專利名稱:一種單軸旋轉(zhuǎn)在線剪切體外細胞培養(yǎng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及 生物力學工程研究領(lǐng)域，具體涉及一種能夠?qū)N壁細胞模擬微重力效應(yīng)培養(yǎng)同時對細胞施加可控剪切應(yīng)力的裝置。
背景技術(shù)：
近幾十年來，對航天飛行的探索研究越來越受到各國家及學者們的關(guān)注，但如何在較長的空間飛行期間，真正以細胞分子生物學理論為基礎(chǔ)發(fā)展、建立的空間環(huán)境有效醫(yī)學防護和對抗措施還很少。長期或短期空間飛行時力學敏感細胞的細胞骨架發(fā)生重排，細胞信號轉(zhuǎn)導、基因表達、細胞增殖和分化等功能異常，進而導致航天員機體產(chǎn)生多種生理病理變化，如骨丟失、免疫力機能下降、肌肉萎縮等。因此，研究細胞分子生物機制對如何對抗空間飛行發(fā)生的病理變化有深遠意義。由于空間試驗的限制，近十幾年來國內(nèi)外設(shè)計了多種模擬微重力效應(yīng)的體外細胞培養(yǎng)裝置，用于地面實驗對多種體外細胞進行研究。
美國NASA Johnson空間中心研發(fā)了一種旋轉(zhuǎn)壁式生物反應(yīng)器(RWV)，在此基礎(chǔ)上又進而研制了細胞旋轉(zhuǎn)培養(yǎng)系統(tǒng)(RCCS)，系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)時可使懸浮細胞受到重力向量合為零，利用地基實驗對細胞模擬空間微重力效應(yīng)，作為地面模擬微重力條件的生物反應(yīng)器而廣為應(yīng)用(Villa A. , Versari S. , Maier J. A. M. and Bradamante S. . Cell behaviorin simulated microgravity a comparison of results obtained with RffV and RPM.Gravitational and Space Biology, 18 (2) :89-90, 2005.)。但這兩種裝置僅能對懸浮細胞模擬微重力效應(yīng)。20世紀90年代初，日本Hoson等人率先使用隨機回轉(zhuǎn)器(randompositioning machine, 3D_clinostat)模擬微重力效應(yīng)。與RCCS相比，隨機回轉(zhuǎn)器是三維旋轉(zhuǎn)，更有效模擬微重力效應(yīng)，且貼壁細胞培養(yǎng)可同正常培養(yǎng)一樣貼于培養(yǎng)瓶，安置于隨機回轉(zhuǎn)器上進行培養(yǎng)(Shintaro Nomura, Teruko Takano-Yamamoto. Molecular eventscaused by mechanical stress in bone [J]. Matrix Biology, 2000,19 :91-96.)。此外，在2007-08-22公開的公開號為CN 101021517的中國專利申請“雙軸驅(qū)動框架式回轉(zhuǎn)器”也記載了與隨機回轉(zhuǎn)器相似功能的裝置。
正常重力條件下，細胞在體內(nèi)可受到多種力作用，感受力學刺激并將力學信號轉(zhuǎn)化為生化信號，調(diào)節(jié)其增殖、分化、牽移、基因表達、蛋白質(zhì)合成和凋亡等方面細胞功能。研究細胞如何感受和傳導力學刺激成為進一步深入研究機體如何對外界物理環(huán)境產(chǎn)生反應(yīng)與適應(yīng)的關(guān)鍵，這也促使了體外細胞共培養(yǎng)力學加載裝置的發(fā)展進步。目前國內(nèi)外均利用流動腔裝置對體外細胞施加流體剪切應(yīng)力，已有多種流動腔裝置成品，用以實現(xiàn)不同的實驗需求。如美國喬治亞工學院生物力學實驗室Helmlinger G等人設(shè)計的脈動流輸入式流動腔(Helmlinger G, Geiger RV, Schreck S, et al. Efects of pulsatile flow oncultured vascular endothelial cell morphology[J]. ASME J Biomech Engr,1991,113 123-131.)、在2002-04-17公開的公開號為CN2486558的中國專利申請“體外細胞培養(yǎng)平行圓板流動腔”、在2002-04-17公開的公開號為CN2486559的“體外細胞培養(yǎng)裝置中的非平行平板流動腔”，以及在2003-09-10公開的公開號為CN2571766的中國專利申請“液體自循環(huán)細胞剪切培養(yǎng)池”。
對于研究探索在微重力作用下，細胞受到力學刺激后的生物學效應(yīng)，需要對體外培養(yǎng)細胞模擬微重力效應(yīng)的同時施加流體剪切應(yīng)力載荷進行進一步研究。上述幾種裝置僅能實現(xiàn)細胞的模擬微重力培養(yǎng)或?qū)毎┘硬煌绞降牧黧w剪切應(yīng)力，不能對體外培養(yǎng)細胞模擬微重力效應(yīng)的同時施加流體剪切應(yīng)力載荷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對目前欠缺可以對體外培養(yǎng)細胞模擬微重力效應(yīng)同時施加流體剪切應(yīng)力載荷的裝置的問題，提出了一種單軸旋轉(zhuǎn)在線剪切體外細胞培養(yǎng)裝置，在實現(xiàn)二維模擬微重力效應(yīng)的同時，也實現(xiàn)了流動腔對細胞加載流動剪切應(yīng)力的功能，用于研究細胞在微重力條件下對力學刺激的響應(yīng)。
—種單軸旋轉(zhuǎn)在線剪切體外細胞培養(yǎng)裝置，主要包括固定轉(zhuǎn)筒、流動腔、蠕動泵、 轉(zhuǎn)軸上固定有軸承，軸承與底座的軸承支架固定連接，使得固定轉(zhuǎn)筒水平固定在兩個軸承支架上。所述的轉(zhuǎn)軸固定連接有旋轉(zhuǎn)接頭，旋轉(zhuǎn)接頭又連接有固定接頭，所述的固定接頭通過外部固定件固定在軸承支架的外延平臺上，或者與電機一起固定在軸承支架外延平臺上，旋轉(zhuǎn)接頭和固定接頭內(nèi)部連通，旋轉(zhuǎn)接頭伸入轉(zhuǎn)軸的內(nèi)部通道的一端通過硅膠管連接流動腔，固定接頭的自由端連接有硅膠管。固定轉(zhuǎn)筒一端的固定接頭通過硅膠管連接蠕動泵，固定轉(zhuǎn)筒另一端的固定接頭通過硅膠管連接廢液瓶；流動腔的輸入口、輸出口分別通過硅膠管連接固定轉(zhuǎn)筒兩端的旋轉(zhuǎn)接頭。所述的儲液瓶與廢液瓶固定在底座上，儲液瓶通過硅膠管連接蠕動泵。固定轉(zhuǎn)筒的一端轉(zhuǎn)軸上還固定有齒輪，與電機上的齒輪相咬合，由電機控制固定轉(zhuǎn)筒360°回轉(zhuǎn)，固定轉(zhuǎn)筒帶動流動腔轉(zhuǎn)動，使流動腔的重力矢量和以及液壓矢量和都為零，模擬微重力效應(yīng)，同時蠕動泵使硅膠管內(nèi)培養(yǎng)液產(chǎn)生流體剪切應(yīng)力。
本發(fā)明的培養(yǎng)裝置，通過固定轉(zhuǎn)筒360°勻速回轉(zhuǎn)，使固定于轉(zhuǎn)筒上的流動腔所受重力矢量和為零，旋轉(zhuǎn)過程消除了與流體剪切應(yīng)力同時存在的液壓，實現(xiàn)模擬微重力效應(yīng)，同時由蠕動泵向流動腔內(nèi)泵入培養(yǎng)液，對體外培養(yǎng)的貼壁細胞施加流體剪切作用力，可用于研究探索在微重力作用下，細胞受到力學刺激后的生物學效應(yīng)，為宇航員在空間飛行時對抗運動措施提供細胞分子機制基礎(chǔ)，具有創(chuàng)新性及應(yīng)用前景。此外，本發(fā)明的培養(yǎng)裝置中，采用計算機控制蠕動泵，可以實現(xiàn)不同模式及大小剪切應(yīng)力對細胞的作用，方便進行不同形式及目的的生物力學研究。


圖I是本發(fā)明培養(yǎng)裝置一個實施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明傳動連接部分結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖中
I-固定轉(zhuǎn)筒2-流動腔 3-蠕動泵 4-儲液瓶 5-廢液瓶 6_電機
7-底座 8-旋轉(zhuǎn)接頭 9-固定接頭 10-軸承支架11-轉(zhuǎn)軸 12-軸承
13-硅膠管 14-傳動齒輪15-外部固定件16_0型墊圈 17-擋筒具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
本發(fā)明的培養(yǎng)裝置，如圖I所示，主要包括固定轉(zhuǎn)筒I、流動腔2、蠕動泵3、儲液瓶4、廢液瓶5、電機6以及底座7。
本發(fā)明的培養(yǎng)裝置置于CO2恒溫培養(yǎng)箱中。所述的固定轉(zhuǎn)筒I兩端連接有由旋轉(zhuǎn)接頭8與固定接頭9所組成的連接結(jié)構(gòu)部分，固定轉(zhuǎn)筒I的外殼上布置有流動腔2，流動腔2通過硅膠管13與旋轉(zhuǎn)接頭8連接。固定轉(zhuǎn)筒I左端的連接結(jié)構(gòu)部分通過硅膠管13與蠕動泵3連接，右端的連接結(jié)構(gòu)部分通過硅膠管13連接廢液瓶5。蠕動泵3通過硅膠管13還與儲液瓶4連接。固定轉(zhuǎn)筒I右端與廢液瓶5連接的連接結(jié)構(gòu)部分還連接有電機6。儲液瓶4和廢液瓶5均固定放置在底座7上。電機6采用步進電機，方便用計算機進行編程控制電機回轉(zhuǎn)速度大小。
旋轉(zhuǎn)接頭8與固定接頭9所組成的連接結(jié)構(gòu)部分如圖2所示，固定轉(zhuǎn)筒I的轉(zhuǎn)軸
11上固定有軸承12，軸承12與底座7上的兩個軸承支架10固定連接，使得固定轉(zhuǎn)筒I水平固定在底座7上的兩個軸承支架10上。轉(zhuǎn)軸11通過螺栓固定連接有旋轉(zhuǎn)接頭8，可使旋轉(zhuǎn)接頭8隨固定轉(zhuǎn)筒I轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)動時保持相對靜止。旋轉(zhuǎn)接頭8 —端伸入轉(zhuǎn)軸11的內(nèi)部通道中，通過硅膠管13連接流動腔2，另一端插入固定接頭9內(nèi)部，固定接頭9通過外部固定件15固定在軸承支架10外延平臺上，或者與電機6 —起固定在軸承支架10外延平臺上，固定接頭9和旋轉(zhuǎn)接頭8內(nèi)部連通，液體可直接通過。旋轉(zhuǎn)接頭8與固定接頭9連接處固定設(shè)置有O型墊圈16，可使液體流過固定接頭9和旋轉(zhuǎn)接頭8時保持密封不漏液，同時還可使旋轉(zhuǎn)接頭8在固定接頭9中自由轉(zhuǎn)動。固定接頭9的自由端連接有硅膠管13。如圖I所示，儲液瓶4通過硅膠管13，經(jīng)過蠕動泵3連接到固定轉(zhuǎn)筒I左端的固定接頭9上，固定轉(zhuǎn)筒I的右端固定接頭9也與硅膠管13相連，連接至廢液瓶5，每個流動腔2的輸入口和輸出口分別通過硅膠管13連接到固定轉(zhuǎn)筒I兩端的旋轉(zhuǎn)接頭8。
圖2所示的為固定轉(zhuǎn)筒I右端連接結(jié)構(gòu)的示意圖，在軸承12右側(cè)的轉(zhuǎn)軸11上還固定有傳動齒輪14,傳動齒輪14與電機6上的齒輪相咬合用于驅(qū)動固定轉(zhuǎn)筒I的轉(zhuǎn)動。電機6固定在軸承支架10外延平臺上。圖2中的擋筒17用于對軸承12進行定位。
流動腔2可以有多個，在固定轉(zhuǎn)筒I上可以自由排列固定，流動腔2以串聯(lián)的形式固定于固定轉(zhuǎn)筒I上，或者以并聯(lián)的形式固定于固定轉(zhuǎn)筒I上，或者以串聯(lián)加并聯(lián)的形式固定于固定轉(zhuǎn)筒I上，培養(yǎng)液在流入流動腔2之前分股，串聯(lián)或者并聯(lián)的流動腔2內(nèi)都有一股培養(yǎng)液流入，通過流動腔2的培養(yǎng)液再匯成一股，最后回流到廢液瓶5中。本發(fā)明實施例中，如圖I所示流動腔2為3個，兩個流動腔2串聯(lián)，與另外一個流動腔2并聯(lián)固定于固定轉(zhuǎn)筒I上，培養(yǎng)液在流入流動腔2之前分流為兩股，一股流入串聯(lián)的兩流動腔2內(nèi)，另一股流入單獨放置的流動腔2內(nèi)。通過三個流動腔2的液體再匯成一股，回流至廢液瓶5內(nèi)。
蠕動泵3與培養(yǎng)箱外的計算機相連，由用戶通過計算機控制蠕動泵3，使硅膠管13內(nèi)的培養(yǎng)液產(chǎn)生統(tǒng)一的流速大小及液流方式，液流方式可為恒定流、脈沖流或脈動流，進而對流動腔2內(nèi)的體外貼壁培養(yǎng)細胞施加方向、模式及大小可控的流體剪切應(yīng)力。在本發(fā)明實施例中，圖I所示的計算機控制下的蠕動泵3其產(chǎn)生的液體脈動頻率及幅度分別為9Hz和I. 2dyn/cm2,平均流體剪切應(yīng)力為15dyn/cm2,均由計算機編程控制；計算機控制電機6轉(zhuǎn)動，使固定轉(zhuǎn)筒I保持轉(zhuǎn)速為15rpm。[0022]固定轉(zhuǎn)筒I由電機6及傳動齒輪14控制旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，使固定轉(zhuǎn)筒I達到所需的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)模擬微重力效應(yīng)。當蠕動泵3從儲液瓶4內(nèi)泵出液體時，液體泵入固定接頭9，液體通過連接結(jié)構(gòu)部分從旋轉(zhuǎn)接頭8流出，流入流動腔2內(nèi)；從流動腔2流出的液體流入固定轉(zhuǎn)筒I另一端的旋轉(zhuǎn)接頭8，再通過連接結(jié)構(gòu)流至固定接頭9，從固定接頭9流出，回流至廢液瓶5內(nèi)，完成一個開放式循環(huán)。本發(fā)明培養(yǎng)裝置內(nèi)所有部件均密閉無菌，保證細胞培養(yǎng)所需的無菌環(huán)境。固定轉(zhuǎn)筒I可360°回轉(zhuǎn)，帶動固定轉(zhuǎn)筒I上固定的流動腔2轉(zhuǎn)動，使流動腔2的重力矢量和為零，液壓矢量和為零，模擬微重力效應(yīng)。微重力(Microgravity)并不表示重力加速度顯著降低，而是重力作用于物體的效應(yīng)降低，即物體表觀重量為地面靜止狀態(tài)表觀重量的1(Γ3水平。更科學的判斷微重力有如下公式=G1Aici = K，其中G1表示外力加速度，G0表示重力加速度9. 81m/s2。當K在10_2以下時，即可稱物體所處環(huán)境為微重力環(huán)境。本發(fā)明的培養(yǎng)裝置中若保持固定轉(zhuǎn)筒I的轉(zhuǎn)速為15rpm,固定轉(zhuǎn)筒I的直徑不超過8cm,滿足K < ο-2的要求，同時可使流動腔旋轉(zhuǎn)一周所受重力矢量和為零，達到模擬微重力效應(yīng)。如果轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，根據(jù)離心力公式，則固定轉(zhuǎn)筒I的直徑也要重新設(shè)置。如轉(zhuǎn)速為IOrpm時，設(shè)置固定轉(zhuǎn)筒I的直徑不超過17. 8cm ;如果轉(zhuǎn)速為20rpm，則設(shè)置固定轉(zhuǎn)筒I的直徑不超過4. 4cm。一般常用的轉(zhuǎn)速在15rpm,此時設(shè)置固定轉(zhuǎn)筒I的直徑不超過8cm。在平行平板流動腔中，剪切力、循環(huán)液流量、循環(huán)液粘度和流動腔尺寸大小的關(guān)系為τ = 6μ QF/WH2。F取決于流動腔寬高比(W/Η)，當W/H > > I時，F(xiàn) ^ I。其中τ為流動腔底面剪應(yīng)力(單位為dyn/cm2) ； μ為灌流液粘度系數(shù)(單位為dyn · s/cm2) ；Q為流量(單位為cm3/S) ；ff為流動腔寬度(單位為cm) ；H為流動腔高度(單位為cm)。本發(fā)明實施例中，培養(yǎng)基含有10% FBS(小牛血清)，灌流液粘度系數(shù)μ為動力粘度，取值0.013dyn*s/cm2,流動腔尺寸均取為W = 3cm, H = O. 05cm,當平均剪切應(yīng)力τ = 15dyn/cm2時，Q =τ WH2/6 μ F ^ 1.4423cm3/s。
雷諾數(shù)Re是反映流體流動特征的無量綱數(shù)，表示慣性力與黏性力之比Re =VHp/μ。其中V為腔內(nèi)流體平均流速(cm/s)，P為循環(huán)液密度(g/cm3)，取值為lg/cm3。在本發(fā)明實施例實驗條件下，流動腔2入口處的平均流速為V = Q/(WH) = 9. 6cm/s, Re =37，可滿足層流流動“低雷諾數(shù)”的要求，即Re <臨界雷諾數(shù)2000。在培養(yǎng)裝置工作時，流動腔內(nèi)不會出現(xiàn)湍流等復(fù)雜液流環(huán)境，符合培養(yǎng)細胞所需的剪切應(yīng)力條件。
本發(fā)明的培養(yǎng)裝置可在模擬微重力效應(yīng)同時對體外培養(yǎng)細胞施加在線加載流體剪切應(yīng)力作用，用于研究探索在微重力作用下，細胞受到力學刺激后的生物學效應(yīng)。在模擬微重力效應(yīng)時，液體流過細胞表面所產(chǎn)生的作用可能與正常重力下不同。例如正常重力條件下液體流經(jīng)細胞時不僅產(chǎn)生流體剪切應(yīng)力，還會由于重力作用在細胞表面產(chǎn)生豎直向下的壓力作用；而由于二維旋轉(zhuǎn)所致重力矢量和為零，液體對細胞體的表面壓力作用也隨之消失。因此，本發(fā)明裝置在模擬微重力效應(yīng)下，可認為液體在細胞表面施加的為消除壓力作用后單純的流體剪切應(yīng)力，為研究細胞在微重力條件下對力學刺激的響應(yīng)提供了途徑。
權(quán)利要求
1.一種單軸旋轉(zhuǎn)在線剪切體外細胞培養(yǎng)裝置，其特征在于，該培養(yǎng)裝置包括固定轉(zhuǎn)筒、流動腔、蠕動泵、儲液瓶、廢液瓶、電機以及底座； 所述的固定轉(zhuǎn)筒的外殼上固定有流動腔，流動腔內(nèi)為培養(yǎng)細胞，固定轉(zhuǎn)筒兩端的轉(zhuǎn)軸上固定有軸承，軸承與底座的軸承支架固定連接，使得固定轉(zhuǎn)筒水平固定在兩個軸承支架上；所述的轉(zhuǎn)軸固定連接有旋轉(zhuǎn)接頭，旋轉(zhuǎn)接頭又連接有固定接頭，所述的固定接頭通過外部固定件固定在軸承支架的外延平臺上，或者與電機一起固定在軸承支架外延平臺上，旋轉(zhuǎn)接頭和固定接頭內(nèi)部連通，旋轉(zhuǎn)接頭伸入轉(zhuǎn)軸的內(nèi)部通道的一端通過硅膠管連接流動腔，固定接頭的自由端連接有硅膠管；固定轉(zhuǎn)筒一端的固定接頭通過硅膠管連接蠕動泵，固定轉(zhuǎn)筒另一端的固定接頭通過硅膠管連接廢液瓶；流動腔的輸入口、輸出口分別通過硅膠管連接固定轉(zhuǎn)筒兩端的旋轉(zhuǎn)接頭；所述的儲液瓶與廢液瓶固定在底座上，儲液瓶通過硅膠管連接蠕動泵；固定轉(zhuǎn)筒的一端轉(zhuǎn)軸上還固定有傳動齒輪，與電機上的傳動齒輪相咬合，由電機控制固定轉(zhuǎn)筒360°回轉(zhuǎn)，固定轉(zhuǎn)筒帶動流動腔轉(zhuǎn)動，使流動腔的重力矢量和以及液壓矢量和都為零，模擬微重力效應(yīng)，同時啟動蠕動泵使硅膠管內(nèi)培養(yǎng)液產(chǎn)生流體剪切應(yīng)力；所述的蠕動泵，與計算機相連，用戶通過計算機控制蠕動泵，使硅膠管內(nèi)的培養(yǎng)液產(chǎn)生統(tǒng)一的流速大小及液流方式，所述的液流方式為恒定流、脈沖流或脈動流?！?br>2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的一種單軸旋轉(zhuǎn)在線剪切體外細胞培養(yǎng)裝置，其特征在于，所述的流動腔有I個以上，以串聯(lián)的形式固定于固定轉(zhuǎn)筒的外殼上，或者以并聯(lián)的形式固定于固定轉(zhuǎn)筒的外殼上，或者以串聯(lián)加并聯(lián)的形式固定于固定轉(zhuǎn)筒的外殼上，培養(yǎng)液在流入流動腔之前分股，每一個串聯(lián)或者并聯(lián)的流動腔內(nèi)都有一股培養(yǎng)液流入，通過流動腔的培養(yǎng)液最后再匯成一股。
3.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的一種單軸旋轉(zhuǎn)在線剪切體外細胞培養(yǎng)裝置，其特征在于，所述的旋轉(zhuǎn)接頭，其一端插入固定接頭內(nèi)部，與固定接頭連接處固定設(shè)置有O型墊圈密封。
4.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的一種單軸旋轉(zhuǎn)在線剪切體外細胞培養(yǎng)裝置，其特征在于，所述的電機，采用步進電機，由計算機編程控制電機回轉(zhuǎn)速度大小。
專利摘要
本發(fā)明公開一種單軸旋轉(zhuǎn)在線剪切體外細胞培養(yǎng)裝置，屬于生物力學工程技術(shù)領(lǐng)域：
。該培養(yǎng)裝置主要包括固定轉(zhuǎn)筒、流動腔、蠕動泵、儲液瓶、廢液瓶、電機以及底座。固定轉(zhuǎn)筒上固定有流動腔，電機驅(qū)動固定轉(zhuǎn)筒做360°回轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度通過電機轉(zhuǎn)動自行設(shè)置，使得固定轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)一圈的重力矢量和為零，模擬微重力效應(yīng)。儲液瓶與廢液瓶固定在底座上，儲液瓶連接蠕動泵，蠕動泵在固定轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)同時，將培養(yǎng)液泵出給流動腔，對流動腔施加流體剪切應(yīng)力，培養(yǎng)液經(jīng)流動腔回流到廢液瓶。本發(fā)明可用于研究探索在微重力作用下，細胞受到力學刺激后的生物學效應(yīng)，為宇航員在空間飛行時對抗運動措施提供細胞分子機制基礎(chǔ)，具有應(yīng)用前景。
文檔編號C12M3/00GKCN102181364 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請?zhí)朇N 201110060145
公開日2013年1月30日 申請日期2011年3月11日
發(fā)明者樊瑜波, 楊肖, 孫聯(lián)文, 貢向輝 申請人:北京航空航天大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (5), 非專利引用 (5),