CN216864172U - 基于气动环形模具的生物细胞刺激系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型具体说是基于气动环形模具的生物细胞刺激系统，包括：环形培养模具、气泵设备；环形培养模具设于培养皿内，且通过导气管与气泵设备连接；环形培养模具包括：上部模具、下部模具和模具底座；上部模具与下部模具之间、下部模具和模具底座之间密封连接，形成体积可变的环形环形培养模具；模具底座设于培养皿内；上部模具上开设有通孔，气泵设备通过导气管经通孔与下部模具连接。由于本实用新型在细胞组织培养分化促进应用中无特殊要求，无需对细胞样品进行复杂的处理，并且可以实现培养与刺激一体化，有效减小了细胞组织在培养与刺激过程中的损坏与染菌几率，在骨骼肌组织工程、药物筛选、及以肌细胞为驱动单元的类生命机器人的研究。

Description

基于气动环形模具的生物细胞刺激系统

技术领域

本实用新型涉及一种可以产生任意可变周期和多种模式机械刺激的生物细胞培养系统，具体说是结合了环形培养模具的均一应力，以及气泵设备的任意气体输出、保持、释放控制性而实现的任意频率、时长、幅值的机械应变刺激。主要用于生物细胞电刺激促进生长分化，在生命科学领域具有重要的潜在应用，如骨骼肌组织工程、药物筛选、及以肌细胞为驱动单元的类生命机器人的研究。

背景技术

由生命系统和机电系统有机深度融合所形成的类生命机器人系统可能具有生物与机器各自的优点，例如生命体所独有的多自由度、高能量转换效率、高能量密度、生物兼容性、和自修复特性，以及机电系统所拥有的高精准性、高强度、高重复性、和良好的可控性等特点。因此，对于以活体肌肉细胞为驱动主体的类生命机器人研究吸引了大量的关注，现已实现以活性分子马达、微生物、肌肉细胞、昆虫背血管组织等为驱动单元的微小机器人。而其中骨骼肌作为哺乳动物主要的动力来源，具有收缩力大及可控性好的优点，有望成为新一代类生命机器人的主要驱动单元。但是，成肌细胞需分化为肌管才能在外界刺激(如电刺激)下产生收缩运动，而较低的分化率限制了骨骼肌细胞驱动类生命机器人研究的发展。已有研究表明，周期性机械刺激可以促进肌细胞生长，如成肌细胞的增殖、分化、肌管的成熟度、排列性、以及肌管的收缩特性。在目前的机械刺激促进细胞生长分化的研究中，多采用平行板拉伸刺激方法，而其在应用中均存在着某些局限性，例如，当使用平行拉伸刺激系统进行肌肉细胞刺激训练时，首先需要将细胞组织培养培养成型，而后将成型后的组织转移机械刺激训练装置，并将细胞组织两端与拉伸结构固定，进而进行细胞组织训练。类似的机械刺激方法虽然可以实现细胞生长分化的促进，但是由于细胞组织培养与刺激需要分别在两个系统上完成，增加了流程的复杂性和染菌几率。因此从物理原理上开发基于气动环形模具的生物细胞刺激系统在实现生物细胞/组织体外培养与促进研究方面具有重要作用。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供基于气动环形模具的生物细胞刺激系统，实现促进细胞组织体外生长分化，以及基于肌细胞驱动的类生命机器人发展。应用基本物理原理推进细胞生物学相关学科与产业的快速发展。

本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：

基于气动环形模具的生物细胞刺激系统，包括：环形培养模具、气泵设备；

其中，所述环形培养模具设于培养皿内，且通过导气管与气泵设备连接；

所述环形培养模具包括：上部模具、下部模具和模具底座；所述上部模具与下部模具之间、所述下部模具和模具底座之间密封连接，形成体积可变的环形环形培养模具；所述模具底座设于培养皿内；

所述上部模具上开设有通孔，气泵设备通过导气管经通孔与下部模具连接。

所述上部模具为圆盘状模具，所述通孔开设于模具的中心处。

所述下部模具为空心圆柱状模具，所述下部模具的横截面直径与上部模具的横截面直径相同。

所述模具底座为圆盘状底座，所述圆盘状底座上开设有承载生物凝胶的圆形槽。

所述下部模具安装在圆形槽内，且下部模具的轴心与圆形槽的圆心同心设置；所述下部模具的高度大于圆形槽的槽高度。

所述环形培养模具(1)高度小于培养皿(2)高度。

所述下部模具为聚二甲基硅氧烷材质的圆管。

所述导气管(4)为PP导气管、PE导气管和PVC导气管中任意一种。

本实用新型具有以下有益效果及优点：

1.本实用新型利用环形培养模具可对所培养的细胞组织进行均一性应力刺激，提高组织体外分化效率。

2.本实用新型利用环形培养模具和可控气泵设备可产生多种充气速率、最终压力、放气速率、占空比可控制的机械刺激，可用于体外细胞组织生长分化条件的优化与分析。

3.由于本实用新型在细胞组织培养分化促进应用中无特殊要求，无需对细胞样品进行复杂的处理，并且可以实现培养与刺激一体化，可有效减小了细胞组织在培养与刺激过程中的损坏与染菌几率，因此在生命科学领域具有重要的潜在应用，如骨骼肌组织工程、药物筛选、及以肌细胞为驱动单元的类生命机器人的研究。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构原理示意图；

图2为本实用新型中气动环形培养模具示意图；

其中，1是气动环形培养模具，2是培养皿，3是培养箱，4是导气管，5是气泵设备，6是上部模具，7是下部模具。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

如图1所示，本实用新型涉及基于气动环形模具的生物细胞刺激系统及其控制方法，包括体积可变的环形培养模具和气泵设备，可实现机械应力刺激促进细胞生长分化，可与电脉冲刺激配合使用，实现骨骼肌微组织的进一步分化。

本实用新型包括：体积可变的环形培养模具1以及与其连接的气泵设备5；

环形培养模具1，设于培养皿2内；气泵设备5，通过导气管4与环形培养模具1连接，用于输出脉冲式气压，通过导气管4连接于体积可变的环形培养模具1，进而使得环形培养模具1产生周期性形变，实现生物细胞的可变机械刺激。

体积可变的环形培养模具1为内部空心，用于在导气管4输入气体作用下实现模具中心空心柱状体直径变化。

体积可变的环形培养模具1外部具有环形凹槽，用于培养生物细胞混合液，最终形成环形微组织。

体积可变的环形培养模具1固定于培养皿2底部。

体积可变的环形培养模具1高度小于培养皿2高度。

气泵设备5，用于输出脉冲式气压，通过导管连接于体积可变的环形培养模具，进而使得环形培养模具1产生周期性形变，实现生物细胞的可变机械刺激。

在基于气动环形模具1的生物细胞刺激系统中环形模具可装配于不同型号生物培养皿2，固定于培养皿2底部，通过导气管4与气泵设备5输出端相连，通过改变气泵设备5的驱动参数,包括输出充气速率、最终压力、放气速率、占空比等，可调节环形培养模具1的形变模式，从而对所培养的细胞组织进行多模式可控机械刺激。当将系统应用于细胞组织生长分化促进(如成肌细胞向肌管分化)时，将环形培养模具1固定于培养皿2底部，并将其置于培养箱3中，通过导气管4连接到生物培养装置即培养箱外的气泵设备5实现机械刺激。

环形培养模具1可装配于不同型号培养皿2，环形培养模具1与气泵设备5设备输出端口相连。使用过程中将装配有环形培养模具1的培养皿2置于培养箱3内，进行细胞组织体外培养与刺激。

如图2所示，环形培养模具1包含上下两部分，下部分和模具底座，模具底座与培养皿相固定，上部分与气体导气管4相连，使用时将上下部分粘合，形成中空状。环形培养模具1总高度低于培养皿2高度，进而在使用过程中可被培养皿2全部淹没。培养模具1在所述气泵设备5的驱动下，其直径可产生10Hz以下和10％以下可控的周期性形变，进而对其中的细胞组织进行机械刺激，促进细胞组织的生长分化。

本实用新型的工作原理如下：

在基于气动环形模具的生物细胞刺激系统中环形培养模具1可装配于不同型号生物培养皿2，固定于培养皿2底部，通过导气管4与气泵设备5输出端相连，通过改变气泵设备5的驱动参数,包括输出充气速率、最终压力、放气速率、占空比等，下部模具内的腔体接收到气泵设备5的驱动气体，进而使下部模具产生周期性形变，进而进而对其中的细胞组织进行机械刺激，促进细胞组织的生长分化。

Claims (8)

1.基于气动环形模具的生物细胞刺激系统，其特征在于，包括：环形培养模具(1)、气泵设备(5)；

其中，所述环形培养模具(1)设于培养皿(2)内，且通过导气管(4)与气泵设备(5)连接；

所述环形培养模具(1)包括：上部模具、下部模具和模具底座；所述上部模具与下部模具之间、所述下部模具和模具底座之间密封连接，形成体积可变的环形培养模具；所述模具底座设于培养皿(2)内；

所述上部模具上开设有通孔，气泵设备(5)通过导气管(4)经通孔与下部模具连接。

2.根据权利要求1所述的基于气动环形模具的生物细胞刺激系统，其特征在于，所述上部模具为圆盘状模具，所述通孔开设于模具的中心处。

3.根据权利要求1所述的基于气动环形模具的生物细胞刺激系统，其特征在于，所述下部模具为空心圆柱状模具，所述下部模具的横截面直径与上部模具的横截面直径相同。

4.根据权利要求1所述的基于气动环形模具的生物细胞刺激系统，其特征在于，所述模具底座为圆盘状底座，所述圆盘状底座上开设有承载生物凝胶的圆形槽。

5.根据权利要求1所述的基于气动环形模具的生物细胞刺激系统，其特征在于，所述下部模具安装在圆形槽内，且下部模具的轴心与圆形槽的圆心同心设置；所述下部模具的高度大于圆形槽的槽高度。

6.根据权利要求1所述的基于气动环形模具的生物细胞刺激系统，其特征在于，所述环形培养模具(1)高度小于培养皿(2)高度。

7.根据权利要求1所述的基于气动环形模具的生物细胞刺激系统，其特征在于，所述下部模具为聚二甲基硅氧烷材质的圆管。

8.根据权利要求1所述的基于气动环形模具的生物细胞刺激系统，其特征在于，所述导气管(4)为PP导气管、PE导气管和PVC导气管中任意一种。

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