一種用於細胞牽拉刺激的高通量培養裝置的製作方法

2023-07-02 09:26:46 5

專利名稱：一種用於細胞牽拉刺激的高通量培養裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及生物醫學工程領域，特別是涉及一種用於細胞牽拉刺激的高通量培養裝置。
背景技術：
現代生物研究表明，細胞外部生理環境會對細胞功能產生影響，而其中力學因素 對細胞的生長、分化、發展和免疫反應起著至關重要的作用。因此研究細胞受牽拉後如何將 力學刺激轉變為細胞內的電化學信號，尤其是骨骼肌細胞和心肌細胞受牽拉後的反應日趨 受到關注。對細胞進行牽拉的原理，一般是使用矽膠等生物兼容性良好，同時自身楊氏模量 較小、易於形變的彈性材料，在其上培養細胞，待細胞緊貼生長後對矽膠材料進行拉伸，從 而帶動細胞牽拉。目前已有多種結構用於細胞牽拉刺激的研究，可以歸納為兩類方案一 類是利用嵌套的不鏽鋼圈等結構手工操作實現矽膠膜均勻拉伸來牽拉細胞；另一類則主要 依賴計算機控制機械裝置對矽膠材料製成的細胞培養裝置做整體的牽拉。然而這兩類方案 各有利弊第一類方案需要手動調節細胞牽拉程度，可以做到精細調節拉伸量，但是只適用 於靜態牽拉實驗，而難於實現周期性牽拉。第二類方案已有商業化產品，可以實現周期性牽 拉，且重複牽拉的精度和一致性高，但是其成本極其昂貴，又受制於結構自身，不能在細胞 培養常用的物鏡倒置式顯微鏡下觀察和進行高通量分析。

發明內容
(一 )要解決的技術問題本發明要解決的第一技術問題是如何在節約成本的前提下實現細胞的周期性牽 拉和高通量分析；本發明要解決的第二技術問題是如何對細胞的周期性牽拉過程方便地進行顯微 觀察。( 二 )技術方案為解決上述技術問題，提供一種用於細胞牽拉刺激的高通量培養裝置，包括第一 有機玻璃板和垂直疊放於所述第一有機玻璃板下部的第二有機玻璃板，所述第一有機玻璃 板和所述第二有機玻璃板上具有位置相對應的通孔，在所述第一有機玻璃板的下表面與所 述第二有機玻璃板的上表面之間設置有矽膠膜，所述第二有機玻璃板的下部設置有第三有 機玻璃板，所述第二有機玻璃板與所述第三有機玻璃板之間設置有第一有機玻璃框，所述 第二有機玻璃板、所述第三有機玻璃板和所述第一有機玻璃框形成有機玻璃空腔，所述有 機玻璃空腔的兩側分別通過有機玻璃管形成的通道與壓力控制單元連接，第一有機玻璃框 的兩側設置有細孔連通所述有機玻璃空腔內部和通道。優選地，還包括透明託盤，且所述高通量培養裝置設置為倒置於透明託盤上形成
倒置式高通量培養裝置。
優選地，所述透明託盤包括第四有機玻璃板以及粘貼於所述第四有機玻璃板上的
第二有機玻璃框。
優選地，所述第一有機玻璃板、第二有機玻璃板和所述第三有機玻璃板的橫截面 尺寸均為127mmX85mm，所述第一有機玻璃板的厚度為6mm，所述第二有機玻璃板、所述第 三有機玻璃板和所述第一有機玻璃框的厚度均為2mm，且所述第一有機玻璃框的側壁寬度 為 2. 5mmο優選地，所述通孔為圓孔，半徑為6mm，呈5X4的矩陣排列。優選地，所述矽膠膜的厚度為0. 254mm，其橫截面尺寸大於所述第一有機玻璃板的 橫截面尺寸。優選地，所述細孔的直徑為1mm，所述有機玻璃管的外徑為6mm，內徑為4mm。優選地，所述壓力控制單元包括信號發生器，與所述信號發生器發出的兩路信號 中，第一路依次連接第一電磁繼電器、第一儲液池和壓縮氣瓶，第二路通過反相器依次連接 第二電磁繼電器和第二儲液池。優選地，在所述第一電磁繼電器和所述第一儲液池之間設置有第一閥門，在所述 第二電磁繼電器和第二儲液池之間設置有第二閥門。優選地，所述第一閥門與有機玻璃空腔一側的通道連接，所述第二閥門與有機玻 璃空腔另一側的通道連接，在所述第一閥門與所述通道的連接通路上設置有第一流量計， 在所述第二閥門與所述第二儲液池的連接通路上設置有第二流量計。(三)有益效果本發明的高通量培養裝置使用嵌有矽膠膜的雙層有機玻璃孔板結構，矽膠膜的上 方孔板陣列培養細胞，下方空腔傳輸壓力驅動。通過使用單一壓力源對上方所有細胞培養 單元同時施加周期性壓力，從而對細胞牽拉實現統一控制。該裝置通過配備透明託盤還可 實現倒置接觸式牽拉模式，方便裝置在細胞牽拉過程中進行顯微觀察。和嵌套鋼圈等的簡 易裝置相比，不但可以精細調節薄膜拉伸量，還可以實現周期性牽拉，而成本並未發生顯著 增加。和計算機控制機械裝置相比，能夠實現高通量分析，在將裝置倒置並配備透明託盤後 還能實現牽拉過程中的顯微觀察。該裝置製作相對簡單，同時功能完備，具有重要的實用價 值和產業化前景。


圖1 (a)是依據本發明一個實施例的用於細胞牽拉刺激的高通量培養裝置的結構 示意圖；圖1 (b)是依據本發明另一實施例的用於細胞牽拉刺激的高通量培養裝置的結構 示意圖；圖2(a)-圖2(c)分別是依據本發明實施例的用於細胞牽拉刺激的高通量培養裝 置的第一(第二)有機玻璃板、有機玻璃框、第三有機玻璃板的結構示意圖；圖3是依據本發明另一實施例的用於細胞牽拉刺激的高通量培養裝置的壓力控 制單元的結構示意圖；圖4(a)和圖4(b)是依據本發明另一實施例的用於細胞牽拉刺激的高通量培養裝 置的應用示意圖。
其中，1、第一有機玻璃板；2、第二有機玻璃板；3、矽膠膜；4、第三有機玻璃板；5、 有機玻璃管；6、第一有機玻璃框；7、細孔；8、高通量培養裝置；9、透明託盤；10、倒置高通量 培養裝置；11、信號發生器；12、第一電磁繼電器、13、反相器；14、第二電磁繼電器；15、液壓 控制的信號系統；16、壓縮氣瓶；17、壓縮氣體方向；18、第一儲液池；19、第一閥門；20、第 一流量計；21、液體進入裝置的方向；22、裝置排出液體的方向；23、第二閥門；24、第二流量 計；25、第二儲液池；26、氣體排出方向。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施 例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。如圖1(a)所示，本發明一個實施例提供了一種用於細胞牽拉刺激的高通量培養 裝置，包括第一有機玻璃板1、第二有機玻璃板2和矽膠膜3，第一有機玻璃板1和第二有 機玻璃板2垂直疊放，第一有機玻璃板1和第二有機玻璃板2上具有位置相對應的通孔，矽 膠膜3設置於第一有機玻璃板1的下表面與第二有機玻璃板2的上表面之間，第二有機玻 璃板2的下部設置有第三有機玻璃板4，第二有機玻璃板2與所述第三有機玻璃板4之間設 置有第一有機玻璃框6，所述第二有機玻璃板2、所述第三有機玻璃板4和所述第一有機玻 璃框6形成有機玻璃空腔，所述有機玻璃空腔的兩側分別通過有機玻璃管形成的通道5與 壓力控制單元連接，第一有機玻璃框6的兩側設置有細孔7連通所述有機玻璃空腔內部和 通道5。該實施例中的高通量培養裝置可按照如下方法實現，首先，一層較厚的第一有機 玻璃板1、一層矽膠膜3和一層較薄的第二有機玻璃板2粘接形成一個三明治結構；然後， 將一個矩形的第一有機玻璃框6的壁上鑽出細孔7形成有機玻璃空腔的側壁，並粘貼到作 為該有機玻璃空腔下壁的第三有機玻璃板4上；之後將第二有機玻璃板2的下部和空腔的 側壁、亦即第一有機玻璃框6粘接到一起，最後將有機玻璃管5粘接到側壁上與細孔7聯 通，形成有機玻璃空腔連接到壓力控制單元的通道，從而形成一種高通量培養裝置8，細胞 將培養於矽膠膜3朝向第一有機玻璃板1的一面。如圖1(b)所示，本發明另一實施例提供了一種用於細胞牽拉刺激的高通量培養 裝置，包括第一有機玻璃板1、第二有機玻璃板2和矽膠膜3，第一有機玻璃板1和第二有 機玻璃板2垂直疊放，第一有機玻璃板1和第二有機玻璃板2上具有位置相對應的通孔，矽 膠膜3設置於第一有機玻璃板1的下表面與第二有機玻璃板2的上表面之間，第二有機玻 璃板2的下部設置有第三有機玻璃板4，第二有機玻璃板2與所述第三有機玻璃板4之間設 置有第一有機玻璃框6，所述第二有機玻璃板2、所述第三有機玻璃板4和所述第一有機玻 璃框6形成有機玻璃空腔，所述有機玻璃空腔的兩側分別通過有機玻璃管形成的通道5與 壓力控制單元連接，第一有機玻璃框6的兩側設置有細孔7連通所述有機玻璃空腔內部和 通道5。此外，該高通量培養裝置還包括置於第一有機玻璃板1下的透明託盤9。透明託盤 9包括第四有機玻璃板以及粘貼於第四有機玻璃板上的第二有機玻璃框。該實施例中的高通量培養裝置可按照如下方法實現先按照第一實施例中的實現 方法製作高通量培養裝置8，另取大小兩個第二有機玻璃框，嵌套粘接到第四有機玻璃板上 形成透明託盤9，並在其上倒置放置高通量培養裝置8，則完成一種用於細胞牽拉刺激的倒置高通量培養裝置10的製作。其中，兩個第二有機玻璃框用於防止培養液從內層有機玻璃 框溢出後粘汙外部環境。將高通量培養裝置8倒置是為了使矽膠膜鼓起後接近透明託盤9 的底部，從而利於位於裝置底部以下的顯微鏡對細胞牽拉過程的顯微實時觀察。如圖2(a)和圖2(c)所示，第一有機玻璃板1、第二有機玻璃板2和第三有機玻璃 板4的橫截面尺寸均優選為127mmX85mm，第一有機玻璃板1的厚度優選為6mm，且第二有 機玻璃板2和第三有機玻璃板4的厚度均優選為2mm。第一有機玻璃板1和第二有機玻璃 板2上的通孔為圓孔，半徑優選為6mm，呈5X4的矩陣排列。矽膠膜3的厚度為0. 254mm, 其橫截面尺寸大於第一有機玻璃板1的橫截面尺寸。有機玻璃空腔的第一有機玻璃框6的 外部測量尺寸為長127mm，寬85mm，高度為2mm，側壁寬度為2. 5mm,而第一有機玻璃框6上 鑽出的細孔7的直徑為1mm，側壁上連接到外部壓力控制單元的有機玻璃管5的外徑6mm， 內徑4mm，如圖2(b)所示。如圖3所示為本發明實施例的液 壓控制單元的結構示意圖，信號發生器11送出的 信號分為兩路，一路信號直接控制第一電磁繼電器12，另一路則經過反相器13後控制第二 電磁繼電器14，保持第一電磁繼電器12與第二電磁繼電器14、第一閥門19與第二閥門23 始終處於開關狀態反向，由此信號發生器11、第一電磁繼電器12、反相器13和第二電磁繼 電器14組成液壓控制的信號系統15。液壓控制系統的工作方式為信號系統15送出信號 使得第一閥門19打開而第二閥門23關閉，氣體從壓縮氣瓶16中按壓縮氣體方向17進入 第一儲液池18，從而使其內部壓強增大，則液體從第一儲液池18中壓出，經第一閥門19和 第一流量計20，沿液體進入裝置的方向21進入高通量培養裝置8或倒置高通量培養裝置 10的空腔對其施加壓強；當信號系統15的信號翻轉後，第一閥門19關閉而第二閥門23打 開，高通量培養裝置8或倒置高通量培養裝置10空腔中的壓強大於方向22後的各處，因此 液體沿裝置排出液體的方向22經第二閥門23和第二流量計24進入第二儲液池25，並通過 氣體排出方向26向外界排出氣體，從而釋放壓強。如是反覆，液壓控制系統可以做到對倒 置高通量培養裝置10施加周期性往復壓力。調節信號發生器11的信號頻率可以控制施加 往復壓力的周期，調節壓縮氣瓶16釋放的氣體流速可以控制施加往復壓力的峰值大小。本發明實施例的用於細胞牽拉刺激的功能應用如圖4所示，以倒置高通量培養裝 置10為例，當液體沿液體進入裝置的方向21進入倒置高通量培養裝置10的空腔並施加強 時，矽膠膜3的楊氏模量較小，發生明顯的膨脹形變，從而使培養在第一有機玻璃板1 一面 的矽膠膜3表面的細胞受到牽拉，如圖4(a)所示；當液體沿排出液體的方向22從倒置高通 量培養裝置10中排出時，倒置高通量培養裝置10的空腔壓強回復常壓，則矽膠膜3的形變 消除，從而撤去培養在第一有機玻璃板1 一面的矽膠膜3表面的細胞牽拉，如圖4 (b)所示。由以上實施例可以看出，本發明實施例的用於細胞牽拉刺激的高通量培養裝置使 用嵌入矽膠膜的雙層有機玻璃孔板，矽膠膜上方孔板培養細胞，而下方孔板對矽膠膜起到 支撐和保護作用，在矽膠膜受重力作用微垂時保護作用尤為明顯，確保培養於各孔腔間的 細胞不會相互影響幹擾。該細胞牽拉高通量培養裝置的孔板陣列與矽膠膜共同使用一個空 腔，因此使用單一壓力源便可對所有培養單元的細胞統一進行牽拉，從而實現高通量分析。 通過配備額外的壓力控制單元，可以將壓強實時傳遞給上方培養單元，並且更容易通過機 械方式來控制壓力輸出變化，從而實現周期性牽拉。追加一個透明託盤或者培養皿便可實 現倒置接觸式牽拉模式，滿足生物實驗常用的物鏡倒置顯微鏡的對焦範圍，從而能夠以實現細胞牽拉過程中的顯微實時觀察。該用於細胞牽拉刺激的高通量培養裝置的製備結構和工藝簡單易行，能夠大大降低裝置的加工難度和成本，應用於生物醫學更加方便，並可最終 滿足產業化需求。 以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型 也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種用於細胞牽拉刺激的高通量培養裝置，其特徵在於，包括第一有機玻璃板(1) 和垂直疊放於所述第一有機玻璃板(1)下部的第二有機玻璃板O)，所述第一有機玻璃板 (1)和所述第二有機玻璃板( 上具有位置相對應的通孔，在所述第一有機玻璃板(1)與所 述第二有機玻璃板( 之間設置有矽膠膜(3)，所述第二有機玻璃板( 的下部設置有第三 有機玻璃板，所述第二有機玻璃板( 與所述第三有機玻璃板(4)之間設置有第一有機 玻璃框(6)，所述第二有機玻璃板( 、所述第三有機玻璃板(4)和所述第一有機玻璃框(6) 形成有機玻璃空腔，所述有機玻璃空腔的兩側分別通過有機玻璃管形成的通道(5)與壓力 控制單元連接，所述第一有機玻璃框(6)的兩側設置有細孔(7)連通所述有機玻璃空腔內 部和通道(5)。
2.如權利要求1所述用於細胞牽拉刺激的高通量培養裝置，其特徵在於，還包括透明 託盤(9)，且所述高通量培養裝置設置為倒置於透明託盤(9)上形成倒置式高通量培養裝置。
3.如權利要求2所述用於細胞牽拉刺激的高通量培養裝置，其特徵在於，所述透明託 盤(9)包括第四有機玻璃板以及粘貼於所述第四有機玻璃板上的第二有機玻璃框。
4.如權利要求3所述用於細胞牽拉刺激的高通量培養裝置，其特徵在於，所述第 一有機玻璃板(1)、第二有機玻璃板( 和所述第三有機玻璃板的橫截面尺寸均為 127mmX 85mm，所述第一有機玻璃板(1)的厚度為6mm，且所述第二有機玻璃板O)、所述第 三有機玻璃板(4)和所述第一有機玻璃框(6)的厚度均為2mm，且所述第一有機玻璃框(6) 的側壁寬度為2. 5mm。
5.如權利要求1所述用於細胞牽拉刺激的高通量培養裝置，其特徵在於，所述通孔為 圓孔，半徑為6mm，呈5X4的矩陣排列。
6.如權利要求1所述用於細胞牽拉刺激的高通量培養裝置，其特徵在於，所述矽膠膜 (3)的厚度為0.254mm，其橫截面尺寸大於所述第一有機玻璃板(1)的橫截面尺寸。
7.如權利要求1所述用於細胞牽拉刺激的高通量培養裝置，其特徵在於，所述細孔(7) 的直徑為1mm，所述有機玻璃管(5)的外徑為6mm，內徑為4mm。
8.如權利要求1-7任一項所述用於細胞牽拉刺激的高通量培養裝置，其特徵在於，所 述壓力控制單元包括信號發生器(11)，在所述信號發生器(11)發出的兩路信號中，第一 路信號依次連接第一電磁繼電器(12)、第一儲液池(18)和壓縮氣瓶(16)，第二路信號通過 反相器(1 依次連接第二電磁繼電器(14)和第二儲液池05)。
9.如權利要求8所述用於細胞牽拉刺激的高通量培養裝置，其特徵在於，在所述第一 電磁繼電器(1 和所述第一儲液池(18)之間設置有第一閥門(19)，在所述第二電磁繼電 器(14)和第二儲液池(25)之間設置有第二閥門(23) 0
10.如權利要求9所述用於細胞牽拉刺激的高通量培養裝置，其特徵在於，所述第一閥 門(19)與有機玻璃空腔一側的通道連接，所述第二閥門與有機玻璃空腔另一側的通 道連接，在所述第一閥門(19)與有機玻璃空腔一側的所述通道( 的連接通路上設置有第 一流量計(21)，在所述第二閥門與所述第二儲液池0 的連接通路上設置有第二流 量計(24)。
全文摘要
本發明公開了一種用於細胞牽拉刺激的高通量培養裝置，包括第一有機玻璃板和第二有機玻璃板，第一有機玻璃板和第二有機玻璃板上具有通孔，在第一有機玻璃板與第二有機玻璃板之間設置有矽膠膜，第二有機玻璃板的下部設置有第三有機玻璃板，第二有機玻璃板與第三有機玻璃板之間設置有第一有機玻璃框，第二有機玻璃板、第三有機玻璃板和第一有機玻璃框形成有機玻璃空腔，有機玻璃空腔的兩側分別通過通道與壓力控制單元連接，第一有機玻璃框的兩側設置有細孔連通有機玻璃空腔內部和通道。該裝置可以精細調節薄膜拉伸量，還可以實現周期性牽拉，在將裝置倒置並配備透明託盤後還能實現牽拉過程中的顯微觀察。
文檔編號C12M3/00GK102127506SQ20101058380
公開日2011年7月20日 申請日期2010年12月7日 優先權日2010年12月7日
發明者張新義 申請人:北京大學