[发明专利]组织工程皮肤动态三维应变培养装置

说明书

技术领域

本发明属于人体组织细胞培养装置，特别涉及一种对组织工程皮肤膜状材料施加动态三维应变力的培养装置。

背景技术

组织工程皮肤为伤口的愈合和修复提供了一种好的可选方案，临床上有着巨大的市场需求。现有的组织工程皮肤如已商品化的Apligraft等双层胶原凝胶类产品已具有真表皮双层结构，但均缺乏完整的基底膜，真表皮结合力不强，易于分离，弹性差，易脆，力学性能还远未达到令人满意的程度，难以满足移植手术的操作要求，这已成为组织工程皮肤产品急需解决的关键技术问题。

诞生于上世纪90年代的力学生物学(mechanobiology)，是一门新兴交叉学科，为提高组织工程产品力学性能提供了新手段。它主要研究力学刺激信号、细胞对力学刺激信号的感受及转导机制和细胞受力后的反应等。研究表明，流体剪切力、静水压、负压吸引、拉伸应变及压缩应变等机械外力对细胞的增殖、分化、基因表达及蛋白合成有显著的影响。而组织工程皮肤可以作为力学生物学研究的良好三维模型，可研究机械外力对其物理特性以及细胞生物学功能的影响。

不同组织细胞对应变大小的承受力有巨大的差异，受到的机械力作用方式也各不相同，关键技术是研制适合不同组织细胞的施加机械力的装置，并探索合适的应变大小、频率及加载时间。力学生物学研究的主要模式是根据所研究细胞在体内受到外力的作用形式及应变大小，来设计相应的施加机械力的装置，利用装置对所研究细胞施加机械力后，研究细胞对力学信号的感受、转导机制及受力后的反应，从而在细胞及分子水平探索外力对机体的影响。

现有的针对特异的心血管内皮、平滑肌、尿道、骨、软骨等组织的力学施加装置有较多报道，它们的结构原理各异，功能各不相同，在体受力情况等均与皮肤有着极大的差异，不能直接用于皮肤。现有技术中，在Biotechnol Bioeng,2009,103(1):217-225上，公开有一篇主题名称为“3D collagen cultures under well-defined dynamic strain: a novel strain device with a porous elastomeric support[J].”的论文，它报道的一个三维培养模型，是向盛满硅酸盐微球的模具中加入液态聚氨酯，聚氨酯交链后呈固态，溶去硅酸盐微球，构建出海绵状弹性支架，然后将混有成纤维细胞的胶原凝胶接种于弹性支架内，对支架单轴拉伸实现对细胞施加力学刺激。但这种装置还无法实时观察到动态拉伸时细胞的变化；而且结构复杂，需要向支架中添加弹性支撑材料，不便于也不能向应用型设备转化，未解决三维培养时营养与代谢产物更难传递的问题；它更不适合对低强度、膜状组织工程材料施加动态三维应变力。目前，我们还没有检索到与提高组织工程皮肤力学生物学性能的动态三维应变培养装置密切相关的公开技术文献。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，拟设计制造一种组织工程皮肤动态三维应变培养装置，意欲将胶原凝胶组织工程皮肤膜状材料固定于应变培养盒中，通过向培养盒中注入、抽出气体驱动培养液流动，实现向组织工程皮肤施加动态三维拉伸应变力，从而有效促进在静水压变化的三维培养条件下营养与代谢产物传递，达到改善组织工程皮肤的生物力学性能——即促进基底膜的重建、增强真表皮的结合力、提高最大张力强度和弹性等的目的，以满足移植手术的操作要求。

本发明所采取的技术方案如下。

一种组织工程皮肤动态三维应变培养装置，其特征在于：

1) 它由定时器、脉冲信号发生器、空压机、压力控制器、储气罐、减压阀、三通电磁阀、气缸、活塞调压器、应变培养盒和固皮环组装而成；

2）储气罐进口与空压机之间以及储气罐顶部与压力控制器之间用气管连通，并在空压机与压力控制器之间连接有导线以反馈压力控制信号，减压阀用气管分别与储气罐出口和三通电磁阀进口连通，三通电磁阀两个出口分别用支气管与气缸的前、后端连通；

3）定时器与脉冲信号发生器之间以及脉冲信号发生器与三通电磁阀之间连接有导线以脉冲控制电磁阀两个出口的交替开关；

4）应变培养盒内设置至少1个圆筒培养室，圆筒培养室的底部开设有搁皮孔，圆筒培养室底部与应变培养盒底部之间留有间距，圆筒培养室的外围设计成密封气流道，应变培养盒顶部设有盒盖使圆筒培养室上口与大气相通，应变培养盒底部设有排液管并装有堵头；

5）固皮环和圆筒培养室内壁相匹配，放置在搁皮孔上，气缸的活塞杆与活塞调压器的活塞杆相连，活塞调压器用调压器导管与应变培养盒的密封气流道连通。