專利名稱：一種體外細胞壓力加載裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種體外細胞壓力加載裝置，屬于組織工程和細胞工程領域。
背景技術：
細胞力學是組織工程和細胞工程的基礎之一，常常要研究力學因素對細胞形態(tài)變 化及生長的影響。由于生物體組織和器官的結構極其復雜，生物個體之間也存在較大的差 異，致使在體細胞的力學環(huán)境復雜多樣，從而增加在體細胞力學行為研究的難度。在體組 織、細胞受壓是生物體常見的一種承載方式，如肌骨系統(tǒng)中，骨骼是人體主要的承載結構， 它為人體提供支撐框架，保護內(nèi)臟器官，并完成力的傳遞；關節(jié)部位的人體軟骨，常承受經(jīng) 骨骼傳遞的壓力載荷，壓力的作用對關節(jié)軟骨的生長、代謝等至關重要。因此，研究壓力載 荷下細胞的力學行為具有十分重要的意義。細胞力學研究的基礎和關鍵是細胞加載技術， 由于人體細胞的大小在十幾到幾十個微米之間，細胞膜的厚度僅有幾個納米到幾十個納 米，常規(guī)的宏觀力學加載方法和實驗技術無法直接使用，因此，體外分離細胞和建立合適的 加載培養(yǎng)模型是細胞力學面臨的首要問題。細胞體外培養(yǎng)時，通過模擬在體組織中細胞的應力環(huán)境，研究壓力載荷下細胞的 力學特性的實驗方法，可追溯到早期的Glucksmann(Anatomical Record, 1939 ；73 :39_56) 的研究工作將雞胚脛骨內(nèi)膜細胞培養(yǎng)在肋間肌基質(zhì)上，隨著肌肉的萎縮，肋骨彼此靠近， 細胞受到壓力作用。Rodan(Science, 1975 ； 189 467-469 ；Calcifid Tissue Research, 1975 ；18 125-131 Journal of Cellular Physiology, 1976 ；88 (3) :353_361)等的研究具 有劃時代的意義，他們利用氣體或液體產(chǎn)生的靜壓使細胞受到相應的壓應力作用，研究進 入量化階段。經(jīng)過多年改進和發(fā)展，多種體外培養(yǎng)細胞的加力裝置已經(jīng)被研制出來。大致可 分為離心力加載裝置、流體剪切力加載裝置、空氣液體靜壓力加載裝置、基底形變加載裝置 (短形基底拉伸加載裝置、靜態(tài)膜式細胞牽張力加載裝置、Flexercell細胞加載裝置(Bone Miner Res，l"8，I3 :218-28)、Petriperm 彈力膜培養(yǎng)皿加載裝置(Am J Orthod Dentofac Orthop，1991，99 226-40))等，部分加載裝置已經(jīng)商品化，但是所有這些裝置都各有優(yōu)缺 點，并各自適用于所要研究的細胞類型。如離心力加載裝置不能真正反應細胞的生理狀態(tài)， Flexercell細胞加載裝置、Petriperm彈力膜培養(yǎng)皿加載裝置結構復雜、價格昂貴，流體 剪切力加載裝置僅適用于研究血管內(nèi)皮細胞的體外加載實驗等。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是針對現(xiàn)有技術的不足而提供一種體外細胞壓力加載裝置，其 特點是在體外對培養(yǎng)細胞在指定的培養(yǎng)條件下進行壓力加載，對加載壓力的大小、作用頻 率及作用持續(xù)時間等進行定量控制。它具有界面友好、性能穩(wěn)定、操作簡單的優(yōu)點。本實用新型所用的細胞加載裝置是可控壓力細胞加載裝置，用來模擬在體組織中 細胞的應力環(huán)境。系統(tǒng)的工作原理是將維持細胞體外生存和生長的培養(yǎng)皿及其培養(yǎng)的細 胞放入壓力腔中，高壓儲氣室內(nèi)(鋼瓶)的高壓氣體經(jīng)兩級減壓裝置減壓到一定壓強后由穩(wěn)壓閥調(diào)控以穩(wěn)定的壓強進入壓力腔中，當壓力腔內(nèi)的壓強達到預定值時，關閉進氣電磁 閥，壓力腔內(nèi)形成穩(wěn)定的密閉環(huán)境，壓力加載部分原理為利用直線步進電機驅(qū)動汽缸加壓， 使壓力腔內(nèi)形成一定頻率、大小的周期性氣壓變化，從而使壓力腔里的細胞受到相應的壓 力作用，實驗完畢，打開排氣電磁閥，氣體經(jīng)其排出。系統(tǒng)使用恒溫水槽控制裝置使內(nèi)環(huán)境 的溫度恒定在37°C，保證實驗過程中細胞的生物活性。本實用新型的目的由以下技術措施實現(xiàn)體外細胞壓力加載裝置包括氣壓源、進氣電磁閥、過濾器、減壓閥，壓力腔體和數(shù) 字調(diào)控系統(tǒng)，氣壓源通過進氣電磁閥、過濾器、減壓閥與壓力腔體連接；壓力腔體的一端與 出氣電磁閥連接，出氣電磁閥通過驅(qū)動電路、多功能數(shù)據(jù)采集卡與計算機連接；驅(qū)動電路另 一側與進氣電磁閥連接；壓力腔體的另一端與壓力傳感器連接；壓力傳感器通過可程控增 益放大器、多功能數(shù)據(jù)采集卡與計算機連接；壓力腔體通過標準氣缸、直線步進電機、功率 放大器、多功能數(shù)據(jù)采集卡與計算機連接。壓力腔體內(nèi)設多層培養(yǎng)皿盤，每層培養(yǎng)皿盤上設有多個樣品凹槽，培養(yǎng)皿層固定 在蓋板上，蓋板通過密封圈與壓力腔體緊固，蓋板上設有進氣口，出氣口和壓力傳感器進 口，壓力腔體由底板支架支撐，蓋板推、拉動使培養(yǎng)皿層自由進出壓力腔體。驅(qū)動電路由反相器，限流電阻，固態(tài)繼電器，續(xù)流二極管組成和電磁閥組成。多功 能數(shù)據(jù)采集卡輸出的控制信號為邏輯電平U1N，當UlN = 5V時，反相器輸出低電平，使固態(tài) 繼電器中發(fā)光二極管發(fā)光，固態(tài)繼電器內(nèi)部可控硅導通，電磁閥得電工作，當UlN = OV時， 反相器輸出為高電平，固態(tài)繼電器發(fā)光二極管不發(fā)光，固態(tài)繼電器內(nèi)可控硅截止，電磁閥截 止，計算機通過多功能數(shù)據(jù)采集卡接收氣壓變化信號，經(jīng)過程序計算后，將指令反饋至多功 能數(shù)據(jù)采集卡，通過驅(qū)動電路控制出氣及進氣電磁閥，達到調(diào)節(jié)壓力腔內(nèi)氣體的目的。壓應力加載流程系統(tǒng)的氣壓源選擇5% CO2與95%空氣的混合氣體，利用空氣過 濾器凈化氣體，保證氣體無菌環(huán)境；鑒于細胞培養(yǎng)的特殊性，壓力腔選用無污染、無毒性的 醫(yī)用耐酸不銹鋼材料加工而成。數(shù)字調(diào)控部分包括四個環(huán)節(jié)多功能數(shù)據(jù)采集卡完成計算機與測控通道之間的信 息傳遞，也就是模擬量與數(shù)字量之間的相互轉(zhuǎn)換；可程控增益放大器配合壓力傳感器構成 測量通道，測試壓力腔內(nèi)的壓力；功率放大器和執(zhí)行機構步進電機構成控制通道，驅(qū)動汽缸 活塞；計算機完成數(shù)據(jù)的顯示、存儲和處理.軟件設計是數(shù)字調(diào)控的核心，使用Borland C++builder5編寫壓力加載計算機控 制軟件，其功能如下電磁閥控制功能任意時刻，在選擇所要調(diào)節(jié)的電磁閥打開或關閉相應電磁閥。步進電機控制功能設定脈沖頻率(單位為Hz)、或電機推動活塞運行距離(單位 為mm)兩種方式控制步進電機運行。同時檢測電機活塞的位移，監(jiān)視直線步進電機的運行 狀態(tài)。根據(jù)檢測到的情況，通過計算機采樣控制電路自動調(diào)整裝置的壓力參數(shù)，使系統(tǒng)處于 理想狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集采樣方式采用等點采樣方式，完成壓力信號的A/D轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)存儲功能為手動存儲和定時采集存盤兩種方式。手動方式下，任意時刻按下 按鈕，程序在采集10個周期后自動存盤，定時采集存盤方式下，先通過菜單項設置存盤間 隔時間，然后啟動定時采集存儲功能。[0017]數(shù)據(jù)處理功能以直線步進電機驅(qū)動的周期為時間間隔，當完成一個周期的數(shù)據(jù) 采集后，計算該周期壓力的最大值、平均值和最小值，并在相應的顯示框中顯示。數(shù)據(jù)顯示功能數(shù)據(jù)采集模塊完成對壓力腔內(nèi)壓力的數(shù)據(jù)采集工作，并且將采集 到的數(shù)據(jù)以數(shù)字示波器的方式實時顯示出來。本實用新型具有如下優(yōu)點1.本裝置將系統(tǒng)分成四個部分，互相以導線或?qū)夤苓B接，做到遠程操作，能夠在 不影響整個培養(yǎng)系統(tǒng)連續(xù)性的前提下，對實驗進行適時調(diào)控。2.采用計算機來控制加載的壓力值、加壓時間，具有方便、精確。3.頻率控制程序COM通過串口微電流，再通過直流放大后調(diào)控電磁閥的開關閥 門，使達到的循環(huán)加載較為客觀、可信。4.友好控制面板也使得操作簡便；兼之使用壓力傳感器，能夠準確地控制壓力值 的大小，因此壓力的作用準確可靠，對不同壓力值作用下細胞的變化特點進行研究，加壓時 間可調(diào)，實驗過程可根據(jù)需要設定。

圖1為體外細胞壓力裝載裝置圖1、鋼瓶，2、進氣電磁閥，3、空氣過濾器，4、減壓閥，5、壓力腔，6、出氣電磁閥，7、振 動電路，8、多功能數(shù)據(jù)采集卡，9、傳感器，10、可程控增益放大器，11、標準氣缸，12、直線步 進電機，13、功率放大器，14、電腦，15、控制柜。圖2為壓應力加載腔結構示意圖16、底板支架，17、培養(yǎng)皿盤，18、樣品凹槽，19、密封圈，20、蓋板，21、出氣口，22、壓
力傳感器，23、進氣口。圖3為驅(qū)動電路原理圖24、反相器，25、限流電阻，26、固態(tài)繼電器，27、續(xù)流二極管，28、電磁閥。圖4為氣體壓力加載計算機控制界面圖5為壓力腔內(nèi)壓力變化波形圖a)靜態(tài)壓力波形圖b)動態(tài)壓力波形圖圖6為動、靜態(tài)壓應力對MSCs成骨分化早期細胞形態(tài)學的影響a)骨誘導0天，無壓力b)骨誘導0天，施動態(tài)壓力5天c)骨誘導0天，施靜壓力5天d)骨誘導3天，無壓力e)骨誘導3天，施動態(tài)壓力5天f)骨誘導3天，施靜壓力5天g)骨誘導7天，無壓力h)骨誘導7天，施動態(tài)壓力5天i)骨誘導7天，施靜壓力5天
具體實施方式
下面通過實施例對本實用新型進行具體的描述，有必要在此指出的是本實施例只 用于對本實用新型進行進一步說明，但不能理解為對本實用新型保護范圍的限制，該領域 的技術熟練人員可以根據(jù)上述本實用新型的內(nèi)容作出一些非本質(zhì)的改進和調(diào)整。實施例體外細胞壓力加載裝置如圖1所示，體外細胞壓力加載裝置包括氣壓源1、進氣電 磁閥2、過濾器3、減壓閥4，壓力腔體5和數(shù)字調(diào)控系統(tǒng)，氣壓源通過進氣電磁閥、過濾器、 減壓閥與壓力腔體連接；壓力腔體5的一端與出氣電磁閥6連接，出氣電磁閥通過驅(qū)動電路 7。多功能數(shù)據(jù)采集卡8與計算機14連接；驅(qū)動電路7另一側與進氣電磁閥2連接；壓力腔 體5的另一端與壓力傳感器9連接；壓力傳感器通過可程控增益放大器10、多功能數(shù)據(jù)采 集卡8與計算機14連接；壓力腔體5通過標準氣缸11、直線步進電機12、功率放大器13、 多功能數(shù)據(jù)采集卡8與計算機14連接。壓力腔體5內(nèi)設多層培養(yǎng)皿盤17，每層培養(yǎng)皿盤設有多個樣品凹槽18，培養(yǎng)皿層 固定在蓋板20上，蓋板通過密封圈19與壓力腔體緊固，蓋板上設有進氣口 23，出氣口 21和 壓力傳感器進口 22，壓力腔體由底板支架16支撐，蓋板推、拉動使培養(yǎng)皿層自由進出壓力 腔體。驅(qū)動電路7由反相器24，限流電阻25，固態(tài)繼電器26，續(xù)流二極管組成27和電磁 閥28組成。多功能數(shù)據(jù)采集卡輸出的控制信號為邏輯電平U1N，當UlN = 5V時，反相器 輸出低電平，使固態(tài)繼電器中發(fā)光二極管發(fā)光，固態(tài)繼電器內(nèi)部可控硅導通，電磁閥得電工 作。當U1N = OV時，反相器輸出為高電平，固態(tài)繼電器發(fā)光二極管不發(fā)光，固態(tài)繼電器內(nèi)可 控硅截止，電磁閥截止。計算機通過多功能數(shù)據(jù)采集卡接收氣壓變化信號，經(jīng)過程序計算 后，將指令反饋至多功能數(shù)據(jù)采集卡，通過驅(qū)動電路控制出氣及進氣電磁閥，達到調(diào)節(jié)壓力 腔內(nèi)氣體的目的。以下是本實用新型加載裝置在骨髓間充質(zhì)干細胞(MSCs)成骨分化早期階段細胞 心態(tài)以及增值活性力的影響。1.實驗細胞生長良好的2 4代2-3周齡雄性大鼠間充質(zhì)干細胞以上細胞由四川大學華西口腔醫(yī)學院重點實驗室提供2.壓力腔培養(yǎng)條件溫度37恒溫水浴氣體環(huán)境5% C02和95%空氣混合氣體壓力靜態(tài)壓應力23Kpa，，壓應力大小為動態(tài)壓應力10 35Kpa，動態(tài)壓應力的頻 率選擇0. 25Hz。3.實驗流程細胞亞融合后分別成骨誘導3天(0S_3d)和7天(0S_7d)。分別施加動態(tài)壓應力 和靜態(tài)壓應力刺激，每天加力時間一個小時，持續(xù)1、3、5天。另放培養(yǎng)皿在CO2恒溫孵箱作 為對照組。4.實驗結果示例A.實驗分組[0061]根據(jù)對壓力腔中對細胞加載壓力的不同，分為以下各組對照組無體外壓力加載靜態(tài)壓力組細胞加以23Kpa壓力動態(tài)壓力組細胞加以10 35Kpa，頻率0. 25HzB.壓力腔內(nèi)各種壓力加載后細胞形態(tài)變化細胞均貼壁生長良好。相應時間點動態(tài)壓力組與對照組比較，未見明顯的細胞排 列、細胞形態(tài)學改變(圖5)，而有些靜態(tài)壓力組細胞形態(tài)可”膨脹”由長梭形變圓(圖f所 示典型的加載靜態(tài)壓力后細胞形態(tài)發(fā)生的改變)。實驗采用0. 25%胰蛋白酶和0. 02% EDTA消化未成骨誘導或成骨誘導3d和7d的 MSCs，用不含成骨誘導劑的血清培養(yǎng)液中止，計數(shù)并調(diào)整細胞密度，以4X IO3/孔接種于96 孔板，培養(yǎng)24h后，將培養(yǎng)皿放入壓力腔中開始進行壓力加載，加力條件同上。實驗樣本放入甲基噻唑基四唑20 μ L混勻，孵箱孵育3. 5h，吸去液體。加入200 μ L 二甲基亞砜置于培養(yǎng)箱中0. 5h后搖床震蕩15min，使用HTS 7000Plus多孔板高效分析儀 (PE，USA)，設定570nm波長。可以看出，動、靜壓力組MSCs成骨分化早期階段增殖活力與同 時間點未加力對照組很相似。只有靜壓力加載未誘導MSCs5天后MSCs增殖活性有明顯的 增強(P < 0. 05)。
權利要求一種體外細胞壓力加載裝置，其特征在于該裝置包括氣壓源(1)、進氣電磁閥(2)、過濾器(3)、減壓閥(4)，壓力腔體(5)和數(shù)字調(diào)控系統(tǒng)，氣壓源(1)通過進氣電磁閥、過濾器、減壓閥與壓力腔體連接；壓力腔體(5)的一端與出氣電磁閥(6)連接，出氣電磁閥通過驅(qū)動電路(7)，多功能數(shù)據(jù)采集卡(8)與計算機(14)連接；驅(qū)動電路(7)另一側與進氣電磁閥(2)連接；壓力腔體(5)的另一端與壓力傳感器(9)連接；壓力傳感器通過可程控增益放大器(10)，多功能數(shù)據(jù)采集卡(8)與計算機(14)連接；壓力腔體(5)通過標準氣缸(11)、直線步進電機(12)、功率放大器(13)、多功能數(shù)據(jù)采集卡(8)與計算機(14)連接。
2.如權利要求1所述體外細胞壓力加載裝置，其特征在于壓力腔體(5)設多層培養(yǎng)皿 盤(17)，每層培養(yǎng)皿盤設有多個樣品凹槽(18)，培養(yǎng)皿層固定在蓋板(20)上，蓋板通過密 封圈(19)與壓力腔體緊固，蓋板上設有進氣口(23)，出氣口(21)和壓力傳感器進口(23)， 壓力腔體由底板支架(16)支撐，蓋板推拉動使培養(yǎng)皿層自由進出壓力腔體。
3.如權利要求1所述體外細胞壓力加載裝置，其特征在于驅(qū)動電路由反相器(24)，限 流電阻(25)，固態(tài)繼電器(26)，續(xù)流二極管組成(27)和電磁閥(28)組成，多功能數(shù)據(jù)采集 卡輸出的控制信號為邏輯電平U1N，當UlN = 5V時，反相器輸出低電平，使固態(tài)繼電器中發(fā) 光二極管發(fā)光，固態(tài)繼電器內(nèi)部可控硅導通，電磁閥得電工作，當UlN = OV時，反相器輸出 為高電平，固態(tài)繼電器發(fā)光二極管不發(fā)光，固態(tài)繼電器內(nèi)可控硅截止，電磁閥截止，計算機 通過多功能數(shù)據(jù)采集 接收氣壓變化信號，經(jīng)過程序計算后，將指令反饋至多功能數(shù)據(jù)采 集卡，通過驅(qū)動電路控制出氣及進氣電磁閥，達到調(diào)節(jié)壓力腔內(nèi)氣體的目的。
專利摘要本實用新型公開了一種體外細胞壓力加載裝置，其特點是該裝置包括氣壓源(1)、進氣電磁閥(2)、過濾器(3)、減壓閥(4)，壓力腔體(5)和數(shù)字調(diào)控系統(tǒng)，氣壓源通過進氣電磁閥、過濾器、減壓閥與壓力腔體連接；壓力腔體(5)的一端與出氣電磁閥(6)連接；出氣電磁閥通過驅(qū)動電路(7)、多功能數(shù)據(jù)采集卡(8)與計算機(14)連接；驅(qū)動電路(7)另一側與進氣電磁閥(2)連接；壓力腔體(5)的另一端與壓力傳感器(9)連接；壓力傳感器通過可程控增益放大器(10)、多功能數(shù)據(jù)采集卡(8)與計算機(14)連接；壓力腔體(5)通過標準氣缸(11)、直線步進電機(12)、功率放大器(13)、多功能數(shù)據(jù)采集卡(8)與計算機(14)連接。
文檔編號C12M1/36GK201648396SQ200920243788

公開日2010年11月24日 申請日期2009年12月8日 優(yōu)先權日2009年12月8日
發(fā)明者李晉川, 樊瑜波, 王軍, 王婭婷, 趙志河, 鄒遠文, 黃學進 申請人:四川大學