體外細胞開放式壓力程控培養裝置的製作方法
2023-10-06 07:28:44 1
專利名稱：體外細胞開放式壓力程控培養裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及醫學基礎學科中研究壓力與細胞生理功能關係的細胞體外培 養裝置，具體地指一種主要用於青光眼等發病機制研究的體外細胞開放式壓力程 控培養裝置。
背景技術：
眼壓升高是青光眼的特徵之一，也是導致青光眼視功能損害的主要因素。相 關研究已經證實眼壓波動或持續升高，可以導致視網膜神經節細胞和色素上皮 細胞等的功能損害或細胞死亡，最終導致視功能喪失。目前，青光眼研究模型可 分為活體青光眼動物模型和離體青光眼模型，後者又包括體外高眼壓灌注模型和 細胞培養加壓模型。活體青光眼動物模型與體外高眼壓灌注模型的優點是接近活 體青光眼的病理過程，有利於多因素相互作用的研究，問題在於該類模型來源少、 實驗操作複雜、影響因素多。細胞培養加壓模型作為細胞水平的青光眼研究模型， 其突出的優點是能夠自由設定壓力水平、能夠獲得恆定的壓力、能夠排除混雜因 素的影響，而且容易進行大通量的實驗。醫學科研人員運用密閉加壓培養法研究 模型證實壓力可以引起體外培養的小梁細胞、篩板細胞、視網膜神經節細胞凋 亡，並且引起細胞外基質分泌以及一氧化氮合成異常等變化，這從細胞水平證實 了壓力與眼內細胞損害的相關關係，使人們對壓力與青光眼發病機制的關係有了 更深入的理解。相對於體內青光眼研究模型而言，細胞培養加壓模型是進行體外 青光眼研究必不可少的研究平臺。
然而，現有的密閉加壓培養裝置隔絕了培養瓶與培養箱中氣體的交換，隨著 實驗時間的延長，可能會引起培養液pH值、HC03"濃度、氧氣分壓(P02)、 二
氧化碳分壓(pco2)的變化，從而影響細胞的生理功能。氣體是人體細胞培養生
存的必需條件之一，所需氣體主要有02和c02。 02參與三羧酸循環，產生供給細
胞生長增殖的能量和合成細胞生長所需用的各種成份。c02既是細胞代謝產物， 也是細胞生長繁殖所需成份，它在細胞培養中的主要作用在於維持培養基的pH 值。環境pH值的變化可以影響培養細胞的形態和功能高pH值可以使大鼠微血 管和主動脈內皮細胞NOS活性及mRNA表達增高，低pH值則可以使其降低，並 可以使肝臟細胞合成NO增高，從而加重肝細胞損傷。而細胞內pH值則與細胞內
鈣離子濃度信息傳遞途徑密切相關，可能在誘導凋亡中發揮重要作用。pH值的升 高也可以調節水通道蛋白的構象，改變晶狀體細胞水通透性。溶液的pH由溶液中 酸性離子與鹼性離子的比值決定，HCO^濃度與C02分壓正相關，當氣體中C02 濃度降低時，由於C02分壓的降低可以導致HC03"濃度的降低和pH的升高，類
似於血液在呼吸性鹼中毒中發生的情況。因而，合理的細胞加壓培養裝置應該保 持培養液的pH值、HCCb"濃度、氧氣分壓(P02)、 二氧化碳分壓(PC02)恆定， 從而達到實驗條件的均衡，而現有的細胞密閉加壓培養裝置還無法滿足上述要求。
發明內容
本實用新型的目的旨在克服現有體外細胞加壓培養裝置的弊病，提供一種能 夠簡單有效地調控培養瓶內的壓力、且能夠保持培養液的pH值、HC03—'濃度、 氧氣分壓、二氧化碳分壓恆定的體外細胞開放式壓力程控培養裝置。
為實現上述目的，本實用新型所設計的體外細胞開放式壓力程控培養裝置，
包括封閉的C02恆溫培養箱，所述C02恆溫培養箱內設置有細胞培養瓶組，所述
細胞培養瓶組上設置有培養瓶進氣口和培養瓶排氣口，所述培養瓶排氣口直接與 C02恆溫培養箱的內腔相通，所述培養瓶進氣口通過管路和氣體溼化裝置與微型 氣泵的出口相連，所述微型氣泵的進口通過管路與C02恆溫培養箱的內腔相通； 所述細胞培養瓶組內設置有氣體壓力傳感器，所述氣體壓力傳感器通過導線與壓 力程控器的信號輸入端相連，所述壓力程控器的控制輸出端通過導線與微型氣泵 連接。
本實用新型根據帕斯卡流體力學原理，採用循環氣流來調控培養瓶組內的壓
力，該循環氣流取自溫度為37t:， <:02濃度為5%的標準培養環境，同時採用壓力
程控器反饋輸入氣流的壓力，來調控壓力波動，使壓力在0 100mmHg之間自由變
化。由於氣流在不斷地循環交換，因而能夠保持P02和PC02的恆定，從而保持培
養液pH值、HC03—'濃度的穩定。
本實用新型綜合利用了氣體交換和程序化控制的優勢，其優點主要體現在如 下兩方面第一、採用動態循環氣流，在施加壓力的同時可保持培養環境的穩定 性；第二、採用程序化自動控制器，可使壓力保持恆定或按設定程序波動變化， 從而可以逼真地模擬青光眼壓力波動的變化過程，對青光眼的基礎研究有重要意 義。同時，本實用新型還可用於除眼科之外的骨科等需要對培養細胞施加壓力影 響的基礎科學研究，如軟骨細胞病變的研究等。
附圉說明
附圖
為一種體外細胞開放式壓力程控培養裝置的結構示意圖。具體實鰌方式
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步的詳細描述 圖中所示的體外細胞開放式壓力程控培養裝置，具有一個封閉的C02恆溫培
養箱6， C02恆溫培養箱6可以提供溫度為37'C， C02濃度為5%的標準培養環境。 CCb恆溫培養箱6內布置有細胞培養瓶組2，細胞培養瓶組2由多個標準培養瓶通 過管路串聯而成，其溫度保持與標準培養環境一致，其上設置有培養瓶進氣口 7 和培養瓶排氣口 8，其內可培養貼壁生長型細胞。它還具有一個設置在C02恆溫 培養箱6外面的微型氣泵4，採用日本medo公司型號為DP0105/DC24V的產品。 微型氣泵4的進口通過管路與C02恆溫培養箱6的內腔相通，可抽吸C02恆溫培 養箱6內C02分壓、02分壓和溫度均恆定的氣體。微型氣泵4的出口通過管路與 氣體溼化裝置5的進口相連，可以向氣體溼化裝置5提供0~0.25MPa壓力的輸入 氣流。氣體溼化裝置5採用傳統簡單的反向水囊結構，其進氣管伸入水囊內的水 中，其出氣管設在水囊內的水面上方，從微型氣泵4輸入的氣流經過時可與水充 分接觸，達到100%的水飽和度。氣體溼化裝置5的出口則通過管路與細胞培養瓶 組2的培養瓶進氣口 7相連，為細胞培養提供設定的壓力氣流。細胞培養瓶組2 的培養瓶排氣口 8採用微量排氣口，直接與C02恆溫培養箱6的內腔相通。細胞 培養瓶組2內設置有氣體壓力傳感器3，氣體壓力傳感器3通過導線與壓力程控器 1的信號輸入端相連，壓力程控器1的控制輸出端通過導線與微型氣泵4連接。這 樣，氣體壓力傳感器3可以實時檢測細胞培養瓶組2內的氣體壓力，其檢測值作 為輸入信號傳遞給壓力程控器1，壓力程控器1對輸入信號進行比較後，控制徼型 氣泵4工作。壓力程控器l的輸入、比較和輸出元件均可採用成熟技術實現，於 此不多贅述。
本實用新型的工作原理是這樣的以對細胞施加40mmHg壓力培養為例，壓 力程控器1的比較元件設定壓力值為40mmHg，工作啟動時，氣體壓力傳感器3 檢測到的細胞培養瓶組2內的壓力值為OmmHg，壓力程控器1的輸入元件得到信 號與設定值比較為低，壓力程控器1的輸出元件發出指令增加微型氣泵4的功率， 微型氣泵4輸出氣流壓力增加，從而使細胞培養瓶組2內壓力值逐漸升高至40 mmHg。當細胞培養瓶組2內壓力值高於40 mmHg時，壓力程控器1的輸出元件 發出指令降低微型氣泵4的功率，微型氣泵4輸出的氣流壓力降低，從而使細胞 培養瓶組2內壓力值降低至40 mmHg。這種反饋調節使細胞培養瓶組2內的氣體 壓力恆定於40mmHg。由於細胞培養瓶組2處於C02恆溫培養箱6內，在工作過
程中，其內溫度、C02分壓和02分壓均可保持恆定。
將本實用新型用於模擬青光眼壓力波動，對視網膜色素上皮細胞進行培養，
設定壓力程控器1的比較壓力值在24h內自10 mmHg升高至30 mmHg，再降為 10mmHg，通過上述反饋調節實現胞培養瓶組2內壓力的相應波動變化。同時，採 用常規的細胞密閉加壓培養方法作為比較。實驗結果顯示視網膜色素上皮細胞 培養24h後，本實用新型培養組與常規培養組相比，pH值、HCCb"濃度、P02及 PC02差異均無顯著性意義(屍>0.05);視網膜色素上皮細胞增殖能力無明顯變化 (屍=0.719)。說明本實用新型可以實現對培養環境壓力及培養液pH值、HC(V1 濃度、P02及PC02的均衡調控。相對於密閉壓力控制培養裝置而言，本實用新型 可以排除培養條件差異對研究結果的影響。
權利要求1.一種體外細胞開放式壓力程控培養裝置，包括封閉的CO2恆溫培養箱(6)，所述CO2恆溫培養箱(6)內設置有細胞培養瓶組(2)，其特徵在於所述細胞培養瓶組(2)上設置有培養瓶進氣口(7)和培養瓶排氣口(8)，所述培養瓶排氣口(8)直接與CO2恆溫培養箱(6)的內腔相通，所述培養瓶進氣口(7)通過管路和氣體溼化裝置(5)與微型氣泵(4)的出口相連，所述微型氣泵(4)的進口通過管路與CO2恆溫培養箱(6)的內腔相通；所述細胞培養瓶組(2)內設置有氣體壓力傳感器(3)，所述氣體壓力傳感器(3)通過導線與壓力程控器(1)的信號輸入端相連，所述壓力程控器(1)的控制輸出端通過導線與微型氣泵(4)連接。
2. 根據權利要求1所述的體外細胞開放式壓力程控培養裝置，其特徵在 於所說的細胞培養瓶組(2)是多個標準培養瓶通過管路串聯而成的，所說 的培養瓶排氣口 (8)是微量排氣口。
3. 根據權利要求1或2所述的體外細胞開放式壓力程控培養裝置，其特 徵在於所說的氣體溼化裝置(5)是一個反向水囊。
4. 根據權利要求1或2所述的體外細胞開放式壓力程控培養裝置，其特 徵在於所說的微型氣泵(4)、氣體溼化裝置(5)和壓力程控器(1)設置在 C02恆溫培養箱(6)的箱體外面。
5. 根據權利要求3所述的體外細胞開放式壓力程控培養裝置，其特徵在 於所說的微型氣泵(4)、氣體溼化裝置(5)和壓力程控器(1)設置在C02 恆溫培養箱(6)的箱體外面。
專利摘要一種體外細胞開放式壓力程控培養裝置，包括CO2恆溫培養箱，CO2恆溫培養箱內設有細胞培養瓶組，細胞培養瓶組上設有培養瓶進氣口和培養瓶排氣口，培養瓶排氣口直接與CO2恆溫培養箱的內腔相通，培養瓶進氣口通過管路和氣體溼化裝置與微型氣泵的出口相連，微型氣泵的進口通過管路與CO2恆溫培養箱的內腔相通；細胞培養瓶組內設有氣體壓力傳感器，氣體壓力傳感器通過導線與壓力程控器的信號輸入端相連，壓力程控器的控制輸出端通過導線與微型氣泵連接。該裝置能簡單有效地調控培養瓶內的壓力、且能保持培養液的pH值、HCO3-1濃度、氧氣分壓、二氧化碳分壓恆定，適合於需要對培養細胞施加壓力影響的基礎科學研究，如青光眼、軟骨細胞病變等的研究。
文檔編號C12M3/00GK201065407SQ2007200852
公開日2008年5月28日 申請日期2007年6月14日 優先權日2007年6月14日
發明者虹 張, 李貴剛, 汪學方 申請人:華中科技大學同濟醫學院附屬同濟醫院