[发明专利]模拟体内环境下可视化细胞精密拉伸装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种在模拟体内环境下可进行实时观察的细胞精密拉伸加载装置，属于细胞力学的技术领域。

背景技术

力学刺激的生物学效应和它们的作用机制目前已在许多细胞类型和组织中开始研究，这些研究结果已使人们对它们在细胞分化、基因表达、细胞和组织生长以及伤口愈合的修复和功能整合中所起的作用，引起了重视。如周期性应变可影响细胞形态，导致细胞骨架重排。不同的应力刺激可导致骨髓间充质干细胞分化方向改变，周期性加载可影响组织工程软骨中细胞增殖等。然而，对于机械应力是如何被细胞感受并传递至细胞内，最终导致细胞发生一系列生物学效应的，其确切机制尚不清楚。

因此，需要设计特定的体外力学加载实验装置使力学刺激作用于所培养的细胞，观察细胞受应力作用后的增殖、凋亡、分化，以及细胞力学特性、基因、蛋白和酶的表达等的变化，该实验方法是目前生物力学领域发展十分迅速的一种研究方法。但由于体内力学和生物学环境异常复杂，人体细胞的大小在十几到几十个微米之间，细胞膜的厚度仅有几个纳米到几十个纳米，因此，无法直接使用常规的宏观力学加载方法和实验技术；建立合适的加载培养模型是细胞力学面临的首要问题。

为建立细胞加载力的合理方法，早在1939年，科学家就在体外培养细胞的力学加载方面进行了开拓性的研究。经过多年改进和发展，已研制出多种体外培养细胞的力学加载装置。大致可分为单细胞加载装置、压力传导加载装置、离心力加载装置、流体剪切力加载装置和基底形变加载装置。

基底形变加载技术开始于弹性细胞培养膜的问世。装置的设计思路是以弹性膜作为基底材料，通过将细胞种植于弹性膜上，由装置产生可控制的运动使得弹性膜发生形变，而培养在弹性膜表面上的细胞因基底的形变而受力，从而实现拉伸应力下细胞生长规律研究的可能性。这种加载装置的加力方式较为合适，且不限制实验周期，是目前一种较为理想的实验装置，可用于各种细胞的体外力学加载，主要用于研究牵张力对体外培养细胞增殖和代谢等的影响。其加载技术主要有矩形基底拉伸、圆形基底拉伸等，其中圆形基底的拉伸更为常见。现有的圆形基底拉伸装置一般采用模拟电路进行控制，拉伸频率、刺激大小范围有限，且装置设计完成后，相关参数不易更改，适用面有限。从测量情况看，在1Hz控制频率下，由于使用硅胶管内径限制及蠕动泵本身参数影响，液体流量受到一定限制，膜难以达到10％以上的伸长比。而非平面圆形基底延伸系统通过可变形的圆形基底的运动来施加应变，Flexercell加载系统是这类非平面圆形基底延伸系统的典型，能够提供较大范围的应变刺激；然而该装置中，弹性基膜在不同位置的应变分布不均匀，这就给实验结果分析带来了系统误差。并且针对不同细胞所需研究的加载或为频率拉伸或为连续拉伸，据此开发了体内环境模拟可视化细胞精密拉伸装置。

发明内容

本发明的目的是针对现有细胞加载装置的不足之处，提供一种计算机编程控制的细胞拉伸加载装置，具有在模拟体内环境下能实现连续拉伸，且拉伸范围更大，细胞受力均匀，能精确控制拉伸幅度和频率，能够对细胞生长情况进行实时观察，同时也能对多张基底膜进行拉伸。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：

一种模拟体内环境下可视化细胞精密拉伸装置，包括用于夹持基底膜的基底膜安装装置、支座、用于拉动基底膜安装装置平行移动时间、频率以及幅度的自动拉伸装置、用于实时观察基底膜的可视化观察装置、培养池以及用于放置培养池的培养池安装座，所述基底膜安装装置包括固定杆和行程杆，所述固定杆和行程杆的相邻端皆分别安装基底膜夹持器，基底膜夹持安装在两基底膜夹持器之间，且固定杆与支座固定连接，而行程杆则可水平移动地支撑在支座上，同时行程杆与自动拉伸装置的输出端固定连接，另外，所述培养池安装座安装在支座上，而培养池则置于培养池安装座上，且培养池与固定杆和行程杆的连线中心对齐，所述可视化观察装置包括CCD摄像头以及与CCD摄像头相连接的光纤，所述光纤置于基底膜上方。

进一步地，所述自动拉伸装置包括拉伸仪以及用于控制拉伸仪的拉伸时间、拉伸频率以及拉伸幅度的控制器，所述拉伸仪包括压电陶瓷电机，而控制器则基于Work bench V5界面建立。

进一步地，所述支座包括水平放置的定位板以及固定地间隔安装在该定位板上的固定立架和滑动立架，所述固定杆与固定立架固定连接，行程杆可移动地支撑在滑动立架上，而培养池安装座则安装在定位板上。