一种对细胞实施持续牵张应力作用的培养装置及方法

摘要

本发明请求保护一种持续牵张应力细胞培养装置及细胞培养方法，涉及医学生物领域。本发明细胞培养装置通过加压单元顶部的螺纹与细胞培养单元底部的螺纹相连接构成一体化牵张应力细胞培养装置，在细胞培养单元内设置有细胞培养基底，在加压单元底部有注水加压孔，顶部有排气测压孔，待培养细胞种植在细胞培养基底上，在加压单元内空气排空后，继续注入确定体积的液体，使细胞培养基底产生相应的牵张形变，从而对培养细胞施加相应的牵张应力，实现在细胞培养过程中不离开培养环境的持续牵张应力施加，有效避免了现有牵张应力施加技术容易造成二次污染和细胞额外损伤的缺点，并且该装置结构简单，培养方法操作便捷。

说明书

技术领域

本发明涉及医学生物技术领域，尤其涉及一种用于实现对培养细胞进行牵张刺激的实验方法及装置。

技术背景

在生物医学实验中，细胞力学的研究是一个广受关注的领域，主要研究机械应力在细胞内传导以及细胞在机械应力作用下结构和功能的改变。因此研究中需要模拟一个符合自然应力条件的细胞培养或实验的条件，目前对离体培养细胞施加机械应力的实验方法有多种，包括牵拉张力、压力和流体剪切力等。根据文献报道，研究者建立了多种离体培养细胞的力学实验方法，同时离体培养细胞在机械应力改变时所产生变化的研究已日渐增多，用于研究离体培养细胞的应力加载装置也有相应报道，大致可以分为离心加载、流体加载、单细胞加载、压力传导加载和基底形变加载装置等，其中基底变形加载装置是实现牵张应力的主要方式，在实验研究中被广泛的应用。如专利申请细胞牵张应力控制装置(申请号：200520079070.7)、细胞力学周期加载系统(申请号：200610054278.2)、细胞基底单轴拉伸装置(申请号：200720123317.X)分别提出了不同的基底变形加载装置实现牵张应力加载。但这些装置都不同程度的存在设备复杂、体积庞大、操作较烦琐或者成本较高等不足；而且更为重要的是在对活体细胞给予应力加载时，除了考虑力学本身的因素外，细胞生长的环境必须和普通细胞生长的环境一致，这样才能较好的模拟在体环境，保持细胞良好的生长状态，从而保障研究结果的科学性。而上述装置在进行应力加载时均需要将基底从培养环境中取出，才能实现基底变形加载。这种操作非常容易造成培养细胞的二次污染以及对细胞的适时观察困难，更为重要的是使细胞频繁或者是长时间离开模拟的在体环境，将会对细胞的生长与代谢产生影响，甚至导致细胞死亡，从而影响实验研究的准确性。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是针对现有技术容易造成培养细胞二次污染、细胞额外损伤以及观察困难等缺陷，提出一种可以用于常规培养箱实现持续牵张应力加载的细胞培养方法和装置，该培养方法操作便捷、装置结构简单，成本低廉，并且可以不用将细胞基底取出培养环境的情况下实现持续牵张应力加载。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：设计一种持续牵张应力细胞培养装置，并利用该装置实现一种细胞牵张应力培养的方法。其中培养装置由细胞培养单元1、加压单元2和培养装置上盖3组成。采用弹性硅胶基底膜制作细胞贴壁生长的基底4，在细胞培养单元1底部加工有内螺纹；加压单元2顶部加工有与细胞培养单元1内螺纹实现配合的外螺纹，在加压单元2底部设置有注水加压孔5、顶部有排气测压孔6，细胞培养单元1和加压单元2通过螺纹连接为一体，培养装置上盖覆盖在细胞培养单元1的上口，培养细胞7种植在有弹性的细胞培养基底4上进行培养。根据离体细胞应力培养实验的特点，本发明采用细胞基底变形加载应力的方式实现对培养细胞的持续牵张应力培养，细胞应力培养装置通过螺纹连接将加压单元2和细胞培养单元1连接为一体，通过无菌注射器向加压单元底部的注水加压孔中注入生理盐水或蒸馏水；打开加压单元顶部的排气测压孔，将加压单元内的空气排空，充满生理盐水；继续通过加压孔注入确定体积的生理盐水，细胞培养基底在加压单元内的生理盐水作用下产生牵张形变，对种植在其上的培养细胞施加持续的牵张应力。

针对现有细胞牵张应力加载装置进行应力加载时需要将基底从培养环境中取出，进行基底变形加载过程中容易造成培养细胞二次污染以及影响细胞活性的缺点，本发明设计一种细胞培养单元和加压单元一体化的细胞牵张应力培养装置，实现了细胞培养过程中持续牵张应力施加，并且细胞在应力施加的过程中不离开培养环境，从而有效避免了二次污染和应力实施过程中由于细胞离开培养环境对细胞产生额外损伤的缺点。

附图说明

图1持续牵张应力培养装置主剖视图

图2持续牵张应力培养方法示意图

图3持续牵张应力培养流程图

具体实施方法

本发明设计了一种可在常规培养箱内实现培养细胞持续牵张应力实验的细胞培养装置，采用该装置可实现细胞牵张应力培养。细胞培养单元1和加压单元2一体化设计，通过向加压单元2注入确定体积的蒸馏水或生理盐水，使细胞培养基底4产生相应的牵张形变，从而对培养细胞施加相应的牵张应力，实现细胞培养过程中不离开培养环境的持续牵张应力培养，有效避免了现有技术容易造成细胞二次污染和额外损伤的缺点。

下面结合附图和具体实例对本发明持续牵张应力细胞培养装置的构造进行详细的说明。

图1所示为本发明设计的持续牵张应力培养装置的主剖视图，详细表示了本培养装置的结构构成关系。本培养装置包括细胞培养单元1、加压单元2和培养装置上盖3。在细胞培养单元1底部、加压单元2顶部分别加工有相互实现配合的内、外螺纹，加压单元2通过顶部的螺纹和细胞培养单元1的底部连接构成一体化牵张应力施加培养模块，培养装置上盖3为一般培养皿上盖，覆盖在细胞培养单元1的上口。采用弹性硅胶基底膜制作细胞培养基底4，在细胞培养单元底部加工有内螺纹，在加压单元顶部加工有与之实现配合的外螺纹，在加压单元底部有注水加压孔5，顶部有排气测压孔6。细胞培养单元和加压单元通过螺纹连接为一体，培养细胞7种植在弹性硅胶培养基底进行培养，培养装置上盖覆盖在细胞培养单元1的上口。

图2为本发明对培养细胞持续牵张应力施加示意图，描述了细胞培养过程中持续施加牵张应力的过程，通过向加压单元的注水加压孔注入确定体积的蒸馏水或生理盐水，使细胞培养基底产生相应的牵张形变，从而对培养细胞施加相应的牵张应力，实现一种细胞培养过程中不离开培养环境的持续牵张应力施加。如图3-1所示，对细胞进行持续牵张应力施加时，首先用无菌注射器通过注水加压孔将蒸馏水或生理盐水注入加压单元，此时排气测压孔为初始打开状态，将加压单元内的空气排空，使加压单元中充满生理盐水。考虑到空气体积受温度变化影响较大，不利于通过确定体积变化而对弹性培养基底的牵张应力进行施加和定量，需要将培养装置中的空气排出。排出空气后排气测压孔可以封闭或者连接到压力计，通过压力计测量注水加压施加牵张应力时加压单元中的压力大小，从而确定弹性培养基底产生的牵张应力。如图3-2所示，当加压单元内的空气排空后，如果继续通过注水加压孔注入确定体积dVml的液体时，弹性培养基底在加压单元内液体体积变化作用下产生了牵张形变，从而对种植在其上的培养细胞施加了持续的牵张应力。

通过弹性力学分析本发明对培养细胞施加的牵张应力，弹性培养基底产生的牵张应力F大小仅和细胞培养单元的直径D、弹性培养基底的弹性系数k以及加压单元排空空气后继续注入生理盐水的体积dVml有关。细胞培养基底的弹性系数k、直径D、注入生理盐水的体积dVml与牵张应力F满足线性关系。细胞培养单元的直径D和弹性培养基底的弹性系数k对于确定的培养装置是常数，因此牵张应力F只和排空空气后继续注入生理盐水的体积dVml有关，采用非线性问题的线性递归简化，牵张应力F与注入生理盐水的体积dVml满足以下关系F＝Δ·dVml，其中△由细胞培养单元直径D和细胞培养基底弹性系数k确定，对于确定的培养装置为常数。根据培养细胞需要施加的牵张应力，根据上述公式计算出需要注入的蒸馏水或生理盐水体积，通过注射器向注水加压孔中注入计算得出的蒸馏水或生理盐水，使得培养基底产生需要的牵张形变，对种植在其上的培养细胞施加了持续的牵张应力。

图3为本发明持续牵张应力培养流程图，描述了持续牵张应力细胞培养方法及实验流程。使用本发明的持续牵张应力细胞培养装置进行细胞牵张实验的一般流程是：首先在消毒后的细胞培养单元1的基底4上种植实验细胞7，将消毒后的加压单元2通过螺纹连接安装在培养单元1上，通过注水孔5注入消毒蒸馏水将加压单元内的空气通过排气孔6排尽；然后将安装好的牵张培养装置放入细胞孵箱中进行细胞培养，待细胞繁殖后进行持续牵张应力实验；实验操作非常简便，根据需要对培养细胞施加的牵张应力大小，以及细胞培养单元基底的直径和弹性系数，调用公式F＝Δ·dVml计算在加压单元内的空气排尽后需要注入的液体体积dVml，只需通过注水孔注入确定体积dVml的消毒蒸馏水产生实验所需的牵张应力，并根据需要对细胞进行刺激的实验时间要求，持续保持确定体积的蒸馏水在加压单元内的时间，即达到了持续牵张应力培养实验，并且可以通过反复改变注入消毒蒸馏水的体积dVml和持续时间实现不同牵张应力刺激实验；达到刺激时间后，排出加压单元内的蒸馏水；最后，只需将培养单元拆卸下来，就可以对持续牵张应力实验细胞的生长状态进行显微观察或者对细胞进一步培养进行其他实验。

在进行离体培养细胞的牵张应力力学实验时，本发明提供了一种方法简便的细胞培养过程持续牵张应力施加方法和装置，只用对培养装置通过注水加压孔向加压单元注入定量体积生理盐水，就可以使细胞培养基底产生相应的牵张形变，从而对培养细胞施加相应的牵张应力，实现一种细胞培养过程中不离开培养环境的持续牵张应力施加，细胞在应力施加的过程中不离开培养环境，从而有效避免了二次污染和应力实施过程中由于细胞离开培养环境对细胞产生额外损伤的缺点。