專利名稱：組織工程化心肌力學(xué)刺激裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種組織工程化心肌力學(xué)刺激裝置，屬于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
心肌細(xì)胞具有自發(fā)跳動(dòng)的特點(diǎn)，體外單層培養(yǎng)時(shí)心肌細(xì)胞可形成一個(gè)個(gè)自發(fā)跳動(dòng)的單元；相互靠近的跳動(dòng)單元在跳動(dòng)時(shí)相互牽拉可形成一致跳動(dòng)，因此心肌細(xì)胞的自發(fā)跳動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)同步化。在進(jìn)行組織工程化三維培養(yǎng)時(shí)，構(gòu)建物不同部分的心肌細(xì)胞也會(huì)形成不同的自發(fā)跳動(dòng)單元，這些自發(fā)跳動(dòng)的單元也會(huì)在長(zhǎng)時(shí)的作用中形成一致跳動(dòng)的步調(diào)；當(dāng)給以類似于心肌跳動(dòng)的力的拉伸作用時(shí)可快速誘導(dǎo)這些自發(fā)跳動(dòng)單元形成一致跳動(dòng)的整體。此外，力的拉伸作用還可促進(jìn)心肌的發(fā)育和提高心肌細(xì)胞自發(fā)跳動(dòng)時(shí)的收縮力。Zimmermann等用液態(tài)膠原構(gòu)建心肌細(xì)胞-膠原條帶并給與力的拉伸作用，以模仿心肌的跳動(dòng)，經(jīng)過7天拉伸作用構(gòu)建的心肌細(xì)胞-膠原構(gòu)建物可實(shí)現(xiàn)一致的跳動(dòng)。Christine等研究了脈沖單向拉伸力學(xué)刺激對(duì)心肌發(fā)育的影響，表明力學(xué)刺激可提高RNA/DNA和蛋白/細(xì)胞的比例，ANF mRNA和α-肌小節(jié)肌動(dòng)蛋白水平也得到了很大的提高。由此可見拉伸對(duì)組織工程化心肌的構(gòu)建至關(guān)重要。同時(shí)，由于使用液態(tài)膠原支架材料不僅具有良好的生物相容性和具有與心肌細(xì)胞跳動(dòng)相適應(yīng)的力學(xué)性能，而且可以鑄成各種形狀，這種特性便于設(shè)計(jì)力學(xué)刺激裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種組織工程化心肌力學(xué)刺激裝置，該裝置根據(jù)心肌細(xì)胞自發(fā)跳動(dòng)的特點(diǎn)和發(fā)育特點(diǎn)結(jié)合組織工程化心肌構(gòu)建物的特點(diǎn)設(shè)計(jì)。它由動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、支架部分和力學(xué)刺激四個(gè)部分組成。主要部件有(1)電機(jī)，(2)螺釘，(3)飛輪，(4)支架，(5)連桿，(6)電機(jī)架，(7)固定螺母，(8)從動(dòng)支架，(9)螺釘，(10)固定螺母，(11)支撐塞，(12)工作臺(tái)，(13)調(diào)距支撐，(14)調(diào)距桿，(15)調(diào)距手柄，(16)工作桿支架，(17)工作桿，(18)支架，(19)固定螺母，(20)連接螺栓，(21)連接螺母，(22)滑塊連接，(23)滑塊，(24)手柄固定螺母，(25)螺釘，(26)滑塊固定螺釘，(27)從動(dòng)桿，(28)傳動(dòng)桿，(29)固定螺釘，(30)行程調(diào)節(jié)螺栓，(31)動(dòng)桿。
圖1是一個(gè)力學(xué)刺激裝置圖的立體圖。動(dòng)力系統(tǒng)是一個(gè)功率為15瓦的電機(jī)(1)。傳動(dòng)系統(tǒng)由(3)飛輪、(5)連桿、(28)傳動(dòng)桿、(22)滑塊連接和(23)滑塊組成，其功能是將電機(jī)提供的動(dòng)力傳遞給工作桿(17)，同時(shí)通過這一系統(tǒng)來對(duì)力學(xué)刺激幅度進(jìn)行調(diào)節(jié)。支架部分由(4)支架、(12)工作臺(tái)組成。力學(xué)刺激部分由(16)工作桿支架、(17)工作桿、(14)調(diào)距桿和(18)支架組成，其功能是提供樣品在裝置上的力學(xué)附著點(diǎn)，完成對(duì)樣品的力學(xué)刺激。
圖2、3、4分別是力學(xué)刺激裝置圖的俯視圖、正視圖和側(cè)視圖。電機(jī)(1)為整個(gè)裝置提供動(dòng)力。動(dòng)力通過(5)連桿、(28)傳動(dòng)、(27)從動(dòng)桿和(22)滑塊連接傳遞到(23)滑塊上，再通過固定在滑塊上的(18)支架將動(dòng)力通過(16)工作桿支架傳遞給(17)工作桿。工作桿之間的距離可通過(14)調(diào)距桿上的(15)調(diào)距手柄進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而可對(duì)不同周長(zhǎng)的環(huán)形條帶進(jìn)行力學(xué)刺激。拉伸幅度可通過調(diào)節(jié)(30)行程調(diào)節(jié)螺栓進(jìn)行調(diào)節(jié)，可對(duì)環(huán)形條帶進(jìn)行不同幅度大小的力學(xué)刺激。刺激頻率是通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的。本裝置中工作桿有6對(duì)，可同時(shí)對(duì)6個(gè)樣品進(jìn)行同等的力學(xué)刺激。
體外構(gòu)建組織工程化心肌組織時(shí)，構(gòu)建物中心肌細(xì)胞的自發(fā)跳動(dòng)一般在短時(shí)間內(nèi)很難形成一致的跳動(dòng)，但當(dāng)給以類似于心肌自發(fā)跳動(dòng)的外力拉伸作用時(shí)可快速誘導(dǎo)心肌細(xì)胞的一致跳動(dòng)。另外，心肌組織是比較柔軟的組織，對(duì)其施加力的作用時(shí)不易固定，尤其采用液態(tài)膠原構(gòu)建時(shí)更是如此，因此將構(gòu)建物制備成環(huán)狀解決拉伸作用時(shí)力的固定問題。根據(jù)這些特點(diǎn)設(shè)計(jì)的本裝置可將構(gòu)建的環(huán)狀構(gòu)建物套在兩個(gè)作單向拉伸的桿上，靠?jī)蓷U向兩邊的拉伸實(shí)現(xiàn)拉伸力的作用。該裝置可對(duì)用組織工程化方法構(gòu)建的周長(zhǎng)為2-12cm大小的范圍內(nèi)的環(huán)狀心肌條帶進(jìn)行幅度大小為10％、頻率范圍1-5Hz的力學(xué)刺激，以誘導(dǎo)膠原中的心肌細(xì)胞發(fā)育和自發(fā)跳動(dòng)的同步化。與Zimmermann等在實(shí)驗(yàn)中采用的裝置相比，兩裝置具有相似的功能，與其不同的是本裝置采取了不同的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，可對(duì)構(gòu)建的不同大小心肌/膠原構(gòu)建物施以不同頻率的力的作用。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1組織工程化心肌的構(gòu)建液態(tài)膠原與2×DMEM(含有20％胎牛血清，4％的雞胚抽提物)混合，用0.1M的NaOH中和為中性，再補(bǔ)充10％的基質(zhì)膠(ECM)即得支架材料。新分離的心肌細(xì)胞與支架材料混合，加入環(huán)形槽中，60分鐘后加入培養(yǎng)液，心肌細(xì)胞、膠原混合液即可形成環(huán)狀的心肌細(xì)胞/膠原構(gòu)建物。構(gòu)建物在環(huán)形槽中培養(yǎng)7天后，取下給以靜態(tài)拉伸作用，再培養(yǎng)7天。構(gòu)建物在拉伸的第二天出現(xiàn)局部的跳動(dòng)區(qū)域，以后跳動(dòng)的區(qū)域逐漸增多，但始終未形成一致跳動(dòng)。組織學(xué)研究表明構(gòu)建物中的心肌細(xì)胞胞體多為圓形，細(xì)胞外基質(zhì)少。
實(shí)施例2力學(xué)刺激對(duì)組織工程化心肌的影響按實(shí)施例1中方法構(gòu)建心肌細(xì)胞/膠原構(gòu)建物。在環(huán)形槽中培養(yǎng)7天后，取下套在牽拉桿上，打開電源調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)色轉(zhuǎn)速即可對(duì)構(gòu)建物進(jìn)行拉伸幅度為10％、頻率為2Hz的力學(xué)刺激。對(duì)構(gòu)建物拉伸7天，從牽拉桿上取下，置于培養(yǎng)皿中。經(jīng)過動(dòng)態(tài)拉伸的構(gòu)建物可一致的跳動(dòng)。組織學(xué)研究表明構(gòu)建物中的心肌細(xì)胞胞體成軸向拉伸，胞核成圓桿狀。激光共聚焦觀察顯示心肌細(xì)胞中的肌原纖維的伸展方向與構(gòu)建物的拉伸方向一致。


圖1力學(xué)刺激裝置圖的立體2力學(xué)刺激裝置圖的俯視3力學(xué)刺激裝置圖的正視4力學(xué)刺激裝置圖的側(cè)視圖
權(quán)利要求
1.組織工程心肌力學(xué)刺激裝置，由動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、支架部分和力學(xué)刺激部分組成，可對(duì)構(gòu)建的環(huán)狀的組織工程化心肌進(jìn)行類似天然心肌跳動(dòng)樣的力學(xué)刺激。
2.權(quán)利要求1所述的動(dòng)力系統(tǒng)是一個(gè)功率為15瓦電動(dòng)機(jī)。
3.權(quán)利要求1所述的傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)桿件結(jié)構(gòu)，通過它可將電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力傳遞到附著桿，再由附著桿帶動(dòng)連在其上的牽拉桿運(yùn)動(dòng)，最終將電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力傳遞到牽拉桿上。
4.權(quán)利要求1所述的支架部分是底部和滑槽。
5.權(quán)利要求1所述力學(xué)刺激由附著桿、牽拉桿和螺絲組成。
6.權(quán)利要求1所述的力學(xué)刺激裝置是通過將構(gòu)建的心肌細(xì)胞-膠原環(huán)狀復(fù)合物套在伸出的兩個(gè)牽拉桿上，由牽拉桿向兩邊單向拉伸實(shí)現(xiàn)對(duì)心肌細(xì)胞-膠原環(huán)狀復(fù)合物的力學(xué)刺激。
7.權(quán)利要求6所述的牽拉桿之間的距離可以在1-6厘米范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣該裝置可對(duì)周長(zhǎng)2-12厘米左右的細(xì)胞-膠原構(gòu)建物進(jìn)行幅度10％的力學(xué)刺激。
8.權(quán)利要求7中所述的牽拉桿之間的距離調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)附著桿之間的距離實(shí)現(xiàn)的。
9.權(quán)利要求1、5、6、7中所述力學(xué)刺激的頻率可以在1-5Hz范圍內(nèi)進(jìn)行變化，從而可對(duì)心肌細(xì)胞-膠原構(gòu)建物施以1-5Hz范圍的力學(xué)刺激。
10.權(quán)利要求9中所述的頻率的改變是通過調(diào)節(jié)動(dòng)力電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率實(shí)現(xiàn)的。
全文摘要
本發(fā)明是一種組織工程化心肌力學(xué)刺激裝置，屬于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域。該裝置對(duì)用組織工程化方法構(gòu)建的環(huán)狀心肌細(xì)胞提供類似天然心肌跳動(dòng)的力學(xué)刺激，它由電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、支架和力學(xué)刺激部分組成。該裝置可對(duì)構(gòu)建的周長(zhǎng)為2－12cm左右的環(huán)狀的心肌細(xì)胞－膠原構(gòu)建物施以頻率為1－5Hz、幅度為10％的力學(xué)刺激。心肌細(xì)胞－膠原構(gòu)建物經(jīng)過力學(xué)刺激可誘導(dǎo)自發(fā)跳動(dòng)的心肌細(xì)胞實(shí)現(xiàn)一致跳動(dòng)，同時(shí)可提高心肌細(xì)胞的發(fā)育水平和自發(fā)跳動(dòng)的收縮力。
文檔編號(hào)A61B19/00GK1567399SQ0314839
公開日2005年1月19日 申請(qǐng)日期2003年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月2日
發(fā)明者王常勇, 趙云山, 郭希民, 吳金輝, 段翠密, 齊子榮 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所