[发明专利]一种体外细胞培养装置

说明书

本发明公开一种双轴旋转在线剪切体外细胞培养装置，包括三维随机回转模块、力学加载模块、供液回路模块、图像采集模块、系统监测与控制模块。通过本发明的技术方案，可在生物力学工程技术领域中研究探索在模拟微重力作用下，细胞受到力学刺激后的生物学效应。实现模拟三维空间内的随机微重力效应，同时能够实现可控的在线流体剪切作用，避免了传统设计中不能实现模拟太空中真实的三维随机微重力效应并同时施加流体剪切作用的缺陷。

技术领域

本发明属于生物力学工程领域，尤其涉及一种能对贴壁细胞在三维空间内模拟微重力效应培养同时对细胞施加可控剪切力的体外细胞培养装置。

背景技术

随着航空航天事业的发展和空间探索的深入，对宇航员长期空间飞行的生理条件和健康问题的研究受到越来越多的关注。在细胞及分子水平研究空间飞行的健康防护、生命保障以及疾病的对抗和预防的成果还很不足。空间飞行过程中，力学敏感细胞的基因表达、信号转导、骨架重排等细胞结构与功能相比于地面正常重力环境发生异常变化，进而导致航天员出现骨质疏松、肌肉萎缩等健康问题。因此，研究空间飞行引发的细胞、分子水平的变化机制对保障航天员的生命健康，探索疾病的预防和对抗措施有重要意义。由于空间实验的限制，国内外研究机构多通过搭建模拟微重力效应体外细胞地基培养装置进行地面实验。

针对地面模拟微重力效应，美国NASA Johnson空间中心研发了一种旋转臂式生物反应器(RWV)和细胞旋转培养系统(RCCS)，在单轴旋转的条件下使悬浮细胞在二维空间中感受到的重力矢量和为零，以实现模拟微重力效应。

为了模拟细胞在三维空间的状态，日本Hoson等人发明了双轴随机回转器(randompositioning machine,3D-clinostat)用来建立贴壁细胞在三维空间的模拟微重力环境。此外，NASA也进一步研发了Gravity Controller系统，具有与3D-clinostat相似的功能，与RCCS相比，提高了旋转的维度和随机性，能够更有效的模拟微重力效应。

在正常重力环境下，细胞在体内的结构和功能受到多种力共同作用的调控，影响着细胞对力学刺激的感受和传导，调节着细胞的增值、分化、迁移等生命活动。研究细胞对力学刺激的感知和传导成为探索机体对外界环境变化响应的关键，这促使了体外细胞共培养力学加载装置的发展进步。目前国内外均利用流动腔装置对体外细胞施加流体剪切应力，已有多种流动腔装置成品，用以实现不同的实验需求。

在研究微重力效应下细胞感知力学刺激后的生物学响应时，需要实现细胞体外培养处于微重力环境并同时承受流体剪切力的作用，有研究实现了细胞在二维空间内模拟微重力效应与流体剪切力作用的耦合。尽管上述各装置能够实现模拟微重力效应并同时对细胞施加流体剪切力的作用，其模拟微重力效应依然处于二维空间环境中，不能实现细胞在三维空间内朝任意方向的重力矢量和为零。此外，旋转装置的匀速转动使细胞感知的重力矢量具有周期性，无法模拟宇航员空间飞行时受力矢量方向变化的随机性，无法实现三维空间随机回转模拟微重力效应在线剪切的体外细胞培养。

发明内容

针对目前已有的三维随机回转模拟微重力效应装置无法耦合剪切力作用、单轴回转模拟微重力效应在线剪切装置无法实现三维空间内重力矢量和的随机变化的缺陷，提出一种双轴随机回转在线剪切体外细胞培养装置，实现细胞在三维空间内重力矢量方向的随机性和流动腔对细胞定量加载流体剪切力的功能，用于研究细胞在三维空间模拟微重力效应的环境下对流体剪切力刺激的响应机制。本发明的具体技术方案如下：

一种体外细胞培养装置，其特征在于，包括三维随机回转模块、力学加载模块、供液回路模块、图像采集模块、系统监测与控制模块，其中，

所述三维随机回转模块包括支架、电源、底板、外转轴、内转轴、外转框、内转框、电机控制器、主电机、从电机、V带、两个带轮、两个齿轮、主导电滑环、从导电滑环，