[实用新型]应力可调控旋转式细胞/组织三维培养器

说明书

本实用新型涉及生物医学工程中组织医学工程技术中的细胞/组织培养器，特别是涉及一种具有应力可调控旋转式细胞/组织三维培养器。

细胞培养技术和装置的发展已有百余年历史，但是，90年代中期以前，医学界未能培养出具有与在体组织功能相同或相似的生物细胞/组织来。其主要原因是：不可避免的重力作用使得细胞(或微载体)沉降于培养器底部，这样细胞在培养器器壁之间的接触抑制使得所培养的细胞不能真正三维生长，从而限制了细胞功能分化，长不成所需要的组织。另外一般生物化学工程中使用的生物反应器，如借助于机械搅拌(包括实验室用的摇瓶、摇床等)或吹入气体引起强迫对流等方法避免培养物沉降，并改善x营养供应。这种方法在微生物培养(如抗生素生产)中是成功的，但对于哺乳动物细胞培养来说是不适宜的。因为：

(1)哺乳动物细胞培养比微生物‘娇嫩’得多，机械搅拌造成的流动剪切和直接作用很容易损伤乃至破坏细胞，造成坏死。

(2)机械搅拌造成的流动剪切使得细胞难以(甚至不能)聚集，而细胞聚集是从细胞培养成组织的第一步。

空间微重力环境为细胞三维生长创造了条件，美国宇航局(NASA)从80年代中期着手发展空间生物反应器，90年代初期发展了旋转式生物反应器(RWV)。在文献[1]Culturinga Future，Fall，1998，Microgravity News中有介绍；应用旋转式生物反应器在低剪应力条件下实现了细胞三维培养，并在1995、1997年两次航天飞机搭载实验中成功地培养出结肠癌等组织。经组织切片观察表明：它具有和在体组织相似的结构，而且其尺寸比用传统方法培养的组织大的多，达厘米量级。但是，该装置是在两个同步旋转的同心圆筒之间进行细胞培养，可以利用流体动力学效应，使细胞或微载体悬浮，进行三维培养，而且流动剪应力趋于零。

但从生物力学的观点来看，过分强调零剪应力对于培养功能高度分化的组织来说违背了生物力学的应力—生长适应性原理，因为(1)生物体内的器官和组织都是在一定力学环境里发挥其功能的，正常生物条件下，活体器官、组织内的应力(应变)分布应符合该组织、器官功能，而合理的应力分布是诱导细胞分化，长成具有和在体组织相同(或相似)功能的组织的重要条件。

(2)国外和我们关于流体动力对血管内皮细胞生长的影响的研究均表明，在培养细胞的过程中应力是调控细胞结构和功能(基因表达)的一个重要的因素。在细胞离体培养过程中，力学环境不仅影响细胞的聚集、粘附(细胞—细胞，细胞—基质表面等)，还影响其微结构和基因表达，进而影响细胞间通讯和功能分化。合理的力学环境将诱导、维持、促进并优化细胞的分化，形成一定的结构，长成具有特定功能的组织。

(3)实验表明：(i)细胞生长过程中必然在周围介质里造成应力(即细胞生长本身将改变自身的力学微环境)。(ii)细胞生长引起的应力导致周围生物大分子排列有序化，可见应力是细胞间通讯的重要内容，也是细胞功能分化、进行组织构建的一个重要的信号系统。

另外，以1997年进行的软骨培养实验为例，如表1所示，尽管地面上用RWV培养的关节软骨GAG的含量及集合强度与天然软骨无统计差异，但细胞含量及动力学刚度与天然软骨有显著差异。前者和软骨组织的活性密切相关，而后者则是关节软骨的功能的重要表征。关节软骨是承受动力学载荷的组织，故从生物力学观点来看，造成RWV系统培养的关节软骨和天然软骨这种重大差异的主要原因在于RWV系统中的应力不能满足诱导并节软骨功能分化的需要。