專利名稱：模擬體內環境下可視化細胞精密拉伸裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種在模擬體內環境下可進行實時觀察的細胞精密拉伸加載裝 置，屬于細胞力學的技術領域。
背景技術：
力學刺激的生物學效應和它們的作用機制目前已在許多細胞類型和組織中開始 研究，這些研究結果已使人們對它們在細胞分化、基因表達、細胞和組織生長以及傷口愈合 的修復和功能整合中所起的作用，引起了重視。如周期性應變可影響細胞形態，導致細胞骨 架重排。不同的應力刺激可導致骨髓間充質干細胞分化方向改變，周期性加載可影響組織 工程軟骨中細胞增殖等。然而，對于機械應力是如何被細胞感受并傳遞至細胞內，最終導致 細胞發生一系列生物學效應的，其確切機制尚不清楚。因此，需要設計特定的體外力學加載實驗裝置使力學刺激作用于所培養的細胞， 觀察細胞受應力作用后的增殖、凋亡、分化，以及細胞力學特性、基因、蛋白和酶的表達等的 變化，該實驗方法是目前生物力學領域發展十分迅速的一種研究方法。但由于體內力學和 生物學環境異常復雜，人體細胞的大小在十幾到幾十個微米之間，細胞膜的厚度僅有幾個 納米到幾十個納米，因此，無法直接使用常規的宏觀力學加載方法和實驗技術；建立合適的 加載培養模型是細胞力學面臨的首要問題。為建立細胞加載力的合理方法，早在1939年，科學家就在體外培養細胞的力學加 載方面進行了開拓性的研究。經過多年改進和發展，已研制出多種體外培養細胞的力學加 載裝置。大致可分為單細胞加載裝置、壓力傳導加載裝置、離心力加載裝置、流體剪切力加 載裝置和基底形變加載裝置。基底形變加載技術開始于彈性細胞培養膜的問世。裝置的設計思路是以彈性膜作 為基底材料，通過將細胞種植于彈性膜上，由裝置產生可控制的運動使得彈性膜發生形變， 而培養在彈性膜表面上的細胞因基底的形變而受力，從而實現拉伸應力下細胞生長規律研 究的可能性。這種加載裝置的加力方式較為合適，且不限制實驗周期，是目前一種較為理想 的實驗裝置，可用于各種細胞的體外力學加載，主要用于研究牽張力對體外培養細胞增殖 和代謝等的影響。其加載技術主要有矩形基底拉伸、圓形基底拉伸等，其中圓形基底的拉伸 更為常見。現有的圓形基底拉伸裝置一般采用模擬電路進行控制，拉伸頻率、刺激大小范圍 有限，且裝置設計完成后，相關參數不易更改，適用面有限。從測量情況看，在IHz控制頻率 下，由于使用硅膠管內徑限制及蠕動泵本身參數影響，液體流量受到一定限制，膜難以達到 10%以上的伸長比。而非平面圓形基底延伸系統通過可變形的圓形基底的運動來施加應 變，Flexercell加載系統是這類非平面圓形基底延伸系統的典型，能夠提供較大范圍的應 變刺激；然而該裝置中，彈性基膜在不同位置的應變分布不均勻，這就給實驗結果分析帶來 了系統誤差。并且針對不同細胞所需研究的加載或為頻率拉伸或為連續拉伸，據此開發了 體內環境模擬可視化細胞精密拉伸裝置。
實用新型內容本實用新型的目的是針對現有細胞加載裝置的不足之處，提供一種計算機編程控 制的細胞拉伸加載裝置，具有在模擬體內環境下能實現連續拉伸，且拉伸范圍更大，細胞受 力均勻，能精確控制拉伸幅度和頻率，能夠對細胞生長情況進行實時觀察，同時也能對多張 基底膜進行拉伸。為實現以上的技術目的，本實用新型將采取以下的技術方案一種模擬體內環境下可視化細胞精密拉伸裝置，包括用于夾持基底膜的基底膜安 裝裝置、支座、用于拉動基底膜安裝裝置平行移動時間、頻率以及幅度的自動拉伸裝置、用 于實時觀察基底膜的可視化觀察裝置、培養池以及用于放置培養池的培養池安裝座，所述 基底膜安裝裝置包括固定桿和行程桿，所述固定桿和行程桿的相鄰端皆分別安裝基底膜夾 持器，基底膜夾持安裝在兩基底膜夾持器之間，且固定桿與支座固定連接，而行程桿則可水 平移動地支撐在支座上，同時行程桿與自動拉伸裝置的輸出端固定連接，另外，所述培養池 安裝座安裝在支座上，而培養池則置于培養池安裝座上，且培養池與固定桿和行程桿的連 線中心對齊，所述可視化觀察裝置包括CCD攝像頭以及與CCD攝像頭相連接的光纖，所述光 纖置于基底膜上方。進一步地，所述自動拉伸裝置包括拉伸儀以及用于控制拉伸儀的拉伸時間、拉伸 頻率以及拉伸幅度的控制器，所述拉伸儀包括壓電陶瓷電機，而控制器則基于Work bench V5界面建立。進一步地，所述支座包括水平放置的定位板以及固定地間隔安裝在該定位板上的 固定立架和滑動立架，所述固定桿與固定立架固定連接，行程桿可移動地支撐在滑動立架 上，而培養池安裝座則安裝在定位板上。 進一步地，所述行程桿包括第一行程桿分體和第二行程桿分體，所述第一行程桿 分體和第二行程桿分體通過固定連接件連接成一體，且第一行程桿分體架設在滑動立架 上，同時該第一行程桿分體的端部安裝基底膜夾持器，而第二行程桿分體則與自動拉伸裝 置連接，且第二行程桿上安裝有定位襯套。進一步地，所述基底膜夾持器，包括第一 U形板和第二 U形板，所述第一 U行板套 接在第二 U形板內，且第一 U行板和第二 U形板的封閉端皆呈平板設置，同時第一 U形板上 安裝有用于與行程桿連接的連接桿，另外所述第一 U行板和第二 U形板的敞口端皆呈外凸 緣設置，第一 U形板和第二 U形板通過連接在兩者凸緣端上的緊固件固緊連接，基底膜夾緊 在第一 U行板和第二 U形板的兩封閉端之間。進一步地，所述固定桿和行程桿分別通過止動螺釘安裝在固定立架和滑動立架 上。根據以上的技術方案，可以實現以下的有益效果1、本實用新型采用自動拉伸裝置拉動基底膜安裝裝置平行移動，并對該基底膜安 裝裝置的平行移動時間、頻率和幅度進行控制，即對夾持安裝在基底膜安裝裝置上的基底 膜進行拉伸時間、拉伸頻率和拉伸幅度的自動控制，同時可實現對細胞的連續拉伸。由此可 知，本實用新型即為動態軸向基底膜牽張系統，在基底膜彈性范圍以內，其應變是無限可調 的，適用范圍更廣。2、本實用新型還添加了可視化觀察裝置，該可視化觀察裝置通過與C⑶攝像頭相連的光纖，可在加載過程中進行定時、定點的觀察基底膜細胞的變化，而無需移動細胞培養 單元，避免了培養膜及細胞被污染的可能性。3、本實用新型在設計上考慮了體內環境模擬的問題，把細胞培養單元置于CO2培 養箱中進行實驗，以獲得更精準的實驗結果。在這一實驗方案下，還可把對照組一同放入培 養箱，使拉伸加載組處于相同的培養環境，滿足不同實驗需求。4、本實用新型還特別設計了基底膜夾持器，其最大的優點是可同時夾上幾張基底 膜，膜受力均勻且裝載方便，簡化了操作程序。本裝置結構簡單、價格便宜，可廣泛用作醫學 實驗儀器的細胞力學加載裝置，是在生物力學中對生物組織和細胞進行力學刺激響應研究 的理想加載裝置。
圖1為本實用新型的結構示意圖；圖2為細胞培養單元示意圖；其中，控制器1、導線2、拉伸儀3、行程桿4、第一行程桿分體41、第二行程桿分體 42、定位襯套5、固定螺釘6、滑動立架7、止動螺釘8、培養池9、基底膜夾持器10、培養池安 裝座11、固定桿12、固定立架13、定位板14、光纖15、(XD攝像頭16、細胞培養箱17、培養池 頂蓋18、基底膜19、培養液20、夾持器活動槽21。
具體實施方式
附圖非限制性地公開了本實用新型一個優選實施例的結構示意圖，以下將結合附 圖詳細地說明本實用新型的技術方案。如圖1和圖2所示，本實用新型所述的模擬體內環境下可視化細胞精密拉伸裝置， 包括用于夾持基底膜19的基底膜安裝裝置、支座、用于拉動基底膜安裝裝置平行移動時 間、頻率以及幅度的自動拉伸裝置、用于實時觀察基底膜19的可視化觀察裝置、培養池9以 及用于放置培養池9的培養池安裝座11，所述基底膜安裝裝置包括固定桿12和行程桿4， 所述固定桿12和行程桿4的相鄰端皆分別安裝基底膜夾持器10，基底膜夾持安裝在兩基 底膜夾持器10之間，且固定桿12與支座固定連接，而行程桿4則可水平移動地支撐在支座 上，因此，基底膜安裝裝置與支座形成穩固的剛性基礎，能保證拉伸過程的平穩，同時行程 桿4與自動拉伸裝置的輸出端固定連接，所述自動拉伸裝置包括拉伸儀3以及用于控制拉 伸儀3的拉伸時間、拉伸頻率以及拉伸幅度的控制器1，所述拉伸儀3包括壓電陶瓷電機， 而控制器1則基于Work bench V5界面建立，因此，本實用新型通過計算機編程可實現對細 胞的連續拉伸，行程桿4在拉伸儀3的驅動下可在水平方向上來回移動，即行程桿4將拉伸 儀3的動力傳遞給夾持拉伸膜的細胞培養單元作水平直線運動，以便對附著的細胞進行加 載拉伸，另外，所述培養池安裝座11安裝在支座上，而培養池9則置于培養池安裝座11上， 且培養池9與固定桿12和行程桿4的連線中心對齊，所述可視化觀察裝置包括CXD攝像頭 16以及與CXD攝像頭16相連接的光纖15，所述光纖15置于基底膜19上方。所述支座包括水平放置的定位板14以及固定地間隔安裝在該定位板14上的固定 立架13和滑動立架7，所述固定桿12與固定立架13固定連接，行程桿4可移動地支撐在滑 動立架7上，而培養池安裝座11則安裝在定位板14上。[0025]所述培養池安裝座11通過一實驗用機械升降臺支撐在支座上。即本實用新型所 述的培養池安裝座11高度可調節，有效地保證了本實用新型的普適性。所述行程桿4包括第一行程桿分體和第二行程桿分體，所述第一行程桿分體和第 二行程桿分體通過固定連接件連接成一體，且第一行程桿分體架設在滑動立架7上，同時 該第一行程桿分體的端部安裝基底膜夾持器10，而第二行程桿分體則與自動拉伸裝置連 接，且第二行程桿4上安裝有定位襯套5。所述基底膜夾持器10，包括第一 U形板和第二 U形板，所述第一 U行板套接在第二 U形板內，且第一 U行板和第二 U形板的封閉端皆呈平板設置，同時第一 U形板上安裝有用 于與行程桿4連接的連接桿，連接桿穿過培養池頂蓋18后與行程桿4連接，培養池頂蓋18 由兩分體形成，即連接桿可以隨著行程桿4的移動在培養池頂蓋18的兩分體之間平移，相 當于培養池頂蓋18的兩分體之間間隙形成夾持器活動槽21，另外所述第一 U行板和第二 U 形板的敞口端皆呈外凸緣設置，使得第一 U形板和第二 U形板通過連接在兩者凸緣端上的 緊固件固緊連接，基底膜19夾緊在第一 U行板和第二 U形板的兩封閉端之間。因此，與現 有技術中，直接將基底膜19放置在平臺上相比，本實用新型所述的基底膜夾持器10可以同 時夾持幾張基底膜19，而且每一張基地膜受力均勻且裝載方便，簡化了操作程序。所述固定桿12通過止動螺釘8安裝在固定立架13上，同時行程桿4也是通過止 動螺釘8定位安裝在滑動立架7上，因此，在豎直方向上，可通過止動螺釘8的調節，使得行 程桿4在滑動立架7上移動定位，而固定桿12則在固定立架13上移動定位。因此，本實用新型所述的模擬體內環境下可視化細胞精密拉伸裝置主要包括控制 系統、機械系統、實時觀察系統。控制系統采用計算機控制，通過編程控制拉伸儀3的拉伸 頻率、拉伸幅度、拉伸時間。機械系統主要由拉伸儀3、行程桿4、滑動立架7、固定桿12、固 定立架13、定位板14和細胞培養單元構成。實時觀察系統為CXD攝像頭16，其上連接光纖 15。控制系統設置在滑動立架7外，拉伸儀3固接在滑動立架7的一端，控制系統和拉伸儀 3之間通過導線2連接。拉伸儀3是動力裝置與行程桿4相連，行程桿4將拉伸儀3的動力 傳遞給夾持拉伸膜的細胞培養單元作水平直線運動，以便對附著的細胞進行加載拉伸。行 程桿4的一端與拉伸儀3輸出軸固定連接，另一端與定位襯套5固接。行程桿4的另一端穿 過定位襯套5架搭在滑動立架7上，連接基底膜夾持器10。行程桿4在拉伸儀3的驅動下 可在水平方向上來回移動，在豎直方向上可通過止動螺釘8在滑動立架7上移動定位。固 定桿12與固定立架13相連，在豎直方向上可通過止動螺釘8在固定立架13上移動定位。 滑動立架7與固定立架13的兩端分別通過固定螺釘6與定位板14固定連接。因此，固定 桿12、行程桿4、固定立架13、滑動立架7與定位板14構成穩固的剛性基礎，能保證拉伸過 程的平穩。附著有細胞的基底膜19的一端通過夾持器與固定桿12連接，另一端通過基底 膜夾持器10與行程桿4連接，在基底膜19下方的高度可調的培養池安裝座11上放置有半 密閉培養池9，該半密閉培養池9上安裝有培養池頂蓋18。附著有細胞的培養膜通過滑動 立架7，在動力系統的作用下由行程桿4進行單向拉伸，并通過擰下固定螺釘6可方便地從 機架上拆下拉伸運動部分進行顯微觀察。也可通過懸于培養皿上方與CXD攝像頭16相連 的光纖15進行顯微觀察，以了解細胞的生長情況。在整個裝置中除拉伸儀3外的機械系統 及實時觀察系統均置于細胞培養箱17中。培養時，把細胞培養單元置于CO2培養箱中、夾持有基底膜19的基底膜夾持器10浸于培養液20中進行實驗，以模擬體內環境，獲得更精準的實驗結果。在這一實驗方案下， 還可把對照組一同放入所述的CO2培養箱，使拉伸加載組處于相同的培養環境，滿足不同實 驗需求。
權利要求一種模擬體內環境下可視化細胞精密拉伸裝置，其特征在于，包括用于夾持基底膜的基底膜安裝裝置、支座、用于拉動基底膜安裝裝置平行移動時間、頻率以及幅度的自動拉伸裝置、用于實時觀察基底膜的可視化觀察裝置、培養池以及用于放置培養池的培養池安裝座，所述基底膜安裝裝置包括固定桿和行程桿，所述固定桿和行程桿的相鄰端皆分別安裝基底膜夾持器，基底膜夾持安裝在兩基底膜夾持器之間，且固定桿與支座固定連接，而行程桿則可水平移動地支撐在支座上，同時行程桿與自動拉伸裝置的輸出端固定連接，另外，所述培養池安裝座安裝在支座上，而培養池則置于培養池安裝座上，且培養池與固定桿和行程桿的連線中心對齊，所述可視化觀察裝置包括CCD攝像頭以及與CCD攝像頭相連接的光纖，所述光纖置于基底膜上方。
2.根據權利要求1所述模擬體內環境下可視化細胞精密拉伸裝置，其特征在于，所述 自動拉伸裝置包括拉伸儀以及用于控制拉伸儀的拉伸時間、拉伸頻率以及拉伸幅度的控制 器，所述拉伸儀包括壓電陶瓷電機，而控制器則基于Work bench V5界面建立。
3.根據權利要求1所述模擬體內環境下可視化細胞精密拉伸裝置，其特征在于，所述 支座包括水平放置的定位板以及固定地間隔安裝在該定位板上的固定立架和滑動立架，所 述固定桿與固定立架固定連接，行程桿可移動地支撐在滑動立架上，而培養池安裝座則安 裝在定位板上。
4.根據權利要求3所述模擬體內環境下可視化細胞精密拉伸裝置，其特征在于，所述 行程桿包括第一行程桿分體和第二行程桿分體，所述第一行程桿分體和第二行程桿分體通 過固定連接件連接成一體，且第一行程桿分體架設在滑動立架上，同時該第一行程桿分體 的端部安裝基底膜夾持器，而第二行程桿分體則與自動拉伸裝置連接，且第二行程桿上安 裝有定位襯套。
5.根據權利要求1所述模擬體內環境下可視化細胞精密拉伸裝置，其特征在于，所述 基底膜夾持器，包括第一 U形板和第二 U形板，所述第一 U行板套接在第二 U形板內，且第一U行板和第二 U形板的封閉端皆呈平板設置，同時第一 U形板上安裝有用于與行程桿連 接的連接桿，另外所述第一 U行板和第二 U形板的敞口端皆呈外凸緣設置，第一 U形板和第二U形板通過連接在兩者凸緣端上的緊固件固緊連接，基底膜夾緊在第一 U行板和第二 U 形板的兩封閉端之間。
6.根據權利要求1所述模擬體內環境下可視化細胞精密拉伸裝置，其特征在于，所述 固定桿和行程桿分別通過止動螺釘安裝在固定立架和滑動立架上。
專利摘要本實用新型公開了一種模擬體內環境下可視化細胞精密拉伸裝置，涉及醫學實驗儀器中的細胞力學加載裝置，包括用于夾持基底膜的基底膜安裝裝置、支座、用于拉動基底膜安裝裝置平行移動時間、頻率以及幅度的自動拉伸裝置、用于實時觀察基底膜的可視化觀察裝置、培養池以及用于放置培養池的培養池安裝座，由于本實用新型自動拉伸裝置具有通過計算機編程可實現對細胞的連續拉伸，拉伸精密度高、范圍大，可在加載過程中實時觀察細胞的變化及模擬體內環境，基底膜夾持器可同時夾持幾張基底膜等特點。所以本實用新型可廣泛用作醫學實驗儀器的細胞力學加載裝置，是在生物力學中對生物組織和細胞進行力學刺激響應研究的理想加載裝置。
文檔編號C12M1/00GK201737929SQ20102025389
公開日2011年2月9日 申請日期2010年7月9日 優先權日2010年7月9日
發明者馮章啟, 田甜, 顧忠澤 申請人:東南大學