[发明专利]一种体外细胞动静态正-负压加载实验系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种体外细胞动静态正-负压加载实验系统及其方法，属于细胞生物力学及组织工程学领域。

背景技术

细胞生物力学是研究细胞和力学因子的相互作用的一门科学，是组织工程学的重要的组成部分。生物体时刻处于各种机械力的作用下，而在体组织和细胞也往往受到压力、剪切力、牵张力、压缩力等不同形式的作用，不同的力学作用下构成一个力学系统，在细胞的多种活动如增殖、分化、粘附、迁移、凋亡中发挥着重要的作用。但是，众多的力学因素在体内难以区分是单一效应还是联合效应。因此，研究单一力学因素的生物力学效应对于明确力学刺激在细胞的生长、分化等活动中的作用具有指导意义。目前，体外细胞力学实验加载装置的研制已经成为研究细胞生物力学的主要方法。压力在体内细胞常见的力学形式，在关节中最为常见。颞颌关节在运动过程中承受着从正压和负压并随着下颌不同的运动方式而变化，因此，能够模拟颞颌关节的压力环境对于研究髁突软骨细胞在软骨改建与再生具有重要意义。

随着组织工程技术的发展，干细胞以其旺盛的增殖和分化潜能，为组织移植和再造提供了更好的方法，但是其最大的缺陷在于所生成的软骨细胞外基质力学性能不足，而在合适的压力作用下干细胞会分化为基质成分更为丰富的软骨组织。因此，设计一种多功能的体外细胞动静态正-负压加载实验系统对于我们研究多种细胞尤其是髁突软骨细胞力学作用下的生物力学响应，进一步揭示细胞在不同的压力作用条件下细胞的形态、增殖、分化、凋亡的力学信号传导机制，对组织工程学建立体外研究模型。

目前，国外研究细胞的压力加载实验装置是以Yousefian研制的细胞压力加载系统为代表的。而在国内，本领域已研制不同类型的细胞压力加载实验装置，但是，这些实验装置还存在着不同程度的局限性。具体包括：(1)现有实验装置虽然能够加载静态压力及动态压力，但是还没有对动态负压和动态正-负压进行模拟，难以满足对颞颌关节研究的需要。(2)现有实验装置还不能对细胞的压力加载环境进行调控，难以满足对细胞长时间的压力加载实验。(3)现有实验装置的加压模式较单一，压力加载的范围窄，难以满足体内不同压力环境细胞的研究。

发明内容

本发明的目的是研制的一种体外细胞动静态正-负压加载实验系统及提供一种细胞压力加载的方法，其特点是在体外对细胞在指定培养条件下可以加载多种形式的压力，包括(静态正压、静态负压、动态正压、动态负压和动态正-负压)，并可以对加载压力的大小、频率、作用时间和压力作用模式进行控制和调节。实验系统可在不影响压力的前提下定时排出部分实验系统内的气体并通过设定的程序打开进气电磁阀补气，按照设定的时间更换整个实验系统内的气体，保持培养环境的CO₂分压和O₂分压恒定，从而保持细胞培养液的PH值及HCO₃^-浓度的稳定。在不同的压力作用模式下通过两种加热方式保持压力培养箱内温度的恒定，通过这些方法保持压力培养箱内的细胞培养的三维环境。该试验系统具有操作简单、性能稳定、控制准确的优点，能够在体外模拟多种细胞体内的力学环境，建立体外研究在体细胞的生物力学响应的平台。

本发明所用的细胞压力加载实验系统其特点是能够模拟在体细胞的力学环境，包括静态正压、静态负压、动态正压、动态负压和动态正-负压。系统的工作原理是：将培养细胞的培养皿或培养板放入培养箱内，打开储气瓶开关，气体从气源储气瓶中通过减压阀、电磁气阀和过滤器进入四通分流器，再进入常压缓冲容器，常压缓冲容器的气体通过压缩泵泵入高压缓冲容器和低压容器，再分别通过高压电磁气阀和低压电磁气阀的控制经过五通分流器进入到压力培养箱，培养箱内的气体再通过五通分流器和常压电磁气阀进入常压缓冲容器，形成一个气体的闭路循环。培养箱内的气体也可通过排气电磁气阀排出，以完成换气。此时，根据设定的压力作用模式、压力大小、频率、作用时间，控制主板通过驱动控制系统控制压缩泵和真空泵工作，为培养箱内提供相应的静态正压、静态负压、动态正压、动态负压和动态正-负压，同时压力培养箱及各压力缓冲容器内的压力和温度均可通过各压力传感器和温度传感器由数据采集系统完成采集，控制主板可显示系统各部分压力及温度参数，并根据设定程序进行调节。实验过程中，可以通过压力培养箱舱门的透明钢化玻璃观察细胞培养的情况，到达设定工作时间后，控制主板按照设定的参数结束压力加载。打开排气电磁阀，排空培养箱的气体，打开培养箱舱门。

发明的目的由以下技术措施来实现：