[发明专利]一种剪切力-电刺激平行方向联合加载的细胞培养装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种剪切力-电刺激平行方向联合加载的细胞培养装置，属于细胞工程和组织工程技术领域。 

背景技术

在组织工程中，细胞、组织的体外功能化培养已成为组织工程的核心，也是形成组织工程产业的必要技术基础。而提供与细胞体内生存条件相似的体外生长环境，对于细胞、组织的三维培养及其功能化至关重要。其中，机械力、电场等物理影响因子在其中起着不可忽视的作用。 

力学环境对器官、组织、细胞甚至亚细胞等各个层次的生命活动都有重要的影响。细胞间隙液流体剪切力有助于骨细胞感知细胞周围机械环境变化，在机械力信号传导中发挥重要的作用，从而影响骨细胞活化、骨细胞矿物动态平衡和矿化等。流动剪切力可调节成骨细胞的增殖、分化、矿化，这种调节表现出对流动剪切力大小的依赖性。低剪切力可激活血管平滑肌细胞的C-fos和C-myc基因，调节其转录，从而调节剪切力-血管平滑肌细胞的信号转导通路，进而影响血管平滑肌细胞的增殖和凋亡。在剪切力作用下内皮细胞的面积和长轴长度逐渐增加，长轴沿流向排列；剪切力能激活内皮细胞整合素、钾离子、钙离子通道等，将机械信号转化为生化信号，从而促进内皮细胞黏附及分泌等；剪切力还能够诱导人内皮细胞凋亡抑制蛋白的表达，从而抑制内皮细胞凋亡，发挥抗动脉粥样硬化作用。 

内源性生理性电场广泛存在于活体组织器官，对细胞行为具有明显的影响。有研究发现脉冲电场可影响不同种群和同种群不同部位来源的内皮细胞。电刺激可以引起内皮细胞的增殖、趋阴迁徙，同时伴随细胞分泌物释放的增加，从而调节血管张力和血管平滑肌细胞的生长，介导血管收缩和舒张。电场可促进体外培养的成骨细胞增殖和骨生长因子如骨形成蛋白、β转化生长因子、胰岛素样生长因子II的形成。在对骨骼肌的电刺激研究时发现，频率为10Hz的电刺激可使骨骼肌中血管内皮生长因子mRNA及蛋白表达增加。在心肌细胞培养过程中，加载脉冲直流电场，发现肌原纤维α-肌动蛋白、间隙连接蛋白43、α-肌球蛋白重链及β-肌球蛋白重链呈高水平表达，心肌细胞形态变为狭长且平行于电场方向排列，可见闰盘，相邻心肌细胞间建立缝隙连接，呈电-机械偶联。无电场作用时，心肌细胞上述特征标记表达很低。 

由以上可知，力刺激或电场刺激的分别加载，能够对细胞的生长产生重要影响。单一的力刺激和单一的电场刺激对于维持细胞正常功能、促进细胞分化及分泌等的作用已经被广泛 研究。目前已经有研究者开始考虑将这两种因素综合应用在组织、细胞的培养中。国内至今也还未发现可同时对细胞加载剪切力和电刺激的培养装置。在我们的先期研究中，剪切力加载装置中采用了针电极-板电极及板电极-板电极体系，能提供剪切力刺激和电刺激联合加载，但剪切力方向与电刺激方向均为垂直加载方式。本发明提供一种能同时加载剪切力刺激和电刺激的细胞培养装置，且剪切力与电刺激为平行方向的加载方式。 

本发明中的金属电极宽度为细胞培养基底宽度的2-3倍，在加载电刺激时，易于在细胞培养器的平行板流动腔内形成均匀的电场，保证细胞所受到的电刺激为均匀电场。在已有报道中的单一电刺激加载培养装置中随着时间推移会在电极周围造成有害电解产物的累积，随着培养基的流动对细胞活力产生负面影响，本发明在培养细胞的平行板流动腔两侧设置了充满培养液的储液槽，将金属电极放置在槽体的两侧，增大了电极与培养的细胞之间的距离，可以有效地缓解电解质对细胞活力的影响，改善细胞培养环境。 

发明内容

体外环境与体内环境相差甚远，模拟体内细胞的生长环境，促进细胞的生长和分化，对推动细胞和组织工程快速发展有深远的影响，本发明提供了一种剪切力-电刺激平行方向联合加载的细胞培养装置。 

本发明为解决现有方法不能模拟体内细胞处于剪切力、电刺激同时存在的物理微环境的技术问题，提出一种剪切力-电刺激平行方向联合加载的细胞培养装置，采用剪切力刺激与电刺激联合加载，将细胞置于剪切力刺激与电刺激平行加载下，模拟体内细胞生存环境，促进细胞的生长及分化，构建出具有特定功能的细胞或组织。 

本发明为一种剪切力-电刺激平行方向联合加载的细胞培养装置，包括动物细胞培养箱、信号发生器、蠕动泵及设置在动物细胞培养箱内部的上游储液瓶、下游储液瓶、三通、空气滤器和细胞培养器。 

动物细胞培养箱两侧分别设有一个与外界相通的孔道，信号发生器的电极线与蠕动泵的硅胶管分别通过孔道与细胞培养器相连。培养箱提供细胞生长所需的二氧化碳、温度和湿度环境。