[发明专利]一种基于水凝胶的可控3D拉伸训练生物反应器

说明书

本发明涉及用于在水凝胶和/或水凝胶包封和培养的细胞和/或组织上施加可控拉伸应变的装置和方法。所述装置包含用于三维细胞培养的基于水凝胶的三维构建体的组成、结构和模具，以及用于施加周期性拉伸应变的结合磁体的导轨滑块。所得装置向水凝胶或包封于水凝胶的细胞和/或组织提供可控的周期性的拉伸应变。

背景技术

人体中的所有活细胞都在经受多种力学载荷和形变。力学因素在包含硬组织(例如，骨等组织)和软组织(例如，软骨、肌腱/韧带等组织)在内的受力组织的发育、维持、退变和修复再生中起着关键作用。由此，开发可靠的模型来研究生理和病理载荷条件下组织内细胞的力学生物学可为预防和治疗组织损伤和退行性病变提供重要的研究数据和科学见解。水凝胶(亲水性聚合物网络)具广泛的力学特质，如柔性水凝胶在一定范围内具备弹性和可拉伸的形变等，一些柔性水凝胶还具有高度的生物兼容性，不仅可以模拟组织细胞的三维生物微环境，力学的载荷还可以通过水凝胶的形变传递到其包封的细胞上。

在体外的细胞和组织长期培养过程中向研究主体施加一定程度的力学刺激可以模拟体内的生物力学环境，并且在体外施加的力学单因素的可控模型可减少利用动物模型进行力学因素相关研究的研究系统的复杂性。

许多商业实体提供生物反应器，为细胞培养物和生物材料提供可控力学载荷，所述商业实体包含：(北卡罗来纳州伯灵顿)、Bose(特拉华州纽卡斯尔)、BISS组织生长技术公司(BISS Tissue Growth Technologies，印度班加罗尔)和(加拿大安大略省滑铁卢)。

例如，的张力系统是由计算机调节的生物反应器，所述生物反应器对体外气动变形膜上培养的细胞施加周期性或静态应变。TA测试仪器将生物反应器室与力学测试仪器相结合，在无菌细胞培养环境内为工程化组织和生物材料提供载荷、表征和组织生长培养液。尽管在这些系统中已经提供了细胞培养基，但是培养基的体积通常不足以长时间维持细胞活性。此外，培养基很难添加或去除，并且在动态压缩期间难以对样品进行观察。这些生物反应器仅适用于平面细胞培养或以组织水平施加力学载荷。

再如，提供了弹性材料的疲劳测试平台，包括了各种样本附件(包含螺旋驱动夹具、弹簧加载夹具和多点穿刺抓具)的竖直和水平测试。在这类系统中用于固定和伸展弹性材料的夹具对低力学强度水凝胶材料的低控制力和样品破坏力限制了其在柔性水凝胶材料和三维细胞-水凝胶构建体中的应用。

本发明可为生物医学工程学研究提供更可靠的可控三维力学微环境的研究平台。

发明内容

本发明涉及一种用于在三维(3D)细胞和/或组织培养物中，更具体地说，在基于水凝胶-磁体组合的细胞和/或组织培养物中，诱导可控拉伸应变的装置和方法。通过所述装置和方法，可伸展水凝胶在磁场中发生形变以向水凝胶包封的细胞和/或组织施加拉伸应变。本装置的优势是：载荷条件可控；使用方便；适用于柔性水凝胶和多种细胞和组织的长期培养和载荷；易于样本加载、力学加载、添加和去除生长培养基、添加生物活性剂，并允许对测试中的样品进行实时监测和追踪。

本发明进一步提供了一种用于测试基于水凝胶的构建体的柔性材料的疲劳性能的装置和方法，更具体地说，基于水凝胶-磁体的组合系统，通过所述装置和方法，可令水凝胶在磁场中伸展产生应变，以此向水凝胶施加可控的周期性的拉伸应变。所述装置和方法可以用于通过测量张力、杨氏模量和/或质量变化和/或鉴定所述基于水凝胶的构建体的形态变化来确定所述基于水凝胶的构建体的柔性材料的疲劳/抗疲劳性能。

附图说明