專利名稱：體外細(xì)胞開(kāi)放式壓力程控培養(yǎng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科中研究壓力與細(xì)胞生理功能關(guān)系的細(xì)胞體外培 養(yǎng)裝置，具體地指一種主要用于青光眼等發(fā)病機(jī)制研究的體外細(xì)胞開(kāi)放式壓力程 控培養(yǎng)裝置。
背景技術(shù)：
眼壓升高是青光眼的特征之一，也是導(dǎo)致青光眼視功能損害的主要因素。相 關(guān)研究已經(jīng)證實(shí)眼壓波動(dòng)或持續(xù)升高，可以導(dǎo)致視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞和色素上皮 細(xì)胞等的功能損害或細(xì)胞死亡，最終導(dǎo)致視功能喪失。目前，青光眼研究模型可 分為活體青光眼動(dòng)物模型和離體青光眼模型，后者又包括體外高眼壓灌注模型和 細(xì)胞培養(yǎng)加壓模型?；铙w青光眼動(dòng)物模型與體外高眼壓灌注模型的優(yōu)點(diǎn)是接近活 體青光眼的病理過(guò)程，有利于多因素相互作用的研究，問(wèn)題在于該類模型來(lái)源少、 實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜、影響因素多。細(xì)胞培養(yǎng)加壓模型作為細(xì)胞水平的青光眼研究模型， 其突出的優(yōu)點(diǎn)是能夠自由設(shè)定壓力水平、能夠獲得恒定的壓力、能夠排除混雜因 素的影響，而且容易進(jìn)行大通量的實(shí)驗(yàn)。醫(yī)學(xué)科研人員運(yùn)用密閉加壓培養(yǎng)法研究 模型證實(shí)壓力可以引起體外培養(yǎng)的小梁細(xì)胞、篩板細(xì)胞、視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞凋 亡，并且引起細(xì)胞外基質(zhì)分泌以及一氧化氮合成異常等變化，這從細(xì)胞水平證實(shí) 了壓力與眼內(nèi)細(xì)胞損害的相關(guān)關(guān)系，使人們對(duì)壓力與青光眼發(fā)病機(jī)制的關(guān)系有了 更深入的理解。相對(duì)于體內(nèi)青光眼研究模型而言，細(xì)胞培養(yǎng)加壓模型是進(jìn)行體外 青光眼研究必不可少的研究平臺(tái)。
然而，現(xiàn)有的密閉加壓培養(yǎng)裝置隔絕了培養(yǎng)瓶與培養(yǎng)箱中氣體的交換，隨著 實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，可能會(huì)引起培養(yǎng)液pH值、HC03"濃度、氧氣分壓(P02)、 二
氧化碳分壓(pco2)的變化，從而影響細(xì)胞的生理功能。氣體是人體細(xì)胞培養(yǎng)生
存的必需條件之一，所需氣體主要有02和c02。 02參與三羧酸循環(huán)，產(chǎn)生供給細(xì)
胞生長(zhǎng)增殖的能量和合成細(xì)胞生長(zhǎng)所需用的各種成份。c02既是細(xì)胞代謝產(chǎn)物， 也是細(xì)胞生長(zhǎng)繁殖所需成份，它在細(xì)胞培養(yǎng)中的主要作用在于維持培養(yǎng)基的pH 值。環(huán)境pH值的變化可以影響培養(yǎng)細(xì)胞的形態(tài)和功能高pH值可以使大鼠微血 管和主動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞NOS活性及mRNA表達(dá)增高，低pH值則可以使其降低，并 可以使肝臟細(xì)胞合成NO增高，從而加重肝細(xì)胞損傷。而細(xì)胞內(nèi)pH值則與細(xì)胞內(nèi)
鈣離子濃度信息傳遞途徑密切相關(guān)，可能在誘導(dǎo)凋亡中發(fā)揮重要作用。pH值的升 高也可以調(diào)節(jié)水通道蛋白的構(gòu)象，改變晶狀體細(xì)胞水通透性。溶液的pH由溶液中 酸性離子與堿性離子的比值決定，HCO^濃度與C02分壓正相關(guān)，當(dāng)氣體中C02 濃度降低時(shí)，由于C02分壓的降低可以導(dǎo)致HC03"濃度的降低和pH的升高，類
似于血液在呼吸性堿中毒中發(fā)生的情況。因而，合理的細(xì)胞加壓培養(yǎng)裝置應(yīng)該保 持培養(yǎng)液的pH值、HCCb"濃度、氧氣分壓(P02)、 二氧化碳分壓(PC02)恒定， 從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)條件的均衡，而現(xiàn)有的細(xì)胞密閉加壓培養(yǎng)裝置還無(wú)法滿足上述要求。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的旨在克服現(xiàn)有體外細(xì)胞加壓培養(yǎng)裝置的弊病，提供一種能 夠簡(jiǎn)單有效地調(diào)控培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)的壓力、且能夠保持培養(yǎng)液的pH值、HC03—'濃度、 氧氣分壓、二氧化碳分壓恒定的體外細(xì)胞開(kāi)放式壓力程控培養(yǎng)裝置。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的體外細(xì)胞開(kāi)放式壓力程控培養(yǎng)裝置，
包括封閉的C02恒溫培養(yǎng)箱，所述C02恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)設(shè)置有細(xì)胞培養(yǎng)瓶組，所述
細(xì)胞培養(yǎng)瓶組上設(shè)置有培養(yǎng)瓶進(jìn)氣口和培養(yǎng)瓶排氣口，所述培養(yǎng)瓶排氣口直接與 C02恒溫培養(yǎng)箱的內(nèi)腔相通，所述培養(yǎng)瓶進(jìn)氣口通過(guò)管路和氣體濕化裝置與微型 氣泵的出口相連，所述微型氣泵的進(jìn)口通過(guò)管路與C02恒溫培養(yǎng)箱的內(nèi)腔相通； 所述細(xì)胞培養(yǎng)瓶組內(nèi)設(shè)置有氣體壓力傳感器，所述氣體壓力傳感器通過(guò)導(dǎo)線與壓 力程控器的信號(hào)輸入端相連，所述壓力程控器的控制輸出端通過(guò)導(dǎo)線與微型氣泵 連接。
本實(shí)用新型根據(jù)帕斯卡流體力學(xué)原理，采用循環(huán)氣流來(lái)調(diào)控培養(yǎng)瓶組內(nèi)的壓
力，該循環(huán)氣流取自溫度為37t:， <:02濃度為5%的標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)環(huán)境，同時(shí)采用壓力
程控器反饋輸入氣流的壓力，來(lái)調(diào)控壓力波動(dòng)，使壓力在0 100mmHg之間自由變
化。由于氣流在不斷地循環(huán)交換，因而能夠保持P02和PC02的恒定，從而保持培
養(yǎng)液pH值、HC03—'濃度的穩(wěn)定。
本實(shí)用新型綜合利用了氣體交換和程序化控制的優(yōu)勢(shì)，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在如 下兩方面第一、采用動(dòng)態(tài)循環(huán)氣流，在施加壓力的同時(shí)可保持培養(yǎng)環(huán)境的穩(wěn)定 性；第二、采用程序化自動(dòng)控制器，可使壓力保持恒定或按設(shè)定程序波動(dòng)變化， 從而可以逼真地模擬青光眼壓力波動(dòng)的變化過(guò)程，對(duì)青光眼的基礎(chǔ)研究有重要意 義。同時(shí)，本實(shí)用新型還可用于除眼科之外的骨科等需要對(duì)培養(yǎng)細(xì)胞施加壓力影 響的基礎(chǔ)科學(xué)研究，如軟骨細(xì)胞病變的研究等。
附圉說(shuō)明
附圖
為一種體外細(xì)胞開(kāi)放式壓力程控培養(yǎng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)鰌方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)描述 圖中所示的體外細(xì)胞開(kāi)放式壓力程控培養(yǎng)裝置，具有一個(gè)封閉的C02恒溫培
養(yǎng)箱6， C02恒溫培養(yǎng)箱6可以提供溫度為37'C， C02濃度為5%的標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)環(huán)境。 CCb恒溫培養(yǎng)箱6內(nèi)布置有細(xì)胞培養(yǎng)瓶組2，細(xì)胞培養(yǎng)瓶組2由多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)瓶通 過(guò)管路串聯(lián)而成，其溫度保持與標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)環(huán)境一致，其上設(shè)置有培養(yǎng)瓶進(jìn)氣口 7 和培養(yǎng)瓶排氣口 8，其內(nèi)可培養(yǎng)貼壁生長(zhǎng)型細(xì)胞。它還具有一個(gè)設(shè)置在C02恒溫 培養(yǎng)箱6外面的微型氣泵4，采用日本medo公司型號(hào)為DP0105/DC24V的產(chǎn)品。 微型氣泵4的進(jìn)口通過(guò)管路與C02恒溫培養(yǎng)箱6的內(nèi)腔相通，可抽吸C02恒溫培 養(yǎng)箱6內(nèi)C02分壓、02分壓和溫度均恒定的氣體。微型氣泵4的出口通過(guò)管路與 氣體濕化裝置5的進(jìn)口相連，可以向氣體濕化裝置5提供0~0.25MPa壓力的輸入 氣流。氣體濕化裝置5采用傳統(tǒng)簡(jiǎn)單的反向水囊結(jié)構(gòu)，其進(jìn)氣管伸入水囊內(nèi)的水 中，其出氣管設(shè)在水囊內(nèi)的水面上方，從微型氣泵4輸入的氣流經(jīng)過(guò)時(shí)可與水充 分接觸，達(dá)到100%的水飽和度。氣體濕化裝置5的出口則通過(guò)管路與細(xì)胞培養(yǎng)瓶 組2的培養(yǎng)瓶進(jìn)氣口 7相連，為細(xì)胞培養(yǎng)提供設(shè)定的壓力氣流。細(xì)胞培養(yǎng)瓶組2 的培養(yǎng)瓶排氣口 8采用微量排氣口，直接與C02恒溫培養(yǎng)箱6的內(nèi)腔相通。細(xì)胞 培養(yǎng)瓶組2內(nèi)設(shè)置有氣體壓力傳感器3，氣體壓力傳感器3通過(guò)導(dǎo)線與壓力程控器 1的信號(hào)輸入端相連，壓力程控器1的控制輸出端通過(guò)導(dǎo)線與微型氣泵4連接。這 樣，氣體壓力傳感器3可以實(shí)時(shí)檢測(cè)細(xì)胞培養(yǎng)瓶組2內(nèi)的氣體壓力，其檢測(cè)值作 為輸入信號(hào)傳遞給壓力程控器1，壓力程控器1對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行比較后，控制徼型 氣泵4工作。壓力程控器l的輸入、比較和輸出元件均可采用成熟技術(shù)實(shí)現(xiàn)，于 此不多贅述。
本實(shí)用新型的工作原理是這樣的以對(duì)細(xì)胞施加40mmHg壓力培養(yǎng)為例，壓 力程控器1的比較元件設(shè)定壓力值為40mmHg，工作啟動(dòng)時(shí)，氣體壓力傳感器3 檢測(cè)到的細(xì)胞培養(yǎng)瓶組2內(nèi)的壓力值為OmmHg，壓力程控器1的輸入元件得到信 號(hào)與設(shè)定值比較為低，壓力程控器1的輸出元件發(fā)出指令增加微型氣泵4的功率， 微型氣泵4輸出氣流壓力增加，從而使細(xì)胞培養(yǎng)瓶組2內(nèi)壓力值逐漸升高至40 mmHg。當(dāng)細(xì)胞培養(yǎng)瓶組2內(nèi)壓力值高于40 mmHg時(shí)，壓力程控器1的輸出元件 發(fā)出指令降低微型氣泵4的功率，微型氣泵4輸出的氣流壓力降低，從而使細(xì)胞 培養(yǎng)瓶組2內(nèi)壓力值降低至40 mmHg。這種反饋調(diào)節(jié)使細(xì)胞培養(yǎng)瓶組2內(nèi)的氣體 壓力恒定于40mmHg。由于細(xì)胞培養(yǎng)瓶組2處于C02恒溫培養(yǎng)箱6內(nèi)，在工作過(guò)
程中，其內(nèi)溫度、C02分壓和02分壓均可保持恒定。
將本實(shí)用新型用于模擬青光眼壓力波動(dòng)，對(duì)視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，
設(shè)定壓力程控器1的比較壓力值在24h內(nèi)自10 mmHg升高至30 mmHg，再降為 10mmHg，通過(guò)上述反饋調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)胞培養(yǎng)瓶組2內(nèi)壓力的相應(yīng)波動(dòng)變化。同時(shí)，采 用常規(guī)的細(xì)胞密閉加壓培養(yǎng)方法作為比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞 培養(yǎng)24h后，本實(shí)用新型培養(yǎng)組與常規(guī)培養(yǎng)組相比，pH值、HCCb"濃度、P02及 PC02差異均無(wú)顯著性意義(尸>0.05);視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞增殖能力無(wú)明顯變化 (尸=0.719)。說(shuō)明本實(shí)用新型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)培養(yǎng)環(huán)境壓力及培養(yǎng)液pH值、HC(V1 濃度、P02及PC02的均衡調(diào)控。相對(duì)于密閉壓力控制培養(yǎng)裝置而言，本實(shí)用新型 可以排除培養(yǎng)條件差異對(duì)研究結(jié)果的影響。
權(quán)利要求1.一種體外細(xì)胞開(kāi)放式壓力程控培養(yǎng)裝置，包括封閉的CO2恒溫培養(yǎng)箱(6)，所述CO2恒溫培養(yǎng)箱(6)內(nèi)設(shè)置有細(xì)胞培養(yǎng)瓶組(2)，其特征在于所述細(xì)胞培養(yǎng)瓶組(2)上設(shè)置有培養(yǎng)瓶進(jìn)氣口(7)和培養(yǎng)瓶排氣口(8)，所述培養(yǎng)瓶排氣口(8)直接與CO2恒溫培養(yǎng)箱(6)的內(nèi)腔相通，所述培養(yǎng)瓶進(jìn)氣口(7)通過(guò)管路和氣體濕化裝置(5)與微型氣泵(4)的出口相連，所述微型氣泵(4)的進(jìn)口通過(guò)管路與CO2恒溫培養(yǎng)箱(6)的內(nèi)腔相通；所述細(xì)胞培養(yǎng)瓶組(2)內(nèi)設(shè)置有氣體壓力傳感器(3)，所述氣體壓力傳感器(3)通過(guò)導(dǎo)線與壓力程控器(1)的信號(hào)輸入端相連，所述壓力程控器(1)的控制輸出端通過(guò)導(dǎo)線與微型氣泵(4)連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的體外細(xì)胞開(kāi)放式壓力程控培養(yǎng)裝置，其特征在 于所說(shuō)的細(xì)胞培養(yǎng)瓶組(2)是多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)瓶通過(guò)管路串聯(lián)而成的，所說(shuō) 的培養(yǎng)瓶排氣口 (8)是微量排氣口。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的體外細(xì)胞開(kāi)放式壓力程控培養(yǎng)裝置，其特 征在于所說(shuō)的氣體濕化裝置(5)是一個(gè)反向水囊。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的體外細(xì)胞開(kāi)放式壓力程控培養(yǎng)裝置，其特 征在于所說(shuō)的微型氣泵(4)、氣體濕化裝置(5)和壓力程控器(1)設(shè)置在 C02恒溫培養(yǎng)箱(6)的箱體外面。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的體外細(xì)胞開(kāi)放式壓力程控培養(yǎng)裝置，其特征在 于所說(shuō)的微型氣泵(4)、氣體濕化裝置(5)和壓力程控器(1)設(shè)置在C02 恒溫培養(yǎng)箱(6)的箱體外面。
專利摘要一種體外細(xì)胞開(kāi)放式壓力程控培養(yǎng)裝置，包括CO₂恒溫培養(yǎng)箱，CO₂恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)設(shè)有細(xì)胞培養(yǎng)瓶組，細(xì)胞培養(yǎng)瓶組上設(shè)有培養(yǎng)瓶進(jìn)氣口和培養(yǎng)瓶排氣口，培養(yǎng)瓶排氣口直接與CO₂恒溫培養(yǎng)箱的內(nèi)腔相通，培養(yǎng)瓶進(jìn)氣口通過(guò)管路和氣體濕化裝置與微型氣泵的出口相連，微型氣泵的進(jìn)口通過(guò)管路與CO₂恒溫培養(yǎng)箱的內(nèi)腔相通；細(xì)胞培養(yǎng)瓶組內(nèi)設(shè)有氣體壓力傳感器，氣體壓力傳感器通過(guò)導(dǎo)線與壓力程控器的信號(hào)輸入端相連，壓力程控器的控制輸出端通過(guò)導(dǎo)線與微型氣泵連接。該裝置能簡(jiǎn)單有效地調(diào)控培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)的壓力、且能保持培養(yǎng)液的pH值、HCO₃^-1濃度、氧氣分壓、二氧化碳分壓恒定，適合于需要對(duì)培養(yǎng)細(xì)胞施加壓力影響的基礎(chǔ)科學(xué)研究，如青光眼、軟骨細(xì)胞病變等的研究。
文檔編號(hào)C12M3/00GK201065407SQ2007200852
公開(kāi)日2008年5月28日 申請(qǐng)日期2007年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月14日
發(fā)明者虹 張, 李貴剛, 汪學(xué)方 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院