[发明专利]一种剪切力-电联合刺激的细胞培养装置

说明书

技术领域

本发明涉及细胞工程和组织工程领域，特别是将力学环境与电学环境联合作用于细胞的培养装置。

背景技术

在组织工程中，细胞、组织的体外功能化培养已成为组织工程的核心，也是形成组织工程产业的必要技术基础。而提供与体内细胞生存条件相近似的体外生长环境，对于细胞、组织的三维培养和功能化至关重要。其中，力场、电场等物理影响因子在其中起着不可忽视的作用。

力学环境对器官、组织、细胞甚至亚细胞等各个层次的生命活动都有重要的影响。如血流产生的剪切力，直接作用于内皮细胞，对内皮细胞形态、结构和功能均产生影响，有别于静态培养情况。内皮细胞在剪切力作用下细胞面积和长轴逐渐增加，长轴沿流向排列，内皮细胞在形态学上的变化与剪切力大小和持续时间有关；内皮细胞在受剪切力后，血管舒张因子(前列腺环素、一氧化氮)和血管收缩因子(内皮素-1)的合成和分泌都发生一定的改变，也同样能使血管某些蛋白的基因表达增加，如黏附分子、生长因子、细胞活素等；剪切力能激活内皮细胞整合素、钾离子、钙离子通道等将机械信号转化为生化信号，从而促进内皮细胞黏附及分泌功能等；不同类型剪切力对内皮细胞增殖的影响也不同，层流及脉动流剪切力会抑制内皮细胞的增殖，而往复流剪切力或带梯度剪切力会促进内皮细胞增殖；剪切力能够诱导人内皮细胞凋亡抑制蛋白(IAP-1和IAP-2)表达，从而抑制内皮细胞凋亡发挥抗动脉粥样硬化作用。细胞间隙液流体剪切力可有助于骨细胞感知细胞周围机械环境变化，在机械力信号传导中发挥重要的作用，从而影响骨细胞活化、骨细胞矿物动态平衡和矿化等。剪切力可调节成骨细胞的增殖、分化、矿化，这种调节表现出对剪切力大小的依赖性。低剪切力可激活血管平滑肌细胞的C-fos和C-myc基因，调节转录，从而调节剪切力-血管平滑肌细胞的信号转导通路，进而影响血管平滑肌细胞的增殖和凋亡。

除了复杂的力学环境，电学环境也是体内细胞生长的重要微环境之一。在生理电场存在的情况下，细胞产生分裂、分化和迁移。如将微电刺激用于细胞体外培养中以模拟体内的电学环境，电刺激可以使内皮细胞形态发生改变，细胞向垂直于电场的方向拉长，同时可以促使细胞片状伪足重新分布、刺激肌动蛋白的合成以及激活内皮细胞生长因子受体(VEGFR)等信号通路。电刺激能够诱导人成骨细胞钙离子浓度的增加，促进成骨细胞的增殖、生长因子的分泌以及细胞外基质的合成；使用导电聚吡咯作为培养基质材料对神经细胞PC-12等进行培养，实验显示聚吡咯膜支持鸡的包含雪旺氏细胞的坐骨神经细胞、纤维原细胞和其它神经节派生细胞的生长和分化；在心肌细胞培养过程中加载电刺激能诱发心肌细胞的有序生长，提高心肌细胞同步收缩的程度，并观察到高度组织的超微结构，如间隙连接、闰盘等，α-肌动蛋白、心肌钙蛋白等心脏蛋白分泌量也会增加。

由以上可知，力刺激或电刺激的分别加载，能促进细胞的生长。但体内细胞处于力电共同作用的环境下，这两个因素缺一不可，对于维持细胞正常功能、分化、分泌等都至关重要。目前已经有研究者开始考虑将这两种因素的综合影响应用在组织、细胞的培养中。但是，国内至今还未发现可同时对细胞加载力电刺激的培养装置。

发明内容

为了使离体培养的细胞更接近在体细胞，从而推动细胞和组织工程快速发展，本发明提供了一种剪切力-电联合刺激的细胞培养装置。

本发明为一种剪切力-电联合刺激的细胞培养装置，包括培养箱、信号发生器，以及设置在培养箱内部的蠕动泵、下游储液瓶、上游储液瓶、平板流动腔、三通和滤器。

蠕动泵、下游储液瓶、上游储液瓶、三通和滤器共同构成培养液灌流系统，用于为平板流动腔内的细胞生长提供循环的细胞培养液和剪切力；信号发生器有正极和负极两个电极，正极通过电极线与平板流动腔的平板电极相连，负极通过电极线与平板流动腔的金属片电极相连，为平板流动腔内的细胞生长提供电刺激；平板流动腔，用于提供细胞生长所需空间。

所述培养液灌流系统各部分具体连接为：下游储液瓶与上游储液瓶之间通过三条硅胶管连接，第一条硅胶管上连接有蠕动泵，下游储液瓶中的细胞培养液在蠕动泵的作用下被送到上游储液瓶；第二条硅胶管连通两个储液瓶中细胞培养液上方的气体环境，同时第二条硅胶管通过三通连接滤器，使得下游储液瓶、上游储液瓶中细胞培养液上方气体环境与培养箱中气体环境相通，防止细菌进入；第三条硅胶管用于使上游储液瓶中的细胞培养液回流到下游储液瓶中。

上游储液瓶通过底部连通第四根硅胶管，所述的第四根硅胶管与平板流动腔的流体入口连通；下游储液瓶通过第五根硅胶管与平板流动腔的流体出口连通，形成一个细胞培养液循环系统。