[发明专利]一种单轴旋转在线剪切体外细胞培养装置

说明书

技术领域

本发明涉及生物力学工程研究领域，具体涉及一种能够对贴壁细胞模拟微重力效应培养同时对细胞施加可控剪切应力的装置。

背景技术

近几十年来，对航天飞行的探索研究越来越受到各国家及学者们的关注，但如何在较长的空间飞行期间，真正以细胞分子生物学理论为基础发展、建立的空间环境有效医学防护和对抗措施还很少。长期或短期空间飞行时力学敏感细胞的细胞骨架发生重排，细胞信号转导、基因表达、细胞增殖和分化等功能异常，进而导致航天员机体产生多种生理病理变化，如骨丢失、免疫力机能下降、肌肉萎缩等。因此，研究细胞分子生物机制对如何对抗空间飞行发生的病理变化有深远意义。由于空间试验的限制，近十几年来国内外设计了多种模拟微重力效应的体外细胞培养装置，用于地面实验对多种体外细胞进行研究。

美国NASA Johnson空间中心研发了一种旋转壁式生物反应器(RWV)，在此基础上又进而研制了细胞旋转培养系统(RCCS)，系统旋转时可使悬浮细胞受到重力向量合为零，利用地基实验对细胞模拟空间微重力效应，作为地面模拟微重力条件的生物反应器而广为应用(Villa A.，Versari S.，Maier J.A.M.and Bradamante S..Cell behavior in simulated microgravity：a comparison of results obtained with RWV and RPM.Gravitational and Space Biology，18(2)：89-90，2005.)。但这两种装置仅能对悬浮细胞模拟微重力效应。20世纪90年代初，日本Hoson等人率先使用随机回转器(random positioning machine，3D-clinostat)模拟微重力效应。与RCCS相比，随机回转器是三维旋转，更有效模拟微重力效应，且贴壁细胞培养可同正常培养一样贴于培养瓶，安置于随机回转器上进行培养(Shintaro Nomura，Teruko Takano-Yamamoto.Molecular events caused by mechanical stress in bone[J].Matrix Biology，2000，19：91-96.)。此外，在2007-08-22公开的公开号为CN 101021517的中国专利申请“双轴驱动框架式回转器”也记载了与随机回转器相似功能的装置。

正常重力条件下，细胞在体内可受到多种力作用，感受力学刺激并将力学信号转化为生化信号，调节其增殖、分化、牵移、基因表达、蛋白质合成和凋亡等方面细胞功能。研究细胞如何感受和传导力学刺激成为进一步深入研究机体如何对外界物理环境产生反应与适应的关键，这也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。如美国乔治亚工学院生物力学实验室Helmlinger G等人设计的脉动流输入式流动腔(Helmlinger G，Geiger RV，Schreck S，et al.Efects of pulsatile flow on cultured vascular endothelial cell morphology[J].ASME J Biomech Engr，1991，113：123-131.)、在2002-04-17公开的公开号为CN2486558的中国专利申请“体外细胞培养平行圆板流动腔”、在2002-04-17公开的公开号为CN2486559的“体外细胞培养装置中的非平行平板流动腔”，以及在2003-09-10公开的公开号为CN2571766的中国专利申请“液体自循环细胞剪切培养池”。

对于研究探索在微重力作用下，细胞受到力学刺激后的生物学效应，需要对体外培养细胞模拟微重力效应的同时施加流体剪切应力载荷进行进一步研究。上述几种装置仅能实现细胞的模拟微重力培养或对细胞施加不同方式的流体剪切应力，不能对体外培养细胞模拟微重力效应的同时施加流体剪切应力载荷。

发明内容

本发明针对目前欠缺可以对体外培养细胞模拟微重力效应同时施加流体剪切应力载荷的装置的问题，提出了一种单轴旋转在线剪切体外细胞培养装置，在实现二维模拟微重力效应的同时，也实现了流动腔对细胞加载流动剪切应力的功能，用于研究细胞在微重力条件下对力学刺激的响应。