專利名稱：可變形曲面上細胞流體應力加載方法、裝置及實驗平臺的制作方法
技術領域：
本發明涉及生物力學領域，具體涉及一種可變形曲面上細胞流體應力加載方法及裝置，用于研究各種細胞在可控的流體應力狀態下的反應。
背景技術：
在醫學研究中，人們發現人體組織中的細胞(如血管內皮細胞、角膜內皮細胞等)受到流體(如血液、房水)應力(流體切應力和壓力)的影響而發生形態(形狀大小、細胞密度等)和生物學特性(如細胞內皮通透性、細胞因子表達、DNA合成等)的改變，因此觀察流體應力對細胞的影響具有重要意義。但是，活體中觀測流體應力對細胞形態和生物學特性影響規律非常困難。為解決此問題，需要使用體外培養細胞的方法，并進行細胞流體應力加載實驗。目前通常所用的流體應力加載裝置大多采用平板流動腔，然而平板流動腔的上、下壁面是平面而且固定不能改變的，平板流動腔中各個截面的流體應力相同。對于生長在曲面上的生物細胞(如角膜內皮細胞)，其所受到的應力隨細胞所處的位置而變化，因此平板流動腔對原本生長在曲面上細胞加載流體應力的結果與細胞在活體內時的情況不同。
發明內容
本發明的第一目的在于提供一種可變形曲面上細胞流體應力加載方法，能夠使生物細胞受到不同的流體應力，以便觀察分析生物細胞在不同受力狀態下的形態和生物學特性變化規律。本發明的第二目的在于提供一種可變形曲面上細胞流體應力加載裝置，提供不同的生物細胞應力狀態，以便觀察分析生物細胞在不同受力狀態下的形態和生物學特性變化規律。本發明的第三目的在于提供一種基于可變形曲面上細胞流體應力加載裝置的細胞應力加載實驗平臺，提供不同的生物細胞應力狀態，觀察分析生物細胞在不同受力狀態下的形態和生物學特性變化規律。—種可變形曲面上細胞流體應力加載方法，涉及流動腔和壓力腔，流動腔與壓力腔之間采用透明彈性膜隔離，透明彈性膜面向流動腔的表面預接種有生物細胞，流動腔充滿細胞培養液，通過壓力腔向透明彈性膜施加壓力使其產生變形，并通過蠕動泵驅動細胞培養液在流動腔內循環流動，從而向生物細胞施加流體切應力和壓力。進一步地，還從壓力腔頂部開設設置射流入口，通過射流入口向流動腔內泵入細胞培養液，通過調節射流入口處進入細胞培養液的流量大小，改變在流動腔內生物細胞所 受壓力狀態。實現所述應力加載方法的可變形曲面上細胞流體應力加載裝置，從上往下依次包括夾持固定在一起的第一蓋片7、第一密封墊8、透明彈性膜9、第二密封墊10和第二蓋片
11;第一蓋片7上開有流動出口孔12和流動入口孔13，第二蓋片11上開有注射器連接孔15 ;第一蓋片7、第一密封墊8和透明彈性膜9之間形成流動腔16，透明彈性膜9、第二密封墊10和第二蓋片11之間形成壓力腔17。進一步地，所述第一蓋片7上還開有射流入口孔14。進一步地，透明彈性膜為硅膠膜、乙烯-醋酸乙烯共聚物或熱塑性聚氨酯彈性體橡膠。一種基于所述的可變形曲面上細胞流體應力加載實驗平臺，包括可變形曲面上細胞流體應力加載裝置、壓力腔調節注射器、蠕動泵和儲液池，應力細胞加載裝置的注射器連接孔15連接壓力腔調節注射器，應力細胞加載裝置的流動出口孔12和射流入口孔14通過硅橡膠管與蠕動泵相連接，應力細胞加載裝置的流動入口孔13通過硅橡膠管與細胞培養液儲液池5相連接，蠕動泵通過硅橡膠管與細胞培養液儲液池相連接。一種基于所述的可變形曲面上細胞流體應力加載實驗平臺，包括可變形曲面上細 胞流體應力加載裝置、壓力腔調節注射器、蠕動泵和儲液池，應力細胞加載裝置的注射器連接孔15連接壓力腔調節注射器2 ;應力細胞加載裝置的流動出口孔12和射流入口孔14通過硅橡膠管與蠕動泵3相連接，應力細胞加載裝置的流動入口孔13通過硅橡膠管與細胞培養液儲液池5相連接，應力細胞加載裝置的射流入口孔14通過硅橡膠管與蠕動泵相連接；蠕動泵通過硅橡膠管與細胞培養液儲液池相連接。本發明的技術效果體現在本發明采用可變形硅膠膜，通過改變流動腔內流體壓力，使得培養有生物細胞的硅膠膜發生不同變形。本發明可以通過調節蠕動泵流量，改變生物細胞受到的流體切應力受力狀態。另外，流動腔內還可開設射流入口，通過調節射流流量大小，改變生物細胞所受壓力狀態。
圖I是本發明細胞體外加載實驗平臺示意圖；圖2是本發明細胞加載單元結構圖示意圖；圖3是細胞加載單元工作截面示意圖(彈性膜變形前)；圖4是細胞加載單元工作截面示意圖(彈性膜變形后)。
具體實施例方式下面參照附圖詳細描述本發明的優選實施例。圖I為細胞應力加載實驗平臺，該實驗平臺由可變形曲面上細胞流體應力加載裝置I、壓力腔調節注射器2、蠕動泵3、培養液4、儲液池5，和硅膠管6組成。此外在該實驗平臺外還可搭建有顯微鏡、CCD相機和電腦等數據采集和分析裝置。其中，可變形曲面上細胞流體應力加載裝置I是該實驗平臺的核心部分。如圖2所示，可變形曲面上細胞流體應力加載裝置I從上往下依次包括第一蓋片7、第一密封墊8、硅膠膜9、第二密封墊10和第二蓋片11。第一蓋片7上開有流動出口孔12、流動入口孔13和射流入口孔14。第二蓋片11上開有注射器連接孔15。第一蓋片7、第一密封墊8和硅膠膜9之間形成流動腔16，硅膠膜9、第二密封墊10和第二蓋片11之間形成壓力腔17。硅膠膜9位于流動腔16和壓力腔17之間，通過第一密封圈8和第二密封圈11壓緊，硅膠膜9既是流動腔16的底，也是壓力腔17的頂。本發明中密封墊可采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、橡膠等密封材料，兩蓋片可采用玻璃、有機玻璃和透明硬質塑料等材料，硅膠膜可替換為乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、熱塑性聚氨酯彈性體橡膠(TPU)等透明彈性膜。蓋片、密封墊和硅膠膜的形狀任意，可為方形、圓形及多邊形等等，優選圓形。壓力腔17采用液壓或氣壓方式。利用本發明中的應力加載裝置進行生物細胞受力加載和觀察的操作步驟如下I.體外培養足夠數量的細胞，作為待接種的細胞；2.硅膠膜的預處理在蒸餾水中清洗硅膠膜約5分鐘，浸泡I小時，60°C干燥，將硅膠膜放置在培養皿中，加入約40ml 75%酒精，浸泡2小時；倒掉酒精，紫外照射，超凈臺風干；3.細胞的接種加載將細胞按亞融合方式接種在硅膠膜9上，置入含有完全培養 液的培養皿10小時左右，待大多數細胞完全鋪展后對待觀察細胞進行標記；4.應力加載裝置的消毒與組裝對圓形玻璃片、環形PDMS墊使用紫外線照射消毒，依次疊合圓形玻璃片7 (直徑14mm,厚度為2mm)、環形PDMS墊8 (外直徑為14mm,內直徑為10mm，厚度為0. 1mm)、步驟3準備好的接種有細胞的硅膠膜9 (細胞在膜的上表面，膜直徑14mm,厚度為0. 2mm)、環形PDMS墊10 (外直徑為14mm,內直徑為IOmm,厚度為1mm)、圓形玻璃片11 (直徑14mm,厚度為2mm),并用機械夾持的方式固定；5.如圖I所示，通過醫用硅膠管6依此將應力細胞加載裝置I、蠕動泵3、培養液儲液池5和應力細胞加載裝置I連接成回路。應力細胞加載裝置I的注射器連接孔15連接壓力腔調節注射器2 ;流動出口孔12和射流入口孔14通過硅橡膠管6與蠕動泵3相連接，流動入口孔13通過硅橡膠管6和培養液儲液池5相連接，形成如圖I所示的流體循環回路；啟動蠕動泵2，使培養液循環起來，讓硅橡膠管6和流動腔16內充滿培養液，同時通過培養液的循環充分排除腔內的空氣，形成一個密閉的流槽；6.壓力腔采用液壓腔時，利用液體加壓泵在壓力腔17內加滿蒸餾水(如圖3)，并連接充滿蒸餾水的壓力腔調節注射器2，充分排除壓力腔內17的空氣，先使硅膠膜9處于未受力變形狀態；若壓力腔采用氣壓腔時，則向壓力腔17內充入氣體；7.當硅膠膜9上培養的細胞符合實驗要求后，即可用注射器2泵出蒸餾水或氣體，向硅膠膜9施加負壓力，使得硅膠膜向下凹起發生彎曲變形(如圖4);也可向硅膠膜9施加正壓力，使得硅膠膜向上凹起發生彎曲變形；記錄硅膠變形后的曲面形狀； 8.啟動蠕動泵3，使得流動腔內的培養液循環流動持續48小時。9.用夾子夾閉與流室出入口 12、13、14、15相連的硅橡膠管，把應力加載單元移回超凈工作臺，拆卸金屬夾具及流動室的圓形玻璃片蓋板7、11和環形PDMS墊片8、10，把帶有細胞的硅膠模膜9移回原培養環境中，將其放置在倒置相差顯微鏡下，調整視野和顯示記錄系統，觀察和采集細胞圖像，以提取細胞的形態特征，并依據步驟7中的變形后的硅膠模9曲面形狀計算細胞受到的流體切應力和壓強大小，將細胞的形態特征與細胞所處的受力環境結合對應分析，確定細胞形態和生物學特性與應力之間的變化規律。通過注射器2對壓力腔17施加不同的壓力，改變壓力腔內的液體或氣體體積，使得硅膠膜9產生不同的變形，同時使得流動腔16的底面產生不同的形狀，從而流動腔16內細胞能受到多種不同的流體應力作用。
此外，射流入口孔14可以在不同的實驗需求中使用或者不使用。需要使用時，在壓力腔頂部設置射流入口，通過調節射流流量大小，改變在流動腔內生物細胞所受壓力狀態。為本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。權利要求
1.一種可變形曲面上細胞流體應力加載方法，涉及流動腔和壓力腔，其特征在于，流動腔與壓力腔之間采用透明彈性膜隔離，透明彈性膜面向流動腔的表面預接種有生物細胞，流動腔充滿細胞培養液，通過壓力腔向透明彈性膜施加壓力使其產生變形，并通過蠕動泵驅動細胞培養液在流動腔內循環流動，從而向生物細胞施加流體切應力和壓力。
2.如權利要求I所述的應力加載方法，其特征在于還從壓力腔頂部開設設置射流入口，通過射流入口向流動腔內泵入細胞培養液，通過調節射流入口處進入細胞培養液的流量大小，改變在流動腔內生物細胞所受壓力狀態。
3.實現權利要求I所述應力加載方法的可變形曲面上細胞流體應力加載裝置，從上往下依次包括夾持固定在一起的第一蓋片(7 )、第一密封墊(8 )、透明彈性膜(9 )、第二密封墊(10)和第二蓋片(11);第一蓋片(7)上開有流動出口孔(12)和流動入口孔(13)，第二蓋片(11)上開有注射器連接孔(15);第一蓋片(7)、第一密封墊(8)和透明彈性膜(9)之間形成流動腔(16)，透明彈性膜(9)、第二密封墊(10)和第二蓋片(11)之間形成壓力腔(17)。
4.根據權利要求3所述的細胞流體應力加載裝置，其特征在于，所述第一蓋片(7)上還開有射流入口孔(14)。
5.根據權利要求3所述的細胞流體應力加載裝置，其特征在于，所述透明彈性膜為硅膠膜、乙烯-醋酸乙烯共聚物或熱塑性聚氨酯彈性體橡膠。
6.一種基于權利要求3或5任意一項所述的可變形曲面上細胞流體應力加載實驗平臺，包括可變形曲面上細胞流體應力加載裝置、壓力腔調節注射器、蠕動泵和儲液池，應力細胞加載裝置的注射器連接孔(15)連接壓力腔調節注射器，應力細胞加載裝置的流動出口孔(12)和射流入口孔(14)通過硅橡膠管與蠕動泵相連接，應力細胞加載裝置的流動入口孔(13)通過硅橡膠管與細胞培養液儲液池(5)相連接，蠕動泵通過硅橡膠管與細胞培養液儲液池相連接。
7.一種基于權利要求4所述的可變形曲面上細胞流體應力加載實驗平臺，包括可變形曲面上細胞流體應力加載裝置、壓力腔調節注射器、蠕動泵和儲液池，應力細胞加載裝置的注射器連接孔(15)連接壓力腔調節注射器(2);應力細胞加載裝置的流動出口孔(12)和射流入口孔(14)通過硅橡膠管與蠕動泵(3)相連接，應力細胞加載裝置的流動入口孔(13)通過硅橡膠管與細胞培養液儲液池(5)相連接，應力細胞加載裝置的射流入口孔(14)通過硅橡膠管與蠕動泵相連接；蠕動泵通過硅橡膠管與細胞培養液儲液池相連接。
全文摘要
本發明公開了一種可變形曲面上細胞流體應力加載方法，流動腔與壓力腔之間采用透明彈性膜隔離，透明彈性膜面向流動腔的表面接種有生物細胞，流動腔中充滿細胞培養液，通過壓力腔向透明彈性膜施加壓力使其發生變形，通過蠕動泵驅動細胞培養液在流動腔內循環流動，從而使生物細胞受到流體切應力和壓力的作用。本發明還提供了實現上述方法的裝置，從上往下包括第一蓋片、第一密封墊、透明彈性膜、第二密封墊和第二蓋片，第一蓋片、第一密封墊和透明彈性膜之間形成流動腔，透明彈性膜、第二密封墊和第二蓋片之間形成壓力腔。本發明可改變生物細胞所在流動腔底面的形狀，同時調節生物細胞所處的流體應力狀態，從而觀察和檢測生物細胞在不同受力狀態下形態和生物學特性變化規律。
文檔編號C12M1/00GK102676446SQ201210137428
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月4日 優先權日2012年5月4日
發明者張峰, 陳瀚, 黃渝侃, 黃鮮榮 申請人:華中科技大學