三维培养条件下细胞应变加载装置

摘要

本发明公开了一种三维培养条件下细胞应变加载装置，将电源通过驱动线连接至压电陶瓷片驱动部分的电极上，电极与压电陶瓷片相连；通过陶瓷片固定装置将压电陶瓷片固定在基底上，位移传递柱塞后端与压电陶瓷片的位移输出端固定在一起，细胞-支架构成的三维复合体位于培养小室底部中央位置，左右分别连接多孔固定材料，一侧的多孔固定材料固定在培养小室壁上，另一侧的多孔固定材料与位移传递柱塞固定连接；激光探头非接触安装于传递柱塞后端，与计算机相连，检测传递柱塞的前后位移。本发明能够在不停机的情况下加载振幅、频率，并方便的调节；具有可操作性好，重复精度高，力学加载平稳，误差小，避免了磁场干扰。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于生物力学研究的测定装置，特别涉及一种三维培养条件下细胞接受机械应力刺激的加载实验装置。

背景技术

近年来，随着生命科学与其他学科之间交叉研究的日益增多，生物力学作为应用力学原理和方法对生物体中的力学问题进行定量研究的新兴学科，逐渐成为生物学领域研究的热点。其中细胞对力学刺激的响应研究是目前生物力学研究的前沿领域之一。然而由于人体体内环境极其复杂，该方面的体内研究也变的较为困难。而多种离体细胞培养技术为在细胞层面上研究力学刺激的生物学效应提供了可能。研究表明力学刺激会导致细胞骨架产生形变、引起骨架排列的变化，进而影响细胞形态、细胞自身的力学性能、黏附力、增殖、分化等多个方面。

许多离体细胞力学实验方法已经被研究人员提出并用于生物体对力学因素的响应等机理方面的研究，如基底拉伸、四点弯曲拉伸、流体静压力以及单独流体剪应力刺激、流体剪应力组合等。同时也建立了许多力学加载的模型。公开号为CN 1847847的中国专利公开了的一种细胞力学加载系统，该系统由底部固定有硅胶膜的培养腔构成，硅胶膜上可以接种细胞，硅胶膜底部有顶升气囊，通过调整气囊内部气体的多少产生变形，从而使硅胶膜变形产生平面的等双轴周期性拉应力或压应力。该装置虽然操作简单、体积小，但外力使气囊产生的变形与其内部气体的初始压力密切相关，因此难以做到十分精确的控制气囊变形；其次该装置中细胞接受到的形变没有直接的检测系统。公开号为CN 1425905的专利发明了一种四点弯曲细胞力学加载仪，该装置通过步进电机的转动，带动传动螺杆产生前后位移，推动压头(与细胞培养板上下各有两个接触点)加载接种有细胞的培养板，使培养板及细胞产生变形。该装置可控性好，重复精度高，由于需要使用但装置较为复杂，且由于培养板不同位置的形变不同，所以不能保证细胞产生相同的形变。公开号为CN 1932510的专利公开了一种细胞拉伸的加载装置，它通过控制器、驱动器控制步进电机转动，通过丝杆把转动转变为水平方向的位移，拉动接种有细胞的培养膜，使细胞受到水平方向的拉伸变形，该装置能够使细胞受力较为均匀，可以精确控制拉伸幅度和频率，拉伸距离也可以方便的调节，但该装置中使用步进电机作为驱动源，不可避免的带来磁场的干扰，而磁场作为一种物理因素对细胞的影响作用目前尚不明确，对于我们研究细胞对力学刺激的响应带来干扰因素。

上述三个专利所公开的装置均建立在单层细胞培养基础上，培养细胞单层生长，在进行如形态观察、细胞染色等实验时较为方便，但缺乏体内环境下细胞所处的立体空间，减弱了细胞间自分泌、旁分泌的相互影响和作用，而体细胞在受到力学刺激时的环境是三维立体的，因此在进行该方面的研究时应该建立三维立体条件下细胞的研究模型。公开号为CN 1567399的专利公开了一种三维培养条件下心肌细胞的力学刺激装置，该装置利用组织工程的方法构建了细胞--胶原的复合体，形成细胞的三维培养环境，再通过电机、飞轮、连杆和滑块把电机的转动变为水平方向上的运动，周期性的加载细胞--胶原的复合体，使细胞受到力学刺激。该装置虽然实现了细胞的三维生长环境，但其驱动仍然使用工作时产生磁场的电机，且对其加载幅度的调节需要停机，给操作带来诸多不便；此外，该装置采用过多的机械传动，工作时难免产生噪声和热量，也存在长期工作中的磨损问题。

发明内容

为了克服现有技术结构复杂、存在磁场、热量等干扰因素等方面的不足，本发明提供了一种三维培养条件下细胞或组织应变加载装置，结构简单，可不停机改变加载振幅、频率等参数，避免磁场干扰，产生热量低，适用于三维培养条件下细胞的力学加载实验装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用压电陶瓷片作为驱动源，对细胞--多孔支架构成的三维复合体进行力学刺激。本发明主要针对三维培养条件下对细胞进行力学刺激，包括压电陶瓷驱动电源、压电陶瓷片驱动部分、细胞培养单元以及激光位移传感器形变检测部分。压电陶瓷片驱动部分主要由其核心部件压电陶瓷片、电极、陶瓷片固定装置、传递柱塞、多孔固定材料构成；细胞培养单元由基底和培养小室构成；激光位移传感器形变检测部分由激光探头和计算机组成。电源通过驱动线连接至压电陶瓷片驱动部分的电极上，电极与压电陶瓷片相连。通过陶瓷片固定装置将压电陶瓷片固定在基底上，位移传递柱塞后端与压电陶瓷片的位移输出端固定在一起，前端与连接细胞--支架构成的三维复合体的多孔固定材料固定。细胞--支架构成的三维复合体位于培养小室底部中央位置，左右分别连接多孔固定材料，一侧的多孔固定材料固定在培养小室壁上，另一侧的多孔固定材料与位移传递柱塞固定连接。激光探头非接触安装于传递柱塞后端，与计算机相连，检测传递柱塞的前后位移。

作为本发明的一种优选方案，所述的压电陶瓷片采用技术成熟、可输出较大位移的双压电晶片。压电陶瓷片驱动部分的电极位于双压电晶片的两侧，与陶瓷片紧密连接，第三个电极从陶瓷片中间层铜片引出，电极与压电陶瓷驱动电源连接。

作为本发明的第二种优选方案，所述的压电陶瓷片采用技术成熟、方便购买的压电堆叠驱动器，能够实现对硬度较大的细胞--多孔支架复合体的加载。将压电堆叠驱动器固定在细胞培养单元上，位移传递柱塞一端固定在驱动器的位移输出端，另一端与连接细胞--支架构成的三维复合体的多孔固定材料连接。

所述多孔固定材料为不会产生细胞毒性的多孔材料，如多孔聚乙烯等。

本发明中细胞培养单元采用有机玻璃或聚四氟乙烯材料制成，易于加工，同时也可以方便的灭菌，防止可能的污染发生。

本发明的工作原理：压电陶瓷驱动电源提供压电陶瓷片或压电堆叠驱动器需要的正弦波或其他波形的电压，压电陶瓷片产生的弯曲变形或压电堆叠驱动器的前后位移通过位移传递柱塞传递到细胞--多孔支架复合体上，细胞--多孔支架复合体两端分别和多孔固定材料聚合在一起，以便柱塞前后运动时可以产生压缩或拉伸变形，进而使细胞产生周期性的形变。通过与传递柱塞非接触安装的激光探头，检测传递柱塞的位移量，数据传递至计算机，通过计算机软件的处理，实时显示位移波形。

本发明的有益效果是：本发明可以对细胞施加正弦波或三角波等波形的形变，频率范围为0-100Hz，变形幅度为最大可达1mm，并且采用构建多孔支架和细胞复合体的方法提供了细胞生长所需的三维立体环境，最大程度的模拟了细胞体内的生长环境。该装置采用新型驱动源压电陶瓷作为加载细胞的动力，能够在不停机的情况下加载振幅、频率，并可以方便的调节。

本发明中的细胞力学加载实验装置输出产生多种形式的拉伸、压缩应变，具有可操作性好，重复精度高，力学加载平稳，误差小，避免了步进电机作为驱动源时带来的磁场干扰。可以提供细胞生长需要的三维立体培养环境等特点，能够十分精确的控制使细胞产生的形变，相同条件下的实验有良好的一致性。可以作为生物力学中对细胞进行力学刺激响应研究的实验装置。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1本发明所述实施例一的细胞三维培养应变加载装置的示意图；

图2是本发明所述实施例一的细胞培养单元和压电陶瓷片驱动部分侧视图；

图中，1-基底；2-引线接出端；3-引线；4-压电陶瓷卡套；5-双压电晶片；6-培养小室；7-传动柱塞；8-胶原支架与细胞的复合体；9-多孔固定材料；10-激光探头；11-计算机；12-压电陶瓷驱动电源；

图3是本发明所述实施例一的细胞三维培养应变加载装置的三维示意图；

图4是本发明所述实施例二的压电堆叠驱动器用细胞三维培养应变加载装置示意图；

图中，13-驱动器支架；14-驱动器固定螺栓；15-压电堆叠驱动器；16-驱动器用传动柱塞；17-柱塞连接固定销；

图5是本发明所述实施例二的压电堆叠驱动器用细胞三维培养单元三维示意图。

具体实施方式

实施例一、双压电晶片作为驱动器的细胞应变加载装置

参照图1、图2和图3，本发明装置包括压电陶瓷驱动电源、压电陶瓷片驱动部分、细胞培养单元以及激光位移传感器形变检测部分。压电陶瓷驱动电源12提供加载电压；压电陶瓷片驱动部分主要由其核心部件压电陶瓷片5、电极、陶瓷片固定装置、传递柱塞7、多孔固定材料构成；细胞培养单元由基底1和培养小室6构成；激光位移传感器形变检测部分由激光探头10和计算机11组成。其中电极为引线接出端2，陶瓷片固定装置选用压电陶瓷卡套4，多孔固定材料使用多孔聚乙烯9，基底1、压电陶瓷卡套4、细胞培养小室6均为有机玻璃材料，传动柱塞7材料为聚四氟乙烯。基底1为该装置的底座，引线接出端2和培养小室6固定在基底1上。双压电晶片5通过压电陶瓷卡套4固定在培养小室6前侧，引线3连接至引线接出端2上，电源12通过引线3对双压电晶片5施加电压，使其产生前后形变。胶原温度升高时会发生聚合作用，与多孔聚乙烯9凝结为一体，传动柱塞7传递的形变加载到胶原支架与细胞的复合体8上。当需要进行细胞力学加载时，先调节电源12，输出需要波形的电压，电压通过引线3加载到双压电晶片5上，由于双压电晶片5两端固定在细胞培养小室6上，所以其中间部位会产生最大的形变，通过传动柱塞7传递到多孔聚乙烯9，进而使胶原支架与细胞的复合体8产生变形。

激光探头10非接触安装在传动柱塞7的前方，用于收集传动柱塞7的形变信号，信号经过计算机11软件处理，得到检测到的振动波形和振幅等参数。

实施例二、压电堆叠驱动器作为驱动的细胞应变加载装置

参照图4和图5，本发明装置与实施例一中的装置基本相同，区别在于该装置使用压电堆叠驱动器15作为驱动源，提供驱动力。位移的传递通过传动柱塞16实现。将压电堆叠驱动器15用固定螺栓14固定在驱动器支架13中，将驱动器用传动柱塞16连接在压电堆叠驱动器15振动输出端。驱动器用传动柱塞16的各部分用固定销17连接。实验中对细胞施加力学刺激时，首先调节电源12输出需要的电压信号，驱动压电陶瓷器15输出相应的形变，与实施例一相似，通过驱动器用传动柱塞16传递使胶原支架与细胞的复合体8产生变形，检测装置与实施例一相同，通过激光探头10和计算机11实现。