一种用于细胞牵拉刺激的高通量培养装置

摘要

本发明公开了一种用于细胞牵拉刺激的高通量培养装置，包括：第一有机玻璃板和第二有机玻璃板，第一有机玻璃板和第二有机玻璃板上具有通孔，在第一有机玻璃板与第二有机玻璃板之间设置有硅胶膜，第二有机玻璃板的下部设置有第三有机玻璃板，第二有机玻璃板与第三有机玻璃板之间设置有第一有机玻璃框，第二有机玻璃板、第三有机玻璃板和第一有机玻璃框形成有机玻璃空腔，有机玻璃空腔的两侧分别通过通道与压力控制单元连接，第一有机玻璃框的两侧设置有细孔连通有机玻璃空腔内部和通道。该装置可以精细调节薄膜拉伸量，还可以实现周期性牵拉，在将装置倒置并配备透明托盘后还能实现牵拉过程中的显微观察。

权利要求

1.一种用于细胞牵拉刺激的高通量培养装置，其特征在于，包括：第一有机玻璃板（1）和垂直叠放于所述第一有机玻璃板（1）下部的第二有机玻璃板（2），所述第一有机玻璃板（1）和所述第二有机玻璃板（2）上具有位置相对应的通孔，在所述第一有机玻璃板（1）与所述第二有机玻璃板（2）之间设置有硅胶膜（3），所述第二有机玻璃板（2）的下部设置有第三有机玻璃板（4），所述第二有机玻璃板（2）与所述第三有机玻璃板（4）之间设置有第一有机玻璃框（6），所述第二有机玻璃板（2）、所述第三有机玻璃板（4）和所述第一有机玻璃框（6）形成有机玻璃空腔，所述有机玻璃空腔的两侧分别通过有机玻璃管形成的通道（5）与压力控制单元连接，所述第一有机玻璃框（6）的两侧设置有细孔（7）连通所述有机玻璃空腔内部和通道（5），所述压力控制单元包括信号发生器（11），在所述信号发生器（11）发出的两路信号中，第一路信号依次连接第一电磁继电器（12）、第一储液池（18）和压缩气瓶（16），第二路信号通过反相器（13）依次连接第二电磁继电器（14）和第二储液池（25）。

2.如权利要求1所述用于细胞牵拉刺激的高通量培养装置，其特征在于，还包括透明托盘（9），且所述高通量培养装置设置为倒置于透明托盘（9）上形成倒置式高通量培养装置。

3.如权利要求2所述用于细胞牵拉刺激的高通量培养装置，其特征在于，所述透明托盘（9）包括第四有机玻璃板以及粘贴于所述第四有机玻璃板上的第二有机玻璃框。

4.如权利要求3所述用于细胞牵拉刺激的高通量培养装置，其特征在于，所述第一有机玻璃板（1）、第二有机玻璃板（2）和所述第三有机玻璃板（4）的横截面尺寸均为

127mm×85mm，所述第一有机玻璃板（1）的厚度为6mm，且所述第二有机玻璃板（2）、所述第三有机玻璃板（4）和所述第一有机玻璃框（6）的厚度均为2mm，且所述第一有机玻璃框（6）的侧壁宽度为2.5mm。

5.如权利要求1所述用于细胞牵拉刺激的高通量培养装置，其特征在于，所述通孔为圆孔，半径为6mm，呈5×4的矩阵排列。

6.如权利要求1所述用于细胞牵拉刺激的高通量培养装置，其特征在于，所述硅胶膜（3）的厚度为0.254mm，其横截面尺寸大于所述第一有机玻璃板（1）的横截面尺寸。

7.如权利要求1所述用于细胞牵拉刺激的高通量培养装置，其特征在于，所述细孔（7）的直径为1mm，所述通道（5）的外径为6mm，内径为4mm。

8.如权利要求1-7任一项所述用于细胞牵拉刺激的高通量培养装置，其特征在于，在所述第一电磁继电器（12）和所述第一储液池（18）之间设置有第一阀门（19），在所述第二电磁继电器（14）和第二储液池（25）之间设置有第二阀门（23）。

9.如权利要求8所述用于细胞牵拉刺激的高通量培养装置，其特征在于，所述第一阀门（19）与有机玻璃空腔一侧的通道连接，所述第二阀门（23）与有机玻璃空腔另一侧的通道连接，在所述第一阀门（19）与有机玻璃空腔一侧的所述通道（5）的连接通路上设置有第一流量计（21），在所述第二阀门（23）与所述第二储液池（25）的连接通路上设置有第二流量计（24）。

说明书

一种用于细胞牵拉刺激的高通量培养装置

技术领域

[0001] 本发明涉及生物医学工程领域，特别是涉及一种用于细胞牵拉刺激的高通量培养装置。

背景技术

[0002] 现代生物研究表明，细胞外部生理环境会对细胞功能产生影响，而其中力学因素对细胞的生长、分化、发展和免疫反应起着至关重要的作用。因此研究细胞受牵拉后如何将力学刺激转变为细胞内的电化学信号，尤其是骨骼肌细胞和心肌细胞受牵拉后的反应日趋受到关注。

[0003] 对细胞进行牵拉的原理，一般是使用硅胶等生物兼容性良好，同时自身杨氏模量较小、易于形变的弹性材料，在其上培养细胞，待细胞紧贴生长后对硅胶材料进行拉伸，从而带动细胞牵拉。目前已有多种结构用于细胞牵拉刺激的研究，可以归纳为两类方案：一类是利用嵌套的不锈钢圈等结构手工操作实现硅胶膜均匀拉伸来牵拉细胞；另一类则主要依赖计算机控制机械装置对硅胶材料制成的细胞培养装置做整体的牵拉。然而这两类方案各有利弊：第一类方案需要手动调节细胞牵拉程度，可以做到精细调节拉伸量，但是只适用于静态牵拉实验，而难于实现周期性牵拉。第二类方案已有商业化产品，可以实现周期性牵拉，且重复牵拉的精度和一致性高，但是其成本极其昂贵，又受制于结构自身，不能在细胞培养常用的物镜倒置式显微镜下观察和进行高通量分析。

发明内容

[0004] （一）要解决的技术问题

[0005] 本发明要解决的第一技术问题是如何在节约成本的前提下实现细胞的周期性牵拉和高通量分析；

[0006] 本发明要解决的第二技术问题是如何对细胞的周期性牵拉过程方便地进行显微观察。

[0007] （二）技术方案

[0008] 为解决上述技术问题，提供一种用于细胞牵拉刺激的高通量培养装置，包括：第一有机玻璃板和垂直叠放于所述第一有机玻璃板下部的第二有机玻璃板，所述第一有机玻璃板和所述第二有机玻璃板上具有位置相对应的通孔，在所述第一有机玻璃板的下表面与所述第二有机玻璃板的上表面之间设置有硅胶膜，所述第二有机玻璃板的下部设置有第三有机玻璃板，所述第二有机玻璃板与所述第三有机玻璃板之间设置有第一有机玻璃框，所述第二有机玻璃板、所述第三有机玻璃板和所述第一有机玻璃框形成有机玻璃空腔，所述有机玻璃空腔的两侧分别通过有机玻璃管形成的通道与压力控制单元连接，第一有机玻璃框的两侧设置有细孔连通所述有机玻璃空腔内部和通道。

[0009] 优选地，还包括透明托盘，且所述高通量培养装置设置为倒置于透明托盘上形成倒置式高通量培养装置。

[0010] 优选地，所述透明托盘包括第四有机玻璃板以及粘贴于所述第四有机玻璃板上的第二有机玻璃框。

[0011] 优选地，所述第一有机玻璃板、第二有机玻璃板和所述第三有机玻璃板的横截面尺寸均为127mm×85mm，所述第一有机玻璃板的厚度为6mm，所述第二有机玻璃板、所述第三有机玻璃板和所述第一有机玻璃框的厚度均为2mm，且所述第一有机玻璃框的侧壁宽度为2.5mm。

[0012] 优选地，所述通孔为圆孔，半径为6mm，呈5×4的矩阵排列。

[0013] 优选地，所述硅胶膜的厚度为0.254mm，其横截面尺寸大于所述第一有机玻璃板的横截面尺寸。

[0014] 优选地，所述细孔的直径为1mm，所述通道的外径为6mm，内径为4mm。

[0015] 优选地，所述压力控制单元包括：信号发生器，与所述信号发生器发出的两路信号中，第一路依次连接第一电磁继电器、第一储液池和压缩气瓶，第二路通过反相器依次连接第二电磁继电器和第二储液池。

[0016] 优选地，在所述第一电磁继电器和所述第一储液池之间设置有第一阀门，在所述第二电磁继电器和第二储液池之间设置有第二阀门。

[0017] 优选地，所述第一阀门与有机玻璃空腔一侧的通道连接，所述第二阀门与有机玻璃空腔另一侧的通道连接，在所述第一阀门与所述通道的连接通路上设置有第一流量计，在所述第二阀门与所述第二储液池的连接通路上设置有第二流量计。

[0018] （三）有益效果

[0019] 本发明的高通量培养装置使用嵌有硅胶膜的双层有机玻璃孔板结构，硅胶膜的上方孔板阵列培养细胞，下方空腔传输压力驱动。通过使用单一压力源对上方所有细胞培养单元同时施加周期性压力，从而对细胞牵拉实现统一控制。该装置通过配备透明托盘还可实现倒置接触式牵拉模式，方便装置在细胞牵拉过程中进行显微观察。和嵌套钢圈等的简易装置相比，不但可以精细调节薄膜拉伸量，还可以实现周期性牵拉，而成本并未发生显著增加。和计算机控制机械装置相比，能够实现高通量分析，在将装置倒置并配备透明托盘后还能实现牵拉过程中的显微观察。该装置制作相对简单，同时功能完备，具有重要的实用价值和产业化前景。

附图说明

[0020] 图1（a）是依据本发明一个实施例的用于细胞牵拉刺激的高通量培养装置的结构示意图;

[0021] 图1（b）是依据本发明另一实施例的用于细胞牵拉刺激的高通量培养装置的结构示意图;

[0022] 图2（a）-图2（c）分别是依据本发明实施例的用于细胞牵拉刺激的高通量培养装置的第一（第二）有机玻璃板、有机玻璃框、第三有机玻璃板的结构示意图；

[0023] 图3是依据本发明另一实施例的用于细胞牵拉刺激的高通量培养装置的压力控制单元的结构示意图；

[0024] 图4（a）和图4（b）是依据本发明另一实施例的用于细胞牵拉刺激的高通量培养装置的应用示意图。

[0025] 其中，1、第一有机玻璃板；2、第二有机玻璃板；3、硅胶膜；4、第三有机玻璃板；5、通道；6、第一有机玻璃框；7、细孔；8、高通量培养装置；9、透明托盘；10、倒置高通量培养装置；11、信号发生器；12、第一电磁继电器、13、反相器；14、第二电磁继电器；15、液压控制的信号系统；16、压缩气瓶；17、压缩气体方向；18、第一储液池；19、第一阀门；20、第一流量计；21、液体进入装置的方向；22、装置排出液体的方向；23、第二阀门；24、第二流量计；25、第二储液池；26、气体排出方向。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

[0027] 如图1（a）所示，本发明一个实施例提供了一种用于细胞牵拉刺激的高通量培养装置，包括：第一有机玻璃板1、第二有机玻璃板2和硅胶膜3，第一有机玻璃板1和第二有机玻璃板2垂直叠放，第一有机玻璃板1和第二有机玻璃板2上具有位置相对应的通孔，硅胶膜3设置于第一有机玻璃板1的下表面与第二有机玻璃板2的上表面之间，第二有机玻璃板2的下部设置有第三有机玻璃板4，第二有机玻璃板2与所述第三有机玻璃板4之间设置有第一有机玻璃框6，所述第二有机玻璃板2、所述第三有机玻璃板4和所述第一有机玻璃框6形成有机玻璃空腔，所述有机玻璃空腔的两侧分别通过有机玻璃管形成的通道5与压力控制单元连接，第一有机玻璃框6的两侧设置有细孔7连通所述有机玻璃空腔内部和通道5。

[0028] 该实施例中的高通量培养装置可按照如下方法实现，首先，一层较厚的第一有机玻璃板1、一层硅胶膜3和一层较薄的第二有机玻璃板2粘接形成一个三明治结构；然后，将一个矩形的第一有机玻璃框6的壁上钻出细孔7形成有机玻璃空腔的侧壁，并粘贴到作为该有机玻璃空腔下壁的第三有机玻璃板4上；之后将第二有机玻璃板2的下部和空腔的侧壁、亦即第一有机玻璃框6粘接到一起，最后将通道5粘接到侧壁上与细孔7联通，形成有机玻璃空腔连接到压力控制单元的通道，从而形成一种高通量培养装置8，细胞将培养于硅胶膜3朝向第一有机玻璃板1的一面。

[0029] 如图1（b）所示，本发明另一实施例提供了一种用于细胞牵拉刺激的高通量培养装置，包括：第一有机玻璃板1、第二有机玻璃板2和硅胶膜3，第一有机玻璃板1和第二有机玻璃板2垂直叠放，第一有机玻璃板1和第二有机玻璃板2上具有位置相对应的通孔，硅胶膜3设置于第一有机玻璃板1的下表面与第二有机玻璃板2的上表面之间，第二有机玻璃板2的下部设置有第三有机玻璃板4，第二有机玻璃板2与所述第三有机玻璃板4之间设置有第一有机玻璃框6，所述第二有机玻璃板2、所述第三有机玻璃板4和所述第一有机玻璃框6形成有机玻璃空腔，所述有机玻璃空腔的两侧分别通过有机玻璃管形成的通道5与压力控制单元连接，第一有机玻璃框6的两侧设置有细孔7连通所述有机玻璃空腔内部和通道5。此外，该高通量培养装置还包括置于第一有机玻璃板1下的透明托盘9。透明托盘9包括第四有机玻璃板以及粘贴于第四有机玻璃板上的第二有机玻璃框。

[0030] 该实施例中的高通量培养装置可按照如下方法实现：先按照第一实施例中的实现方法制作高通量培养装置8，另取大小两个第二有机玻璃框，嵌套粘接到第四有机玻璃板上形成透明托盘9，并在其上倒置放置高通量培养装置8，则完成一种用于细胞牵拉刺激的倒置高通量培养装置10的制作。其中，两个第二有机玻璃框用于防止培养液从内层有机玻璃框溢出后粘污外部环境。将高通量培养装置8倒置是为了使硅胶膜鼓起后接近透明托盘9的底部，从而利于位于装置底部以下的显微镜对细胞牵拉过程的显微实时观察。

[0031] 如图2（a）和图2（c）所示，第一有机玻璃板1、第二有机玻璃板2和第三有机玻璃板4的横截面尺寸均优选为127mm×85mm，第一有机玻璃板1的厚度优选为6mm，且第二有机玻璃板2和第三有机玻璃板4的厚度均优选为2mm。第一有机玻璃板1和第二有机玻璃板2上的通孔为圆孔，半径优选为6mm，呈5×4的矩阵排列。硅胶膜3的厚度为0.254mm，其横截面尺寸大于第一有机玻璃板1的横截面尺寸。有机玻璃空腔的第一有机玻璃框6的外部测量尺寸为长127mm，宽85mm，高度为2mm，侧壁宽度为2.5mm，而第一有机玻璃框6上钻出的细孔7的直径为1mm，侧壁上连接到外部压力控制单元的通道5的外径6mm，内径4mm，如图2（b）所示。

[0032] 如图3所示为本发明实施例的液压控制单元的结构示意图，信号发生器11送出的信号分为两路，一路信号直接控制第一电磁继电器12，另一路则经过反相器13后控制第二电磁继电器14，保持第一电磁继电器12与第二电磁继电器14、第一阀门19与第二阀门23始终处于开关状态反向，由此信号发生器11、第一电磁继电器12、反相器13和第二电磁继电器14组成液压控制的信号系统15。液压控制系统的工作方式为：信号系统15送出信号使得第一阀门19打开而第二阀门23关闭，气体从压缩气瓶16中按压缩气体方向17进入第一储液池18，从而使其内部压强增大，则液体从第一储液池18中压出，经第一阀门19和第一流量计20，沿液体进入装置的方向21进入高通量培养装置8或倒置高通量培养装置10的空腔对其施加压强；当信号系统15的信号翻转后，第一阀门19关闭而第二阀门23打开，高通量培养装置8或倒置高通量培养装置10空腔中的压强大于方向22后的各处，因此液体沿装置排出液体的方向22经第二阀门23和第二流量计24进入第二储液池25，并通过气体排出方向26向外界排出气体，从而释放压强。如是反复，液压控制系统可以做到对倒置高通量培养装置10施加周期性往复压力。调节信号发生器11的信号频率可以控制施加往复压力的周期，调节压缩气瓶16释放的气体流速可以控制施加往复压力的峰值大小。

[0033] 本发明实施例的用于细胞牵拉刺激的功能应用如图4所示，以倒置高通量培养装置10为例，当液体沿液体进入装置的方向21进入倒置高通量培养装置10的空腔并施加强时，硅胶膜3的杨氏模量较小，发生明显的膨胀形变，从而使培养在第一有机玻璃板1一面的硅胶膜3表面的细胞受到牵拉，如图4（a）所示；当液体沿排出液体的方向22从倒置高通量培养装置10中排出时，倒置高通量培养装置10的空腔压强回复常压，则硅胶膜3的形变消除，从而撤去培养在第一有机玻璃板1一面的硅胶膜3表面的细胞牵拉，如图4（b）所示。

[0034] 由以上实施例可以看出，本发明实施例的用于细胞牵拉刺激的高通量培养装置使用嵌入硅胶膜的双层有机玻璃孔板，硅胶膜上方孔板培养细胞，而下方孔板对硅胶膜起到支撑和保护作用，在硅胶膜受重力作用微垂时保护作用尤为明显，确保培养于各孔腔间的细胞不会相互影响干扰。该细胞牵拉高通量培养装置的孔板阵列与硅胶膜共同使用一个空腔，因此使用单一压力源便可对所有培养单元的细胞统一进行牵拉，从而实现高通量分析。通过配备额外的压力控制单元，可以将压强实时传递给上方培养单元，并且更容易通过机械方式来控制压力输出变化，从而实现周期性牵拉。追加一个透明托盘或者培养皿便可实现倒置接触式牵拉模式，满足生物实验常用的物镜倒置显微镜的对焦范围，从而能够以实现细胞牵拉过程中的显微实时观察。该用于细胞牵拉刺激的高通量培养装置的制备结构和工艺简单易行，能够大大降低装置的加工难度和成本，应用于生物医学更加方便，并可最终满足产业化需求。

[0035] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。