一種模擬振蕩血流剪切應力環(huán)境的平行平板流動腔系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于細胞生物力學【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種模擬振蕩血流剪切應力環(huán)境的平行平板流動腔系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括平行平板流動腔和振蕩切應力刺激產(chǎn)生裝置兩部分。平行平板流動腔橫截面為矩形，高度為0.02～0.025cm，寬度為0.002～0.0025cm，長度為5～10cm；振蕩切應力刺激產(chǎn)生裝置包括上貯液槽、醫(yī)用電磁閥、彈性腔、阻力閥、下貯液槽、蠕動泵和硅膠管道。通過改變醫(yī)用電磁閥開關(guān)的頻率、以及平行平板流動腔的前后流動負荷的大小和比例，在平行平板流動腔內(nèi)部實現(xiàn)不同平均值、振蕩幅度和振蕩頻率組合的振蕩流環(huán)境，從而為培養(yǎng)在平行平板流動腔底部的血管內(nèi)皮細胞施加不同特征的振蕩切應力。
【專利說明】一種模擬振蕩血流剪切應力環(huán)境的平行平板流動腔系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于細胞生物力學實驗裝置【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種模擬振蕩血流剪切應力環(huán)境的平行平板流動腔系統(tǒng)，是基于血液動力學原理和方法的細胞力學實驗系統(tǒng)，用于分析不同振蕩剪切應力環(huán)境定量調(diào)控血管內(nèi)皮細胞生物學行為及其機制。
【背景技術(shù)】
[0002]血管內(nèi)皮細胞位于血管的最內(nèi)層，直接與血液接觸，受到軸向血流產(chǎn)生的壁面剪切應力作用。大量研究證實，內(nèi)皮細胞能識別血流剪切應力信號的刺激并將信號轉(zhuǎn)導成細胞內(nèi)部的生物化學信號，從而導致細胞的生物學響應，包括細胞形態(tài)、功能和基因表達的改變。內(nèi)皮細胞的這些響應被認為與血管形成、血管重建、動脈粥樣硬化形成等依賴血流的現(xiàn)象密切相關(guān)。
[0003]在動脈粥樣硬化斑塊容易發(fā)生的動脈分叉和彎曲部位，內(nèi)皮細胞往往受到低平均值的振蕩血流剪切應力作用。大量在體或離體的實驗證實，低振蕩血流剪切應力是一種重要的致動脈粥樣硬化的物理因子；振蕩血流剪切應力的大小、幅度和頻率都是影響血管內(nèi)皮細胞功能從而參與動脈粥樣硬化形成的關(guān)鍵因素。近年來的研究還證實，不同的運動訓練方式可在人體頸總動脈、肱動脈等部位產(chǎn)生不同特征的振蕩血流剪切應力信號，這些不同平均值、幅度和頻率的前后雙向振蕩剪切應力信號刺激內(nèi)皮細胞釋放一氧化氮(NO)和內(nèi)皮素I (ET-1)，被認為是運動訓練調(diào)節(jié)血液動力學從而影響動脈功能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。
[0004]離體構(gòu)建不同特征的振蕩血流剪切應力環(huán)境是研究血管內(nèi)皮細胞生物力學的前提。目前，高度遠小于橫向和縱向幾何尺寸、且尺寸在微米、毫米或厘米量級的平行平板流動腔是離體構(gòu)建振蕩血流剪切應力環(huán)境、研究流體剪切應力作用下血管內(nèi)皮細胞生物學行為及其機制的重要實驗裝置之一。通常，人們采用機械往復泵產(chǎn)生振蕩流并輸入到平行平板流動腔內(nèi)部，給培養(yǎng)在平行平板流動腔底部的血管內(nèi)皮細胞施加振蕩血流剪切應力作用。然而，傳統(tǒng)的機械式、葉片式脈動流發(fā)生泵不僅結(jié)構(gòu)復雜制作成本高，而且振蕩流的控制過程困難。因此迫切需要一種新型的平行平板流動腔及其外圍系統(tǒng)，能給培養(yǎng)在平行平板流動腔底部的血管內(nèi)皮細胞施加不同平均值、振蕩幅度和振蕩頻率組合的振蕩剪切應力刺激。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種模擬振蕩血流剪切應力環(huán)境的平行平板流動腔系統(tǒng)，該系統(tǒng)將血液動力學原理和方法與平行平板流動腔技術(shù)相結(jié)合，通過改變電磁閥開關(guān)頻率以及平行平板流動腔的后流動負荷 大小和比例，在平行平板流動腔內(nèi)部實現(xiàn)不同平均值、振蕩幅度和振蕩頻率組合的振蕩流環(huán)境，從而為培養(yǎng)在平行平板流動腔底部的血管內(nèi)皮細胞施加不同特征的振蕩剪切應力。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]—種模擬振蕩血流剪切應力環(huán)境的平行平板流動腔系統(tǒng)，該系統(tǒng)由兩個基本單元構(gòu)成:第一個基本單元為模擬體內(nèi)振蕩剪切應力的平行平板流動腔系統(tǒng)，包括平行平板流動腔、彈性腔A、彈性腔B、阻力閥A和阻力閥B。平行平板流動腔系統(tǒng)分為兩條支路，一條是由平行平板流動腔、彈性腔A和阻力閥A用硅膠管道連接組成的支路，另一條是由彈性腔B和阻力閥B用硅膠管道連接組成的支路。第二個基本單元是為平行平板流動腔提供振蕩流的外圍設(shè)備，包括上貯液槽、電磁閥、計算機、下貯液槽和蠕動泵。其中，上貯液槽內(nèi)部容器與電磁閥相連，上貯液槽外部容器與下貯液槽直接相連，電磁閥與平行平板流動腔系統(tǒng)輸入端相連，平行平板流動腔系統(tǒng)輸出端與下貯液槽相連，計算機定量調(diào)控電磁閥開放/關(guān)閉程度、頻率、開閉時間長短及閉合延遲時間，蠕動泵兩端分別連接下貯液槽和上貯液槽。
[0008]平行平板流動腔室可以采用的尺寸為:高度為0.02-0.025厘米，寬度為2.5-4厘米，長度為5-10厘米，橫截面樣式可以采用矩形。
[0009]本發(fā)明的上貯液槽與下貯液槽產(chǎn)生的液壓差為培養(yǎng)液進入平行平板流動腔系統(tǒng)提供驅(qū)動力，培養(yǎng)液經(jīng)過電磁閥，通過計算機控制系統(tǒng)定量調(diào)控電磁閥開放/關(guān)閉程度、開閉時間長短及閉合延遲時間可給平行平板流動腔系統(tǒng)輸入不同幅度的近生理脈動流量波形，另外通過調(diào)控電磁閥開/關(guān)的頻率可改變近生理脈動流量波形的頻率，進而在平行平板流動腔內(nèi)得到不同幅度和不同頻率的流量波形。
[0010]當電磁閥開啟時，電磁閥輸出的培養(yǎng)液沿著管道進入平行平板流動腔系統(tǒng)的兩條支路。流入各支路中的培養(yǎng)液一部分通過阻力閥流入下貯液槽，另一部分培養(yǎng)液由于受到阻力閥的阻力作用，使得管道培養(yǎng)液的壓強大于彈性腔內(nèi)氣體壓強，迫使培養(yǎng)液進入彈性腔內(nèi)。在此期間，平行平板流動腔內(nèi)保持前向脈動流。
[0011]當電磁閥閉合時，電磁閥輸入到各支路的培養(yǎng)液為零。各支路中的培養(yǎng)液一部分通過阻力閥流入下貯液槽，隨著支路中培養(yǎng)液的減少，各個彈性腔室內(nèi)的壓強逐漸大于支路中培養(yǎng)液壓強，驅(qū)動彈 性腔中培養(yǎng)液重新流入支路中。當系統(tǒng)中彈性腔A的順應性遠大于彈性腔B的順應性時，在電磁閥開啟時段，進入彈性腔A的培養(yǎng)液也遠大于進入彈性腔B的培養(yǎng)液，彈性腔A內(nèi)的壓強也遠大于彈性腔B內(nèi)的壓強；在電磁閥閉合后，由于彈性腔A與彈性腔B之間存在顯著的液壓差，從而驅(qū)使彈性腔A中的培養(yǎng)液，一部分通過阻力閥A流入下貯液槽，另一部分沿著彈性腔A、平行平板流動腔、彈性腔B和阻力閥B所組成的回路流入下貯液槽或彈性腔B，在此期間，平行平板流動腔內(nèi)會出現(xiàn)后向脈動流。
[0012]另外通過調(diào)節(jié)兩阻力閥的阻力之比可控制支路中培養(yǎng)液流入下貯液槽的流量比，也可控制平行平板流動腔內(nèi)輸出前向/后向脈動分量的脈動流。
[0013]圖2給出了圖1所示模擬系統(tǒng)的等效回路，等效回路滿足如下方程組:
【權(quán)利要求】
1.一種模擬振蕩血流剪切應力環(huán)境的平行平板流動腔系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)由兩個基本單元構(gòu)成: 第一個基本單元為模擬體內(nèi)振蕩剪切應力的平行平板流動腔系統(tǒng)，包括平行平板流動腔、彈性腔A、彈性腔B、阻力閥A和阻力閥B ;平行平板流動腔系統(tǒng)分為兩條支路，一條是由平行平板流動腔、彈性腔A和阻力閥A用硅膠管道連接組成的支路，另一條是由彈性腔B和阻力閥B用硅膠管道連接組成的支路； 第二個基本單元是為平行平板流動腔提供振蕩流的外圍設(shè)備，包括上貯液槽、電磁閥、計算機、下貯液槽和蠕動泵；其中，上貯液槽內(nèi)部容器與電磁閥相連，上貯液槽外部容器與下貯液槽直接相連，電磁閥與平行平板流動腔系統(tǒng)輸入端相連，平行平板流動腔系統(tǒng)輸出端與下貯液槽相連，計算機定量調(diào)控電磁閥開放/關(guān)閉程度、頻率、開閉時間長短及閉合延遲時間，蠕動泵兩端分別連接下貯液槽和上貯液槽。
2.如權(quán)利要求1所述的平行平板流動腔系統(tǒng)，其特征在于:平行平板流動腔的腔室尺寸為:高度0.02-0.025厘米、寬度2.5-4厘米、長度5_10厘米；彈性腔A和彈性腔B提供的順應性為O~10_3ml/pa,阻力閥A和阻力閥B提供的阻力值為O~107pa.s/ml。
3.如權(quán)利要求1或2所述的平行平板流動腔，其特征在于:所述的平行平板流動腔由上下兩塊平行的聚碳酸酯板和中間的硅膠墊構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1或2所述的平行平板流動腔系統(tǒng)，其特征在于:所述的彈性腔A和彈性腔B是由聚碳酸酯材料構(gòu)成的中空密封圓筒。
5.如權(quán)利要求3所述的平行平板流動腔系統(tǒng)，其特征在于:所述的彈性腔A和彈性腔B是由聚碳酸酯材料構(gòu)成的 中空密封圓筒。
【文檔編號】C12M1/36GK103881899SQ201410117574
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月27日
【發(fā)明者】覃開蓉, 侯杰, 鄭曉旭, 朱亞冰 申請人:大連理工大學