音叉型人颈动脉分叉流动腔与循环系统装置

摘要

一种生物工程力学技术领域的音叉型人颈动脉分叉流动腔与循环系统装置。由流动腔、营养液循环系统、节流阀组成，流动腔入口与营养液循环系统连接，流动腔两个出口分别通过节流阀与营养液循环系统连接，流动腔的颈动脉窦根部外侧壁上嵌有细胞培养窗。本发明在模拟真实颈动脉窦根部外侧扰动区壁面形状的细胞培养窗上实现了三维扰动流；细胞培养窗拆装方便；利用流动腔与循环系统可定量观察培养细胞对较接近真实动脉扰动区环境的生物学响应，从而为促进动脉粥样硬化力学生物学研究的提供新的工具。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种生物力学技术领域的装置，具体是一种音叉型人颈动脉分叉(TF-AHCB)流动腔与循环系统装置。

背景技术

临床观察和尸体解剖发现人的颈动脉分叉是典型的动脉粥样硬化病灶区。在对脉粥样硬化病灶区的研究中，颈动脉窦根部外侧壁扰动区是研究得最多的部位。

生物力学研究证实脉粥样硬化病灶区内的流动是一种以低切应力分布为主要特征的扰动流。力学生物学研究表明低切应力扰动流可能引起细胞膜受体、信号蛋白激酶、细胞因子和细胞外基质等活性物质发生变化，导致细胞去分化、迁移、肥大、增值和凋亡等血管重建活动。动脉粥样硬化就是血管重建活动的一种表现。研究动脉粥样硬化过程与扰动流的关系是生物力学前沿课题“应力与生长关系”的主要内容之一。

定量研究动脉粥样硬化过程与扰动流关系的主要实验工具是流动腔装置。方法是在流动腔的底壁上培养离体细胞，在腔内形成持续的流动，考察细胞对流动切应力的生物学响应。经对现有文献检索发现，国内外应用最多的流动腔形式是平行平板流动腔(Levesque MJ，NeremRM.J.Biomechanical Engineering，1985，107：341-)。这种流动腔能实现一定的流动切应力对培养在平板底壁上细胞的持续作用，缺点是不能模拟动脉病灶区内的扰动流。为了克服这种缺点提出了两种改进型流动腔。一种是较近期制成了台阶型平行平板流动腔(Chiu J.J.，Chen C.N.，Chien S.J Biomech.2003，36(12)：1883-1895)。这种流动腔在垂直台阶后部的底壁上能形成一个扰动区。另一种是最近提出了二维分叉流动腔装置(Cicha I.，Beronov K.et al.Atherosclerosis.2009，(11)：93-102)。这种流动腔的正面形状是Y形分叉，侧面是直立的边壁。细胞培养在分叉支管根部的直壁面扰动区内。两种改进型流动腔都能在细胞培养区上形成扰动流，但缺点是二者的扰动流是二维的，与真实动脉扰动区的三维流动有本质差别。以上三种流动腔还有一个共同的缺点：必需将整个流动腔拆开才能安装和获取培养细胞窗，较费时又费工。

发明内容

本发明的目的在于克服现有流动腔存在的上述缺点，提供一种在细胞培养窗上具有三维扰动流特征的音叉型人颈动脉分叉流动腔与循环系统装置。细胞培养窗镶嵌在颈动脉窦根部外侧壁上，并具有灵活拆装的特点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明由音叉型人颈动脉分叉流动腔和循环系统两部分组成；

所述的音叉型人颈动脉分叉流动腔由整流器、颈总管、分叉管和细胞培养窗模块组成，整流器、颈总管与分叉管三者串联，细胞培养窗模块嵌在位于分叉管颈动脉窦根部外侧壁的孔中；

所述的循环系统由上储液瓶、下储液瓶、硅胶管、节流器和蠕动泵组成。分叉流动腔中整流器的入口通过硅胶管与上储液瓶连接；分叉流动腔中分叉管的两个出口通过硅胶管分别与节流器和下储液瓶连接。蠕动泵将营养液从下储液瓶泵入上储液瓶形成循环流动，

所述的音叉型人颈动脉分叉流动腔用聚碳酸酯材料制成。

所述的分叉管的形状为音叉型人颈动脉分叉(TF-AHCB)形状。

所述的颈总管直径和所述的分叉管的几何参数取为人颈动脉分叉的平均参数。颈总管长度为其直径的25倍，以保证营养液进入分叉管前达到充分发展层流。

所述的分叉管有颈内管和颈外管两个分支，其两个出口通过硅胶管分别与节流器和下储液瓶连接，颈内管和颈外管的流量比为7∶3。

所述的细胞培养窗模块由可拆卸的细胞培养窗和基座组成，细胞培养窗镶嵌在基座中；将细胞培养窗模块插入位于分叉管颈动脉窦根部外侧壁的孔中时，细胞培养窗内表面与分叉管内表面吻合，构成颈动脉窦根部外侧壁的一部分。

所述的细胞培养窗是一片三维曲面薄板，形状是颈动脉窦根部外侧壁面的一部分。

本发明蠕动泵将下储液瓶的培养液通过硅胶管泵入上储液瓶形成循环流动。调节上下储液瓶液位差控制颈总管内的流量达到生理平均值。调节节流器使颈内、颈外管的流量比为7∶3。将细胞培养窗模块拔出后可取出细胞培养窗，在细胞培养窗内表面上培养细胞。只要拔出或插入细胞培养窗模块就能实现细胞培养窗的拆装过程。整个装置放在生理温度环境中。导气管通过过滤将适温气体导入营养液内，维持细胞的正常生长。

本发明在模拟真实颈动脉窦根部外侧扰动区壁面形状的细胞培养窗上实现了三维扰动流；细胞培养窗拆装方便；利用音叉型人颈动脉分叉流动腔与循环系统可定量观察培养细胞对较接近真实动脉扰动区环境的生物学响应，从而为促进动脉粥样硬化的力学生物学研究提供新的实验工具。

附图说明

图1本发明的系统示意图；

图中：音叉型人颈动脉分叉流动腔1，上储液瓶2，下储液瓶3，硅胶管4，蠕动泵5，节流器8。

图2音叉型人颈动脉分叉流动腔结构示意图；

图中：入口6、出口7、整流器9、颈总管10、TF-AHCB分叉管11、细胞培养窗模块12。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

将音叉型人颈动脉分叉流动腔和循环系统各部件如图1所示组装。图2中的入口6通过硅胶管与上储液瓶2连接，出口7通过硅胶管分别与节流器8和下储液瓶3连接。细胞培养窗嵌在细胞培养模块12中，细胞培养模块12插入音叉型人颈动脉分叉流动腔内。

本实施例工作过程：

实施前另取一片细胞培养窗，在细胞培养窗内壁面上培养细胞。待细胞贴壁并生长铺满，然后同步化细胞。

将带有细胞培养窗(无培养细胞)的音叉型人颈动脉分叉流动腔和循环系统放入无菌培养箱内，调节箱内温度至生理温度。将营养液从上储液瓶注入系统，注入时同时对系统排气，至系统各部充满营养液并不含有气泡时开启蠕动泵，使营养液在系统内循环流动。调节上储液瓶高度，调节颈内和颈外管硅胶管上的节流器，用体积法测量颈内和颈外管的流量。当二者的总流量达到设计值，而且颈内和颈外管的流量为7∶3时停止调节，标记上下储液瓶液位差。关闭蠕动泵，排掉营养液。拔出细胞培养窗模块，将有细胞培养窗替换为带有同步化细胞的细胞培养窗。将细胞培养窗模块重新插入，重新注入营养液(注意：营养液再次注入时要缓慢，以免将细胞冲掉)，直至上下储液瓶液位差达到标记值。重新启动蠕动泵，并开始计时。运行规定时间后，停止系统运转。拔出细胞培养窗模块，取出细胞培养窗，做相关生物学测试。