[发明专利]一种对细胞施加力学刺激的细胞培养装置

说明书

技术领域：

本发明属于用于生物医学领域的细胞培养装置，特别涉及一种对细胞施加力学刺激的细胞培养装置，该细胞培养装置为一种设有弹性膜的细胞培养装置，在弹性膜上贴壁生长单层细胞或黏附三维细胞培养块，伸缩该弹性膜即可拉伸或压缩在其上的单层细胞或三维细胞培养块。

背景技术

随着细胞生物学的发展，细胞微环境对细胞功能的影响越来越受到重视，特别是力学刺激对细胞的生理功能起着重要作用。为了在体外更好的模拟力学刺激的作用，科学家们研究设计了许多力学加载装置。Thomas D.Brown(Journal of Bi omechanics 33，3-14，2000)比较全面地综述了体外细胞力学加载技术。具体来讲，专利US5348879-A(Application of biaxialmechanical force to living cell culture-usesdispl acement actuatorto contact and stretch membrane on which cell culture is mounted，1994)发明了一种可以对培养在弹性膜上的细胞施加双轴力学刺激的装置，该装置中弹性膜周围被固定，弹性膜下面放置一个平台，该平台在动力驱动下向上推进使得弹性膜被拉伸。专利CN 101092595A(数控机械应变细胞加载实验机，2007)发明了一种对生长在弹性膜上的细胞施加力学刺激的装置，弹性膜下面有一个机械顶板，由机械顶板顶压弹性膜产生拉伸作用。这两种方法的缺点是弹性膜在拉伸过程中随着平台或顶板上下移动，很难对细胞进行实时观察。

专利US6107081-A( Unidirectional cell stretching device forstudying mechanical loading in human tissues comprises

Shu Chien研究组的Mohammad Sotoudeh等(Annals of BiomedicalEngineering，Vol.26，pp.181 189，1998)研究设计了一种机械驱动的力学加载装置，可以对弹性膜施加等轴拉伸刺激，其弹性膜放置在一个固定平台上的聚四氟乙烯环上，弹性膜周围用一个环形装置固定，环形固定装置和一个机械动力装置连接，控制机械动力装置作上下运动即可拉伸或压缩弹性膜，由于聚四氟乙烯环是固定的，在伸缩过程中弹性膜只在同一平面运动。专利US4839280-A(Apparatus for applying stress to cell cultures，1989)、US4789601-A(Polysiloxane compsn.surface modified to improvebiocompatibility-by incorporation of carbon，amine or carboxylicacid，esp.useful as cell culture substrates，1988)和US6048723-A(Flexible bottom culture plate for applying mechanical load to cellcult ures，2000)发明了一种负压驱动的力学加载装置，是一种以弹性膜为底面的培养皿，细胞贴壁生长在弹性膜上表面，培养皿底面(弹性膜)和其下的空腔形成了密封腔，施加负压即可使得弹性膜下降产生拉伸，从而对其上的细胞施加力学刺激。这个方案的缺点是形变过程中弹性膜上下移动，不保持在同一平面，不利于显微镜观察，而且弹性膜各个部分形变不均一。专利US 6472202-Bl(Loading station assembly and method for tissueengineering，2002)在此基础上进一步发展，在培养皿底面(弹性膜)之下的密封腔内放置一平台，平台上表面与弹性膜下表面接触，这样在施加负压时平台上面的弹性膜在该平台上表面上被拉伸，改变平台上表面的形状可以对弹性膜进行等轴或单轴拉伸，变换不同形状的平台可以对同一样品施加各种等轴或单轴不同方向的力学刺激。专利CN 1846606A(模拟关节腔复合机械应力细胞加载装置，2006)发明了可以对生长在弹性膜上的细胞施加多种力学刺激的装置，其弹性膜周围固定在一个机械平台上，由机械传动装置拉伸弹性膜。这些基于弹性膜的力学加载技术的一个共同的缺点就是：细胞生长的表面即弹性膜上表面下面有一个较高的平台，或弹性膜所在平面被周围的固定装置抬高(US6107081-A)，从而使得细胞离倒置显微镜的物镜距离较远，无法用高倍镜(如倒置显微镜的油镜等)实时观察力学刺激的同时活细胞的分子水平的动态变化。用这些装置的通常的实验方法是施加一段时间力学刺激后固定或者消化细胞，然后进行常规的生物化学分析。这种方式适合于研究细胞受力学刺激后长期的变化，但对于细胞短期的变化，如信号分子钙离子的动态极性分布，就需要能在分子水平进行活细胞实时动态监测，目前的这些方法很难满足这个需求。