细胞周期性压力电动施加装置及施加方法

摘要

本发明涉及一种细胞周期性压力电动施加装置及施加方法，包括：磁性盖玻片，置于细胞上，包括盖玻片本体以及内置在该盖玻片本体内的第一导磁片；压力施加机构，承载细胞培养皿，包括承载板、内置在承载板内的电磁发生片、与电磁发生片电连接的可变电阻、以及设置在上下承载板上的第二导磁片；任意波形发生器，与压力施加机构电连接。对细胞施加压力时，先将磁性盖玻片清洁处理后置于细胞培养皿中，覆盖于细胞上，并将细胞培养皿放置于压力施加机构上；然后将压力施加机构与任意波形发生器连接，通过调整磁场的场强、频率，调节周期性压力的大小及频率，进而产生各种参数的周期性压力。

说明书

技术领域

本发明属于细胞培养技术领域，具体涉及一种细胞周期性压力电动施加装置及施加方法。

背景技术

细胞力学(cell mechanics)是生物力学的一个前沿领域，也是组织工程学的一个重要组成部分。它涉及细胞在力学载荷作用下细胞膜、细胞骨架的变形、弹性常数、粘弹性、粘附力等力学性能的研究，以及力学因素对细胞生长、发育、成熟、增殖、衰老和死亡等的影响及其机制研究。

生长于普通培养皿中的贴壁细胞，以目前的技术，无法直接施加任何周期性机械压力。目前文献报道的各种周期性压力产生装置均需将细胞培养在特殊的介质上，如Bioflex板、细胞爬片等，或者压力产生装置庞大、结构复杂、价格昂贵，或者细胞需要移出培养箱进行应力施加，导致无法长时间施加应力。

为了解决上述技术问题，发明人早前发明了一种机械式细胞周期性压力施加装置，将细胞爬片覆盖以盖玻片，以液滴下落垂直滴于其上产生的震荡压力完成周期性压力的施加。尽管实现了机械式周期性压力施加，但压力施加过程中，整个装置多暴露于空气中，存在诸多缺点：1)容易污染；2)爬片过程复杂；3)整个装置体积较大，占用培养箱内的宝贵空间资源；4)压力参数只能大致估算，不精确；5)装置需高温高压消毒，准备时间长；6)耗费大量的PBS或者培养液。

发明内容

本发明是为解决上述问题进行的，在早前机械式细胞周期性压力施加装置的基础上进行改进，提供了一种简易式的细胞周期性压力电动施加装置及施加方法。

本发明的第一方面，提供了一种细胞周期性压力电动施加装置，包括：磁性盖玻片，置于细胞上，包括盖玻片本体以及内置在该盖玻片本体内的第一导磁片；压力施加机构，承载细胞培养皿，包括承载板、内置在承载板内的电磁发生片、与电磁发生片电连接的可变电阻、以及设置在上下承载板上的第二导磁片；任意波形发生器，与压力施加机构电连接。

优选的，在本发明提供的细胞周期性压力电动施加装置中，磁性盖玻片和第一导磁片均为圆形，第一导磁片的直径为磁性盖玻片直径的1/7～1/5，尽量保持盖玻片重量不变。

优选的，在本发明提供的细胞周期性压力电动施加装置中，第一导磁片和第二导磁片均为铁片，电磁发生片为电磁线圈或电磁铁。

优选的，在本发明提供的细胞周期性压力电动施加装置中，电磁发生片的功率为2.5W，吸力为2KC，跳转电压为12V和24V。

优选的，在本发明提供的细胞周期性压力电动施加装置中，电磁发生片的个数为多个，在承载板内矩阵式排布。

优选的，在本发明提供的细胞周期性压力电动施加装置中，第二导磁片的尺寸至少等于第一导磁片尺寸。放置磁性盖玻片时，将第一导磁片与第二导磁片对应即可。

本发明的第二方面，提供了一种对细胞施加周期性压力的方法，包括如下步骤：

A、将磁性盖玻片清洁处理后置于细胞培养皿中，覆盖于细胞上，并将细胞培养皿放置于压力施加机构上；

B、将压力施加机构与任意波形发生器连接，通过调整磁场的场强、频率，调节周期性压力的大小及频率，进而产生各种参数的周期性压力。

本发明的原理如下：电磁发生片通电后产生的磁场对磁性盖玻片有吸引作用，盖玻片下面是贴壁生长的细胞，在磁场的作用下，盖玻片会向着电磁线圈的方向移动，从而对其下面的细胞有压力作用。通过调节任意波形发生器控制磁场的场强，频率，可以无限调节周期性压力的大小及频率，从而产生各种参数的周期性压力，以研究不同强度压力对细胞生物学行为的影响及机制。

本发明的有益保障及效果如下：

本发明装置可直接对普通培养皿中的贴壁细胞施加任意波形、频率及强度的周期性压力。可用于任何培养皿或培养板中贴壁细胞周期性压力的施加并用以研究周期性压力对细胞生长、分化、凋亡、迁移等生物学效应及机制，将具有广阔的市场前景。

相比于机械压力施加装置，本发明参数可无极可调、压力均一，作用效果精确；相比于现有技术中的电动式压力施加装置，成本低廉，包括电磁线圈、波形发生器、包含铁片的盖玻片三部分核心部件均可购置或定制，花费少。

此外，采用本发明装置进行实验时，过程简单，不需对培养皿中贴壁培养的细胞进行特殊处理，仅需置入一盖玻片，连接装置，即可行周期性压力施加过程；

由波形发生器导引出的电流加载于电磁线圈可产生周期性变化的磁场，对内含铁片的盖玻片有周期性吸引作用，盖玻片为刚性材料，由此产生对其下贴壁细胞的均匀的周期性压力。由于任意波形发生器可产生无极可调的频率、电流、波形(正弦波、方波、三角波、不规则波等)，因此，此装置可产生任意大小、频率、方式的周期性压力；

本装置体积较小，可整体置入细胞培养箱中，并不影响细胞本身的生长环境，因此对细胞施加压力的时长不受限制。同时本装置并不限于对单层贴壁细胞的周期性压力施加过程，将盖玻片置于各种细胞支架上，通过支架的传递，仍可将周期性压力传递至支架中生长的细胞。

附图说明

图1为本发明实施例中的细胞周期性压力电动施加装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中的磁性盖玻片的结构示意图；

图3为本发明实施例中的压力施加机构的结构示意图；

图4为施加周期性压力后，对大鼠软骨细胞中CollagenⅡ以及促进炎症因子MMP-13表达的影响；

图5为施加周期性压力后，对大鼠软骨细胞中MAPK信号通路的影响；

图6为施加周期性压力后，对大鼠成骨细胞中MAPK信号通路的影响。

具体实施方式

现结合实施例和附图，对本发明作详细描述，但本发明的实施不仅限于此。

本发明所用试剂和原料均市售可得或可按文献方法制备。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。

实施例1：细胞周期性压力电动施加装置

根据图1，细胞周期性压力电动施加装置100包括磁性盖玻片1、压力施加机构2以及任意波形发生器3三部分。磁性盖玻片1被设置于细胞培养装置200内，细胞培养装置200放置在压力施加机构2上，压力施加机构2与细胞培养箱外的任意波形发生器3电连接。

如图1和图2所示，磁性盖玻片1呈圆形，用时放置于细胞培养皿或多孔细胞培养板内的细胞上，包括盖玻片本体11以及内置在该盖玻片本体内的第一导磁片12。盖玻片本体与现有盖玻片材质相同，第一导磁片12为铁片，直径d为磁性盖玻片直径D的1/7～1/5，尽量保持盖玻片重量不变。

本实施例中，为了方便磁性盖玻片1的放和取，将其设置多种尺寸规格，且略小于培养皿或细胞培养板孔内径，以适用于不同的细胞培养装置。

如图1和图3所示，压力施加机构2包括承载板21、内置在承载板内的电磁发生片22、与电磁发生片电连接的可变电阻23以及设置在上下承载板上的第二导磁片24。

承载板21由透明塑料制成；电磁发生片22为电磁线圈或电磁铁，其个数为一个或多个，一个适用于细胞培养皿，多个在承载板内矩阵式排布，适用于多孔细胞培养板；可变电阻23与电磁发生片22连接，用来控制电流，产生磁场梯度；第二导磁片24也为铁片，分别设置在承载板21的上下两面，尺寸至少等于第一导磁12片尺寸，放置磁性盖玻片时，将第一导磁片与第二导磁片对应即可。

本实施例中所采用的电磁铁的尺寸和性能如表1所示：

表1电磁铁的尺寸和性能汇总

任意波形发生器3与现有技术相同，内置功率放大器，与压力施加机构电连接，为其供电。任意波形发生器可产生无极可调的频率、电流、波形(正弦波、方波、三角波、不规则波等)，实现整个装置可产生任意大小、频率、方式的周期性压力。

采用上述装置对细胞施加周期性压力的方法时，将磁性盖玻片清洁处理后置于细胞培养皿中，覆盖于细胞上，并将细胞培养皿放置于压力施加机构上；而后将压力施加机构与任意波形发生器连接，通过调整波形发生器上的旋钮调整磁场的场强、频率，调节周期性压力的大小及频率，进而产生各种参数的周期性压力。

电磁发生片通电后产生的磁场对磁性盖玻片有吸引作用，盖玻片下面是贴壁生长的细胞，在磁场的作用下，盖玻片会向着电磁线圈的方向移动，从而对其下面的细胞有压力作用。通过调节任意波形发生器控制磁场的场强，频率，可以无限调节周期性压力的大小及频率，从而产生各种参数的周期性压力，以研究不同强度压力对细胞生物学行为的影响及机制。

实施例2：效果验证

1、对大鼠软骨细胞的影响

使用不同强度的压力作用于大鼠软骨细胞1h后继续培养三天，提取细胞总蛋白行Western-blot检测，结果如图4：低强度压力(4Hz，正弦波，峰值8v)可促进软骨细胞CollagenⅡ的合成，而高强度压力(4Hz，正弦波，峰值15v)在降低其CollagenⅡ表达的同时促进炎症因子MMP-13的表达。

2、促进大鼠软骨细胞MAPK信号通路

使用不同强度的压力作用于大鼠软骨细胞0.5h后，提取细胞总蛋白行Western-blot检测，结果如图5：低强度压力(4Hz，正弦波，峰值8v)及高强度压力(4Hz，正弦波，峰值15v)均可激活MAPK信号通路，促进ERK以及JNK的磷酸化。

3、促进大鼠成骨细胞MAPK信号通路

使用不同强度的压力作用于大鼠成骨细胞0.5h后，提取细胞总蛋白行Western-blot检测，结果如图6：低强度压力(4Hz，正弦波，峰值8v)及高强度压力(4Hz，正弦波，峰值15v)均可激活MAPK信号通路，促进ERK以及JNK的磷酸化。

以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。