专利名称：一种剪切力-电刺激平行方向联合加载的细胞培养装置的制作方法在组织工程中，细胞、组织的体外功能化培养已成为组织工程的核心，也是形成组织工程产业的必要技术基础。而提供与细胞体内生存条件相似的体外生长环境，对于细胞、 组织的三维培养及其功能化至关重要。其中，机械力、电场等物理影响因子在其中起着不可忽视的作用。力学环境对器官、组织、细胞甚至亚细胞等各个层次的生命活动都有重要的影响。 细胞间隙液流体剪切力有助于骨细胞感知细胞周围机械环境变化，在机械力信号传导中发挥重要的作用，从而影响骨细胞活化、骨细胞矿物动态平衡和矿化等。流动剪切力可调节成骨细胞的增殖、分化、矿化，这种调节表现出对流动剪切力大小的依赖性。低剪切力可激活血管平滑肌细胞的C-fos和C-myc基因，调节其转录，从而调节剪切力-血管平滑肌细胞的信号转导通路，进而影响血管平滑肌细胞的增殖和凋亡。在剪切力作用下内皮细胞的面积和长轴长度逐渐增加，长轴沿流向排列；剪切力能激活内皮细胞整合素、钾离子、钙离子通道等，将机械信号转化为生化信号，从而促进内皮细胞黏附及分泌等；剪切力还能够诱导人内皮细胞凋亡抑制蛋白的表达，从而抑制内皮细胞凋亡，发挥抗动脉粥样硬化作用。内源性生理性电场广泛存在于活体组织器官，对细胞行为具有明显的影响。有研究发现脉冲电场可影响不同种群和同种群不同部位来源的内皮细胞。电刺激可以引起内皮细胞的增殖、趋阴迁徙，同时伴随细胞分泌物释放的增加，从而调节血管张力和血管平滑肌细胞的生长，介导血管收缩和舒张。电场可促进体外培养的成骨细胞增殖和骨生长因子如骨形成蛋白、β转化生长因子、胰岛素样生长因子II的形成。在对骨骼肌的电刺激研究时发现，频率为IOHz的电刺激可使骨骼肌中血管内皮生长因子mRNA及蛋白表达增力π。在心肌细胞培养过程中，加载脉冲直流电场，发现肌原纤维α -肌动蛋白、间隙连接蛋白43、α -肌球蛋白重链及肌球蛋白重链呈高水平表达，心肌细胞形态变为狭长且平行于电场方向排列，可见闰盘，相邻心肌细胞间建立缝隙连接，呈电-机械偶联。无电场作用时，心肌细胞上述特征标记表达很低。由以上可知，力刺激或电场刺激的分别加载，能够对细胞的生长产生重要影响。单一的力刺激和单一的电场刺激对于维持细胞正常功能、促进细胞分化及分泌等的作用已经被广泛研究。目前已经有研究者开始考虑将这两种因素综合应用在组织、细胞的培养中。 国内至今也还未发现可同时对细胞加载剪切力和电刺激的培养装置。在我们的先期研究中，剪切力加载装置中采用了针电极-板电极及板电极-板电极体系，能提供剪切力刺激和电刺激联合加载，但剪切力方向与电刺激方向均为垂直加载方式。本发明提供一种能同时加载剪切力刺激和电刺激的细胞培养装置，且剪切力与电刺激为平行方向的加载方式。本发明中的金属电极宽度为细胞培养基底宽度的2-3倍，在加载电刺激时，易于在细胞培养器的平行板流动腔内形成均勻的电场，保证细胞所受到的电刺激为均勻电场。 在已有报道中的单一电刺激加载培养装置中随着时间推移会在电极周围造成有害电解产物的累积，随着培养基的流动对细胞活力产生负面影响，本发明在培养细胞的平行板流动腔两侧设置了充满培养液的储液槽，将金属电极放置在槽体的两侧，增大了电极与培养的细胞之间的距离，可以有效地缓解电解质对细胞活力的影响，改善细胞培养环境。
体外环境与体内环境相差甚远，模拟体内细胞的生长环境，促进细胞的生长和分化，对推动细胞和组织工程快速发展有深远的影响，本发明提供了一种剪切力-电刺激平行方向联合加载的细胞培养装置。本发明为解决现有方法不能模拟体内细胞处于剪切力、电刺激同时存在的物理微环境的技术问题，提出一种剪切力-电刺激平行方向联合加载的细胞培养装置，采用剪切力刺激与电刺激联合加载，将细胞置于剪切力刺激与电刺激平行加载下，模拟体内细胞生存环境，促进细胞的生长及分化，构建出具有特定功能的细胞或组织。本发明为一种剪切力-电刺激平行方向联合加载的细胞培养装置，包括动物细胞培养箱、信号发生器、蠕动泵及设置在动物细胞培养箱内部的上游储液瓶、下游储液瓶、三通、空气滤器和细胞培养器。 动物细胞培养箱两侧分别设有一个与外界相通的孔道，信号发生器的电极线与蠕动泵的硅胶管分别通过孔道与细胞培养器相连。培养箱提供细胞生长所需的二氧化碳、温度和湿度环境。蠕动泵、上游储液瓶、下游储液瓶、三通和空气滤器共同构成培养液灌流系统，用于为细胞培养器内的细胞生长提供循环的细胞培养液和剪切力刺激；信号发生器通过电极线与细胞培养器的金属电极相连，为细胞培养器内的细胞生长提供均勻的电刺激。培养液灌流系统各部分具体连接为上游储液瓶与下游储液瓶之间通过三条硅胶管连接，第一条硅胶管上连接有蠕动泵，硅胶管两端分别连接在下游储液瓶的底部位置和上游储液瓶的顶部位置，下游储液瓶中的细胞培养液在蠕动泵的作用下被输送到上游储液瓶；第二条硅胶管的两端分别连接在下游储液瓶上靠近顶部的位置和上游储液瓶上靠近顶部的位置，以连通两个储液瓶中细胞培养液上方的气体环境，同时第二条硅胶管通过三通连接空气滤器，使得上游储液瓶、下游储液瓶中细胞培养液上方气体环境与动物细胞培养箱中气体环境相通，有利于维持细胞所需的温度、湿度和pH值，而空气滤器可以防止细菌进入，保证细胞生长的无菌环境；第三条硅胶管的一端连接在下游储液瓶的顶部位置，另一端连接在上游储液瓶上的位置低于第二条硅胶管连接端，当上游储液瓶内细胞培养液的水平面到达第三条硅胶管的位置时，细胞培养液回流到下游储液瓶中。上游储液瓶底部通过硅胶管与细胞培养器的流体入口连通；下游储液瓶顶部通过硅胶管与细胞培养器的流体出口连通，形成一个细胞培养液循环系统。细胞培养器由槽体、平板、硅胶垫片、细胞培养基底、盖子以及螺栓组成的整体式结构；槽体上的盖子，通过螺栓固定在槽体上；盖子上固定有金属电极及流体入、出口。两个金属电极分别固定在槽体盖子两侧，通过电极线与信号发生器连接，为培养细胞提供均勻电刺激。流体入口及流体出口通过硅胶导管与储液瓶相连。槽体从功能上分为两个储液槽和一个平行板流动腔底座，平行板流动腔底座位于两个储液槽之间，通过储液槽侧面靠近底部的开口与两个储液槽相通，当蠕动泵工作时，细胞培养液从储液瓶流进细胞培养器的储液槽，由储液槽的底部开口处流入平行板流动腔，再流入另一储液槽，待储液槽充满培养液后，细胞培养液处于循环状态，为培养细胞提供剪切力刺激。平行板流动腔由平板、硅胶垫片、细胞培养基底及螺栓组成；细胞培养基底放置在两储液槽之间的底座上，在基底上放置两个硅胶垫片，硅胶垫片两端分别与对应的储液槽底部开口紧密接触；平板放置在硅胶垫片上，平板上设有螺孔，通过螺栓将平板固定在底座上。平板及细胞培养基底之间为细胞提供生长空间，细胞接受剪切力和电联合刺激。剪切力-电刺激平行方向联合加载的细胞培养装置中细胞培养器的槽体、盖子、 平板以及流体入口、流体出口的材质为有机玻璃、聚碳酸酯。储液瓶的材质为玻璃、塑料、聚碳酸酯；储液瓶的容量在0. 5L-2. OL之间。细胞培养基底材料为透明的玻璃片或硅胶膜，或在玻璃片及硅胶膜上铺被小牛血清、多聚赖氨酸、明胶或胶原。剪切力刺激为定常流或者脉动流的流体剪切应力。电刺激为恒电压、脉冲电压或者微直流电。打开蠕动泵和信号发生器，同时对细胞加载剪切力刺激和均勻的电场刺激，为细胞提供剪切力-均勻电场联合刺激的生长环境。剪切力和电联合刺激为平行方向加载方式，剪切力方向与电刺激方向相同或相反。整个细胞培养装置，包括循环培养液灌流系统和细胞培养器安装、拆卸方便，可消毒。消毒条件为U6°C、3个大气压，时间20分钟。本发明与现有技术相比具有如下优点(1)本发明提供的流动剪切力刺激与电学刺激联合加载方式更接近于细胞生长、 发育的体内环境，力电联合作用可改善细胞生长条件，从而促进细胞生长、提高细胞活性；(2)本发明保证了金属电极宽度大于平行板细胞培养腔的宽度，确保细胞所受到的是均勻电场；(3)本发明增大电极与平行板细胞培养腔之间的距离，防止培养液在电场作用下产生的电解质对细胞生长产生负面影响，保证细胞的生长活性；(4)本发明提供剪切力与电刺激方向平行的加载方式，用来研究力电刺激对细胞影响的协同性，同时也可用来研究力电刺激下，对细胞迁移的影响等；(5)本发明既可用于细胞、组织培养，也可用于细胞、组织生长研究，并且对细胞体外扩增、细胞/支架复合物的体外构建及功能化有积极的意义；(6)本发明的细胞培养腔选用透明的有机玻璃、聚碳酸酯及玻璃材料，便于在培养过程中实时观察，且生物相容性好、操作简单，稳定性好，具有较大的应用前景。图1为剪切力-电刺激平行方向联合加载的细胞培养装置结构示意图；图2为细胞培养器剖面示意图；图3为细胞培养器整体图；图4为细胞培养器平板流动腔示意图1 ；图5为细胞培养器平板流动腔示意图2。6图中I-动物细胞培养箱5-三通701-槽体
基底705-底部开口709-螺栓
2-蠕动泵3-上游储液瓶
6-空气滤器 7-细胞培养器 702-平板703-硅胶垫片
706-盖子707-流体出、入口 708-金属电极
7011-储液槽 7012-底座
4-下游储液瓶 8-信号发生器 704-细胞培养



本发明公开了一种剪切力-电刺激平行方向联合加载的细胞培养装置，包括细胞培养器、蠕动泵、信号发生器、上游储液瓶和下游储液瓶；细胞培养器由槽体、平板、硅胶垫片、细胞培养基底、盖子以及螺栓组成；蠕动泵、上游储液瓶与下游储液瓶等部件通过硅胶管连接，构成培养液灌流系统，循环细胞培养液通过细胞培养器，为细胞加载流动剪切力刺激；信号发生器与细胞培养器槽体盖子上的金属电极连接，对细胞加载平行于剪切力方向的均匀电刺激。本发明弥补了现有方法不能模拟体内细胞处于剪切力、电刺激同时存在的物理微环境的不足，建立了剪切力刺激和电刺激平行方向联合加载下的细胞培养环境，将开拓相关组织工程反应器的发展。