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CN110305787A - 一种体内力学环境模拟装置 - Google Patents

一种体内力学环境模拟装置 Download PDF

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CN110305787A
CN110305787A CN201810256432.7A CN201810256432A CN110305787A CN 110305787 A CN110305787 A CN 110305787A CN 201810256432 A CN201810256432 A CN 201810256432A CN 110305787 A CN110305787 A CN 110305787A
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CN
China
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cell culture
micro
culture medium
piezoelectric ceramic
lower substrate
Prior art date
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Pending
Application number
CN201810256432.7A
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English (en)
Inventor
刘畅
吴芃
张洪波
秦玉杰
戴友洵
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East China University of Science and Technology
Original Assignee
East China University of Science and Technology
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M35/00—Means for application of stress for stimulating the growth of microorganisms or the generation of fermentation or metabolic products; Means for electroporation or cell fusion
    • C12M35/04—Mechanical means, e.g. sonic waves, stretching forces, pressure or shear stimuli
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/48—Automatic or computerized control

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Abstract

本发明提供一种体内力学环境模拟装置，包括：一细胞培养基存储腔，用于存储细胞培养基；一细胞培养装置，具有一培养基入口和一培养基出口；所述培养基入口通过一蠕动泵与所述细胞培养基存储腔流体连接，所述培养基出口与所述细胞培养基存储腔流体连接，形成循环通路；其中，所述细胞培养装置内设置一压电陶瓷片，所述压电陶瓷片与一信号发生装置导电连接，通过所述信号发生装置控制所述压电陶瓷片的振幅和频率。

Description

一种体内力学环境模拟装置
技术领域
本发明涉及细胞培养领域，尤其是一种用于细胞培养的体内力学环境模拟装置。
背景技术
细胞培养中，细胞的受力状态对于体外培养组织至关重要，目前认为生物体内如骨关节组织受到交变的正压力和体液流动时的剪切力，几乎所有的管状系统，如：动脉、静脉等系统中都存在着两种力。
传统的微流道力学环境设计，通常是通过弹性膜对细胞施加压力来模拟单方向的正应力，无法控制受力的频率，同时无法定量研究细胞受力情况对细胞生长及分化的影响。
因此，需要一种新的体内力学环境模拟装置，以解决上述问题。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种体内力学环境模拟装置，通过控制压电陶瓷片的振幅和频率，在细胞培养装置的流道中产生与人体体内类似的力，使得细胞能更快更好地在细胞液内生长和存活。
为解决上述问题，本发明提供一种体内力学环境模拟装置，包括：一细胞培养基存储腔，用于存储细胞培养基；一细胞培养装置，具有一培养基入口和一培养基出口；所述培养基入口通过一蠕动泵与所述细胞培养基存储腔流体连接，所述培养基出口与所述细胞培养基存储腔流体连接，形成循环通路；其中，所述细胞培养装置内设置一压电陶瓷片，所述压电陶瓷片与一信号发生装置导电连接，通过所述信号发生装置控制所述压电陶瓷片的振幅和频率。
本领域技术人员可以理解的是，所述压电陶瓷片及所述信号发生装置是本领域已知的市售商品。
在本发明一实施例中，所述细胞培养装置包括：相对设置的一上基板和一下基板，以及，一微流道芯片，所述微流道芯片夹设于所述上基板与下基板之间；其中，所述下基板上固定设置所述压电陶瓷片，使得所述压电陶瓷片与所述微流道芯片相接触。
在本发明一实施例中，所述微流道芯片包括：一微流道结构板，所述微流道结构板上形成内凹的微流道结构，并且所述微流道结构具有一流体输入端和一流体输出端；以及，一上盖板，所述上盖板覆盖于所述微流道结构板之上，并且，所述上盖板在对应于所述流体输入端与所述流体输出端处分别具有一贯穿孔，以形成所述细胞培养装置的所述培养基入口及所述培养基出口。
本领域技术人员可以理解的是，所述微流道结构可以根据实际需要进行设计并成型。
在本发明一实施例中，所述下基板上还固定设置至少一应变片，所述应变片设置于所述微流道芯片内。本领域技术人员可以理解的是，所述应变片是本领域已知的市售商品。
在本发明一实施例中，所述上基板与所述下基板通过螺栓固定连接。
在本发明一实施例中，所述培养基入口通过聚乙烯管与所述蠕动泵流体连接，所述蠕动泵通过聚乙烯管与所述细胞培养基存储腔流体连接，并且，所述培养基出口通过聚乙烯管与所述细胞培养基存储腔流体连接。
在本发明一实施例中，所述应变片与一数据分析装置导电连接，用于接收并处理所述应变片的测量数据。
在本发明一实施例中，所述数据分析装置为一数据采集卡。
在本发明的所述体内力学环境模拟装置中，通过微流道芯片作为细胞培养系统，通过控制所述压电陶瓷应变片的振幅和频率，以对细胞施加适当的剪切力和正应力，实现仿真人体腔体内体液流动及受力情况。同时，通过所述应变片实时检测细胞培养装置的实际受到的剪切力和正应力，以便进行调整。因而，本发明所述的体内力学环境模拟装置创造了一个更有利于细胞生长的环境，为细胞研究的进一步发展提供了基础。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1.本发明所述的体内力学环境模拟装置具有装置小、剂量小、反应灵敏等特点；
2.发明所述的体内力学环境模拟装置可以通过电压大小来量化力学模拟量，具有模拟数据精确，可调区间精细，调节范围大等特点；
3.发明所述的体内力学环境模拟装置中所述压电陶瓷片的电压频率可调，给予了不同脉动环境下的测量可能性；
4.本发明所述的体内力学环境模拟装置与传统的静态培养相比，具有培养环境更真实、流速可控且力学条件可控等优点；
5.本发明所述的体内力学环境模拟装置与传统的负压式动态培养相比，具有结构更简单、操作方便、并可实现力学模拟半自动化控制等优点。
附图说明
图1为本发明一实施例的一种体内力学环境模拟装置的结构示意图；
图2是所述体内力学环境模拟装置的所述细胞培养装置的爆炸图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，证明本发明可以实施，所述实施例可以向本领域中的技术人员完整介绍本发明，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
如图1所示的，在本发明中提供一种体内力学环境模拟装置100，包括：一细胞培养基存储腔200，一细胞培养装置300和一蠕动泵400。如图所示的，所述细胞培养基存储腔200、所述细胞培养装置300和所述蠕动泵400通过聚乙烯管形成循环通路，使得通过所述蠕动泵400驱动所述细胞培养基存储腔200内的细胞培养基在所述循环通路内流动。
以下结合图2详细描述所述细胞培养装置300的结构。
如图2所示的，所述细胞培养装置300包括相对设置的一上基板310、一下基板320以及夹设于所述上基板310与下基板320之间的一微流道芯片330。在所述下基板320上固定设置所述压电陶瓷片321，使得所述压电陶瓷片321与所述微流道芯片330相接触。所述压电陶瓷片321与一信号发生装置340导电连接，通过所述信号发生装置340控制所述压电陶瓷片321的振幅和频率。所述压电陶瓷片321及所述信号发生装置340均为本领域已知的市售商品。
如图2所示的，所述微流道芯片330包括：一微流道结构板331和一上盖板332，所述微流道结构板331上形成内凹的微流道结构，而所述上盖板332覆盖于所述微流道结构板331之上，以形成所述微流道结构的内腔。
本领域技术人员可以理解的是，所述微流道芯片330的所述微流道结构可以根据实际需要进行设计并成型，在本实施例中，所述微流道芯片330以如图2形式构成，但不限于此。
如图2所示的，所述微流道结构为阶梯型圆柱体空腔，包括：一第一圆柱体空腔333、一第二圆柱体空腔334、一细胞支架空腔335、一第四圆柱体空腔336和一第五圆柱体空腔337。其中，所述第一圆柱体空腔333和所述第五圆柱体空腔337长10mm，直径4mm。所述第二圆柱体空腔334和第四圆柱体空腔336长5.5mm，直径5mm。所述细胞支架空腔335长14.5mm，直径6.5mm。
所述微流道结构已任何已知的方式成型，例如，将设计好的流道用abs材料和无影胶在载玻片上呈现出来，经过紫外光照固定，然后用10:1的配比制作PDMS材料，再浇筑上去，利用真空泵抽真空，将PDMS材料里的气泡抽出，最后在加热台上加热，凝固成型。
如图2所示的，所述上盖板具有两个贯穿孔，通过分别插入管道以形成所述细胞培养装置300的培养基入口301及培养基出口302。
如图2所示的，一应变片(图中未标号)可以设置于所述微流道芯片330的所述微流道结构内，用于检测微流道芯片330的实际受力情况。如图1所示的，所述应变片可以与一诸如数据采集卡的数据分析装置500导电连接，用于接收并处理所述应变片的测量数据，并可以进一步连接一计算机600，用于显示分析并储存测量数据。
在本发明的所述体内力学环境模拟装置中，通过微流道芯片作为细胞培养系统，通过控制所述压电陶瓷应变片的振幅和频率，以对细胞施加适当的剪切力和正应力，实现仿真人体腔体内体液流动及受力情况。同时，通过所述应变片实时检测细胞培养装置的实际受到的剪切力和正应力，以便进行调整。因而，本发明所述的体内力学环境模拟装置创造了一个更有利于细胞生长的环境，为细胞研究的进一步发展提供了基础。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种体内力学环境模拟装置，包括：
一细胞培养基存储腔，用于存储细胞培养基；
一细胞培养装置，具有一培养基入口和一培养基出口；所述培养基入口通过一蠕动泵与所述细胞培养基存储腔流体连接，所述培养基出口与所述细胞培养基存储腔流体连接，形成循环通路；其中，
所述细胞培养装置内设置一压电陶瓷片，所述压电陶瓷片与一信号发生装置导电连接，通过所述信号发生装置控制所述压电陶瓷片的振幅和频率。
2.如权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述细胞培养装置包括：
相对设置的一上基板和一下基板，以及，
一微流道芯片，所述微流道芯片夹设于所述上基板与下基板之间；其中，
所述下基板上固定设置所述压电陶瓷片，使得所述压电陶瓷片与所述微流道芯片相接触。
3.如权利要求2所述的模拟装置，其特征在于，所述微流道芯片包括：
一微流道结构板，所述微流道结构板上形成内凹的微流道结构，并且所述微流道结构具有一流体输入端和一流体输出端；以及，
一上盖板，所述上盖板覆盖于所述微流道结构板之上，并且，所述上盖板在对应于所述流体输入端与所述流体输出端处分别具有一贯穿孔，以形成所述细胞培养装置的所述培养基入口及所述培养基出口。
4.如权利要求3所述的模拟装置，其特征在于，所述下基板上还固定设置至少一应变片，所述应变片设置于所述微流道芯片内。
5.如权利要求3所述的模拟装置，其特征在于，所述上基板与所述下基板通过螺栓固定连接。
6.如权利要求3所述的模拟装置，其特征在于，所述培养基入口通过聚乙烯管与所述蠕动泵流体连接，所述蠕动泵通过聚乙烯管与所述细胞培养基存储腔流体连接，并且，所述培养基出口通过聚乙烯管与所述细胞培养基存储腔流体连接。
7.如权利要求4所述的模拟装置，其特征在于，所述应变片与一数据分析装置导电连接，用于接收并处理所述应变片的测量数据。
8.如权利要求7所述的模拟装置，其特征在于，所述数据分析装置为一数据采集卡。
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