[发明专利]模拟体内力-电微环境的动态细胞培养方法和培养装置

说明书

本发明涉及一种模拟体内力‑电微环境的动态细胞培养方法和培养装置，培养方法为：在体外将细胞种植在柔性基材上进行培养，并在培养过程中对柔性基材施加起始时间和频率一致、方向一定的循环动态载荷和循环动态电场，各循环周期内，载荷先随时间逐渐增大，至达到最大值后维持一定时间，再随时间逐渐减小，柔性基材的形变率与载荷同步变化；培养装置包括细胞培养室、夹头、压头、用于带动夹头沿平行于柔性基材的方向作往复运动的机构I、用于带动压头沿垂直于柔性基材的方向作往复运动的机构II以及电刺激装置。本发明的培养方法可以准确模拟体内复杂的电学、力学环境，本发明的培养装置组装简便，使用方便，极具推广价值。

技术领域

本发明属于细胞培养设备或装置技术领域，涉及一种模拟体内力-电微环境的动态细胞培养方法和培养装置。

背景技术

体外细胞培养是指在体外环境下，通过模拟体内环境使细胞生长、发育、迁移。细胞的体外培养是判断植入人体材料的细胞生长发育情况的必要技术基础，而模拟与体内细胞生存条件一致的体外生长环境是至关重要的，其中，机械力、电场等影响因子在其中起着不可忽视的作用。

力学环境刺激引起的信号转导通路影响着人体内多种细胞的形态和功能。大量研究显示，机械应力刺激能够影响心肌细胞、肺泡细胞、骨髓间充质干细胞、血管内皮细胞等细胞的形态结构或增殖分化。例如，心肌细胞在机械拉伸力下能够促进基因表达的改变和蛋白质的合成。此外，心肌膜在机械应力作用下变形引起蛋白质构象变化，这些蛋白质锚定到细胞膜上，进而影响离子通道。周期性机械应力刺激可以促进细胞外基质合成与软骨细胞的增殖。

生物电广泛存在于再生和发育的组织、肿瘤转移与炎症中，内生性电场能够调控细胞的迁移分化和神经生长。研究显示，电刺激可以增加控制细胞的迁移并促进细胞增殖、增加DNA的合成、上调特异性蛋白的表达。

单一的力学刺激和单一的电场刺激对于细胞生物学行为的作用已经被广泛研究，但目前综合考虑力学、电场联合刺激应用于细胞或组织培养的装置较为少见。国内现已存在剪切力、电同时刺激的设备以及拉伸力、电同时刺激的设备，但是体内环境应力方向主要是横向或轴向应变，剪切力无法实现这些应变，拉伸力只能实现横向应变。不同体内环境，细胞和组织应变方向不同，理想的模拟体内细胞生长环境的动态细胞培养装置能够根据所模拟环境的具体应变方向、大小和生物电信号强弱与频率等合理选择施加应力的方向及其大小、频率等参数。现有电场刺激多采用金属电极与培养液中离子运动形成电回路的形式，这会引起细胞培养液中的离子及蛋白质的分布不匀、pH变化等问题导致培养液变质，影响模拟效果。

因此，研究一种较好地模拟体内力-电微环境(即力学、电场环境力)的动态细胞培养方法及其培养装置具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中的细胞培养方法和培养装置无法准确模拟体内细胞复杂力-电微环境的问题，提供一种模拟体内力-电微环境的动态细胞培养方法和培养装置。本发明通过对黏附有细胞的柔性基材施加力学和电场刺激，提供了一种模拟体内力-电微环境的动态细胞培养方法及其培养装置，并且可以选择柔性基材应变方向，以实现精确模拟体内环境。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

模拟体内力-电微环境的动态细胞培养方法，在体外将细胞种植在柔性基材上进行培养，并在培养过程中对柔性基材施加循环动态载荷和循环动态电场，以实现模拟体内力-电微环境的动态细胞培养方法；

循环动态载荷和循环动态电场的施加频率为f，循环动态载荷的施加方向为D_F，具体为平行或垂直于柔性基材的方向，循环动态电场的施加方向为平行于柔性基材的方向；

循环动态载荷和循环动态电场的起始时间和频率保持一致；

各循环周期内，载荷先随时间逐渐增大，至达到最大值后维持一定时间，再随时间逐渐减小；