弹性底培养板使用，可进行批量化生产，实验，实现市场化、商品化。

以上仅是本实用新型的特征实施范例，对本实用新型保护范围不构成任何限制。凡采用同等交换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本实用新型权利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种细胞加力装置，其特征在于，所述细胞加力装置包括：

底座（9）：用于支撑整个细胞加力装置；

微型直线伺服驱动器（10）：用于为整个细胞加力装置提供动力；

可拆卸应力加载装置（4）：用于为细胞提供外力；

所述微型直线伺服驱动器（10）可拆卸固定于底座（9）上，所述微型直线伺服驱动器（10）驱动所述可拆卸应力加载装置（4）往返运动。

2.根据权利要求1所述的细胞加力装置，其特征在于：还包括活动平台（5）：用于支撑1个或同时支撑多个可拆卸应力加载装置（4）；所述微型直线伺服驱动器（10）驱动所述活动平台（5）进而驱动所述可拆卸应力加载装置（4）往返运动。

3.根据权利要求2所述的一种细胞加力装置，其特征在于：所述活动平台（5）可拆卸连接于所述微型直线伺服驱动器（10）的推杆上方。

4.根据权利要求2所述的一种细胞加力装置，其特征在于：所述活动平台（5）两侧设置有两条垂直导轨（7），用于保证所述活动平台（5）垂直运动。

5.根据权利要求1所述的一种细胞加力装置，其特征在于：还包括培养板支撑平台（3），用于支撑培养细胞的容器；所述培养板支撑平台（3）通过垂直支撑柱（6）可拆卸固定于底座（9）上。

6.根据权利要求5所述的一种细胞加力装置，其特征在于：所述培养板支撑平台（3）中部开口，所述开口周围设置有凹槽，所述凹槽与所述培养细胞的容器完全吻合，用于限制所述容器的水平运动。

7.根据权利要求5所述的一种细胞加力装置，其特征在于：还包括培养板固定装置（2），用于固定培养细胞的容器。

8.根据权利要求1所述的一种细胞加力装置，其特征在于：还包括中央控制盒（11），所述中央控制盒（11）与所述微型直线伺服驱动器（10）电连接，用于控制所述微型直线伺服驱动器（10）。

9.根据权利要求8所述的一种细胞加力装置，其特征在于：所述中央控制盒（11）包括锂电池和微型处理器。

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