[发明专利]用于细胞三维灌流拉伸压缩培养的生物力学系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物力学的细胞培养系统，具体的讲，用于对三维生物弹性支架中细胞的灌流拉伸或压缩培养试验，探索细胞力学—生物学耦合规律。 

背景技术

作为生命体基本单元的细胞，一直处在复杂的三维力学环境中。力学刺激如何调控细胞骨架，细胞形态，细胞的增殖、分化等的机制尚不明确。研究表明，影响骨髓间充质干细胞的增殖、分化的力学因素主要有牵张应变、剪切应力、压应力、重力等。由于真实生物体内环境复杂，因此在体外进行细胞的分离、培养及力学实验是生物力学领域重要的研究方法。为考察力学刺激对细胞的影响，需要在三维环境的培养过程中施加力学刺激，研究力学信号对细胞的调控机制。 

目前，通常用于生物力学实验的力学刺激主要加载系统有四点弯曲、轴向牵拉、真空作用模型及Flexercell加载系统，这些加载系统主要针对二维膜结构的培养基，通常依靠加载频率及形变量调控力学刺激，对于三维材料的细胞培养并施加载荷的方法和装置还不常见。装置设计的难点在于，如何在三维系统中培养细胞并加以灌流拉伸/压缩。 

发明内容

本发明的目的是针对目前细胞培养及力学加载装置上的不足之处，提出一种三维灌流拉伸或压缩培养的生物力学系统，观察三维环境中灌流拉伸或压缩力学刺激对细胞生长影响的定量化研究，探索细胞力学—生物学耦合规 律。 

为了解决上述问题，本发明提供一种用于细胞三维灌流拉伸压缩培养的生物力学系统，包括： 

细胞生物支架，用于模拟人体细胞真实的三维生长环境； 

生物反应器，设有夹持所述细胞生物支架的夹具及容纳所述细胞生物支架的腔体； 

蠕动泵，用于带动细胞培养液进入所述生物反应器进行灌流； 

施加载荷装置，用于对键合的所述生物反应器中的夹具提供周期性往复牵拉，进而对细胞施加拉伸或压缩力学刺激； 

控制模块，与计算机相连，对所述施加载荷装置进行控制，调节样品长度、拉伸比、往返频率及往返次数。 

进一步，所述细胞生物支架为弹性多孔结构，孔径均一、贯通性好；具有良好的生物相容性或生物惰性，对细胞无毒无害；具备一定的机械强度，使其能够在力的作用下不至于发生破坏，维持细胞所需要的空间环境；具备一定的结构变形和恢复能力。 

进一步，所述生物反应器材质为生物相容性良好的刚性塑料，由两个生物容器和弹性支架夹具组成，所述生物容器上有溶液进出口，通过相应硅胶管与装有细胞培养液的蓝口瓶相连，在所述蠕动泵作用下形成灌流的循环回路。 

进一步，所述生物容器包括： 

第一弹性夹持，上端设计有与施力装置键合的部件，下端具有内螺纹； 

第二弹性夹持，两端具有外螺纹，内部为空腔，侧壁具有溶液出入口； 

第一弹性紧固件与第二弹性紧固件，所述第一弹性紧固件与第二弹性紧固件可拼接成一个圆环，所述圆环端面设有螺纹孔； 

第三弹性夹持，为具有中心圆孔的端盖形状，具有内螺纹； 

所述第一弹性紧固件与第二弹性紧固件固定在第二弹性夹持一边端面上，且所述第一弹性夹持与所述第三弹性夹持可分别旋合到所述第二弹性夹 持两端。 

进一步，所述弹性支架夹具形状为哑铃状，内部中空，用于放置所述细胞生物支架；所述弹性支架夹具材料具有良好弹性的同时，具有很好的生物惰性，对细胞无毒；所述弹性支架夹具内部腔壁与所述细胞生物支架固化在一起。 

进一步，所述施加载荷装置包括电机、电机固定法兰、轴联器、滑动轴承、铜滑块、活动头、光滑导轨、丝杠、导轨支撑、支撑板；所述电机通过轴联器带动所述丝杠旋转，所述活动头在丝杠和光滑导轨上做水平方向运动；所述施加载荷装置由所述电机固定法兰和导轨支撑安放于所述支撑板上，所述支撑板中部掏空，便于安装生物反应器。 

进一步，所述光滑导轨上设一滑动轴承，用于保证在拉伸或压缩过程中，增加水平方向的运动稳定性；在拉伸过程中，电机转速可调，可以实现不同拉伸频率下的拉伸试验。 

进一步，通过销钉将所述生物反应器固定在所述活动头和导轨支撑之间。 

进一步，所述控制模块在实验室虚拟工作平台LabVIEW中运行，先选择匹配的串口名称，根据需要定量调节样品长度、拉伸比、往返频率及往返次数；“开始”、“停止”键控制装置的启动及停止；所述蠕动泵蠕动频率可控制灌流流速，流速用流量计测得。 

相对于现有技术，本发明具有下列技术效果：