[发明专利]可施加电和剪切力刺激的具有微拓扑结构的平板流动腔

说明书

技术领域

本发明涉及一种平板流动腔，特别是可施加电和剪切力刺激的具有微拓扑结构的平板流动腔。 

背景技术

组织工程是根据细胞生物学和工程学的原理，结合种子细胞、生物支架材料和生长因子在体外/体内构建组织和器官，以维持、修复、再生或改善损伤组织和器官功能。复合种子细胞的生物支架材料是组织工程的核心，众多研究已表明基质微拓扑结构、电刺激和剪切力等均可调控细胞的粘附、增殖和分化等生物学功能，可促进种子细胞与支架材料的相互作用，调控细胞中细胞外基质的分泌。目前在组织工程中通常利用一种装置只能实现一种刺激方式。平板流动腔是体外对细胞施加流体剪切力刺激的主要装置。为了对细胞施加电刺激，可在流动腔中插入电极、安装导电玻璃等导电材料等来实现。 

但是细胞在组织体内很多情况下是同时受到基质微拓扑结构、电刺激和剪切力作用。以骨组织修复为例，骨骼基质形变引起的细胞间隙液流动所形成的流体剪切力是细胞所能感受到的主要应力，可影响多种种子细胞的增殖、分化、矿化等。活体组织器官内普遍存在内源性生理性电场，外源性的电场刺激也用于促进种子细胞增殖、分化以及与支架材料的粘附等。支架材料表面的拓扑结构会改变细胞表面的应力分布，从而改变细胞的形态，影响细胞的增殖、分化、定向、迁移及细胞骨架的排列能力。与此同时，细胞对不同因素刺激的响应并不单纯是单一因素影响的线性叠加，研究中不能仅用单一装置进行单 一因素的刺激，需要同时研究多种因素的协同作用。因此，急迫希望有一种装置能同时实现多种因素刺激，以方便观察和研究细胞对多种因素同时刺激的响应。然而目前还未见有流动腔在对细胞施加电和剪切力刺激的同时实现微拓扑结构调控。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种同时对细胞施加电和流体剪切力刺激的具有微拓扑结构的平板流动腔，不仅可以施加多个方向电和流体剪切力刺激，而且可对细胞施加微拓扑结构刺激。 

为解决上述技术问题，本发明的可施加电和剪切力刺激的具有微拓扑结构的平板流动腔包括三层平板和两层垫片，上平板设置有流体进出口，上垫片设置有导流槽，中平板设置矩形狭缝，下垫片设置有流动小室。培养液由上平板流体进口进入上垫片中三角形导流槽，使得流体充分发散并受到缓冲的作用有效的降低入口的扰流现象。充分发散的培养液由中平板上矩形狭缝进入流体小室。为保证流体流过流动小室时满足层流、二维流动、充分发散的流动，流动小室宽度和长度均应大大于流动小室厚度与放在其中的电极板的厚度之差。为进一步实现多方向的电刺激，所述中平板在位于流动小室上方设有电极板，下平板在位于流动小室下方放置具有微拓扑结构的电极板，流动小室四边分别放置一个电极。 

下平板上放置的电极板通过在固定于薄片上具有微拓扑结构的二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)膜上表衬石墨烯薄膜获得，石墨烯薄膜两端分别设置连接导线，可以加载电刺激同时施加微拓扑结构刺激，其中薄片由硅片或者玻片制得。此电极可以制备成厚度一致的平板，实现均一的流体剪切力作用；也可以制备成厚度均匀变化的楔形板，实现连续剪切力作用。根据需要微拓扑结构可为微沟槽阵列，也可为三角形、四边形、五边形、六边形或圆柱形等各类形 状的微凸台阵列。在进行流动腔实验时在石墨烯薄膜表面接种细胞，或者根据需要对石墨烯薄膜表面进行表衬再接种细胞。中平板上电极板通过胶粘在中平板上，其连接导线通过刻在中平板上的小槽引出，利用密封胶密封。中平板上电极板和流动小室四周电极板均可由石墨烯薄膜或铟锡氧化物导电玻璃或者铟锡氧化物导电膜或者银、金或铂等贵金属板制得。连接流动小室四周电极板的导线铺设在下垫片上刻的小槽，放置好导线后用密封胶密封。 

平板流动腔通过螺栓或者夹具装配好后，通过聚四氟乙烯导管与储液槽和蠕动泵构成一个的循环流动的体系。储液槽中的液体由蠕动泵泵出后，沿着导管流入平板流动腔，对电极板上的细胞施加剪切力作用，然后流出，沿着流出导管回到储液槽中。剪切力加载模式(连续、振荡或脉冲等)和强度均由蠕动泵控制。工作时，除蠕动泵以外，其他装置都放在培养箱内。通过信号发生器和稳压电源给各对电极或单一电极施加连续、振荡或脉冲等多种作用模式和强度的电刺激。电刺激时可以仅使用一个电极，也可使用一对电极，还可以同时使用多个电极。