一種可施加動態載荷的細胞三維受力培養裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種可施加動態載荷的細胞三維受力培養裝置，包括帶有出液口和進液口的殼體；設于殼體內用于夾持生物結構的夾緊裝置；對夾緊裝置提供驅動力的驅動電機；用于對殼體內培養液進行加熱的加熱裝置；用于檢測培養液溫度的溫度傳感器，并將溫度信號輸出；用于檢測生物結構所受拉力的拉力傳感器，并將拉力信號輸出；控制器，同于接收所述溫度信號和拉力信號，同時根據接收的信號信息，對驅動電機和加熱裝置輸出控制信號。本發明的裝置結構簡單，制造成本低，易于操作，將混有細胞的生物結構安裝在細胞培養裝置中，通過液晶顯示屏的操作，裝置就會按照設定的程序對其進行力可控的往復拉伸操作，模擬體內環境，實現細胞的培養。
【專利說明】一種可施加動態載荷的細胞三維受力培養裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及細胞培養【技術領域】，尤其是涉及一種可施加動態載荷的細胞三維受力
培養裝置。
【背景技術】
[0002]隨著社會的發展，越來越多的人從事到生命科學領域，促進了生命科學的迅速發展。機體的器官、組織、細胞和生物大分子在力學作用下發生相應的形態和功能改變，這是機體對力學刺激的響應過程，而機體對一定范圍力學刺激的自適應，對于維持正常生理功能具有重要作用。細胞由生物大分子構成，是生命活動的基本單位。研究力對細胞的作用，是揭示器官、組織生物力學特性的基礎，也是進一步研究細胞內生物大分子的生物力學特性的出發點。研究表明，力可以通過影響細胞內基因表達和蛋白質合成來調節細胞功能，在細胞的生理、病理過程中發揮著重要作用。目前，細胞培養已成為細胞生物學、分子生物學、遺傳學和免疫學等學科研究的重要基礎。因此，開發出具有不同針對性的細胞培養方法，對于深入探討細胞的生長活動規律具有重要意義。
[0003]當前，細胞培養廣泛使用各種培養瓶，但局限于單一靜態培養環境，實際上，在正常的生理條件下，細胞往往處于復雜的力學環境當中，如骨細胞、血管內皮細胞以及心肌細胞等等，這些細胞在生長過程中受到一些物理因素的影響如:血流的流體剪切應力、拉伸力和液體壓力等。在常規的細胞培養條件下，此類細胞的真實生長環境無法模擬。因此，需要開發新的細胞培養方法提供與體內細胞生長環境近似的微環境，較為真實的反映細胞的生長情況。
[0004]目前，對細胞的拉伸力作用通常是借助使細胞粘附的基底材料發生形變來實現，其中大多數裝置采用彈性模為基底材料，通過液體或氣體產生的壓力使基底膜變形，然后拉伸細胞，對細胞產生一定范圍的力學`刺激，通過控制形變量大小來控制細胞受力大小。例如，Leung等使用馬達驅動的活塞一聯動裝置拉伸矩形硬蛋白基底，使附著在其上的細胞受到不同大小、不同周期的拉伸力(Leung D Y, Glagov S, Matthews M B.A new in vitrosystem for studying cell response to mechanical stimulation.Different effectsof cyclic stretching and agitation on smooth muscle cell biosynthesis[J].ExpCell Res，1977，109 (2):285_298)。Carosi 和 Neidlinger-Wilke 等改用 DC 馬達控制偏心桿使矩形基底膜產生更為規則的位移(Carosi J A, Eskin S G，Mcintire L V.Cyclicalstrain effects on the production of vasoactive material in endothelialcells[J].J Cell Physiol，1992，151 (1):29-36) (Neidlinger-Wilke C,Grood E S,WangJ H，et al.Cell alignment is induced by cyclic changes in cell length:studiesof cells grown in cyclically stretched subtrates[J].J Orthop Res,2001, 19 (2):286-293)。Kaspar等用電磁驅動矩形硅膠膜產生四點彎曲低應力循環拉伸細胞基底(Kaspar D，Seidl W，Neidlinger-Wilke C，et al.Dynamic cell stretching increaseshuman osteoblast proliferation and CICP synthesis but decreases osteocalcinsynthesis and alkaline phosphatase activity[J].J Biomech,2000, 33 (I):45-51)?Flexercell公司的拉伸裝置，由真空底座和密封墊、正負壓力控制模塊、柔性細胞培養板、計算機監控系統等組成，通過計算機監控系統控制氣體流入速率，通過調節柔性細胞培養板基底膜的垂直形變來控制細胞受力大小。
[0005]專利申請號為CN201310043685.3的專利文獻公開了一種可機械拉伸的微流控芯片細胞培養裝置，利用微量注射泵控制其微通道內的液體流量，進而控制細胞粘附的基底材料應變量，實現在微流控芯片條件下，為細胞提供一個具有機械拉伸作用的生長環境。但該裝置提供的細胞生長環境與以前的裝置沒有很明顯的改善。
[0006]目前現有的發明及裝置中，細胞多處在培養液中，和人體內細胞所處在的一個三維受力環境還有很大的區別，因而目前的細胞培養裝置中細胞的分化、細胞間的通訊方式和體內細胞存在較大的差別，不能夠為醫學研究、細胞生物力學研究等提供很好的借鑒。

【發明內容】

[0007]本發明提供一種可施加動態載荷的細胞三維受力培養裝置，可使細胞培養處在一個擬體內環境，并可根據不同細胞應力刺激的需要，施加不同頻率，不同幅值的動態載荷，以更好的模擬體內的各種受力環境 ，能夠對醫學研究、細胞生物力學研究等提供很好的借鑒。
[0008]—種可施加動態載荷的細胞三維受力培養裝置，包括用于盛放培養液的殼體；還包括:
[0009]設于殼體內用于夾持生物結構的夾緊裝置，包括一個或多個固定夾具、以及與所述固定夾具相互對正的移動夾具，所述生物結構夾持于固定夾具與移動夾具之間；
[0010]對移動夾具提供驅動力的驅動電機；
[0011]用于對殼體內培養液進行加熱的加熱裝置；
[0012]用于檢測培養液溫度的溫度傳感器，并將溫度信號輸出；
[0013]用于檢測生物結構所受拉力的拉力傳感器，并將拉力信號輸出；
[0014]控制器，同于接收所述溫度信號和拉力信號，同時根據接收的信號信息，對驅動電機和加熱裝置輸出控制信號。
[0015]為便于對殼體內運行狀況的觀察，作為優選，所述的殼體上至少設有一塊區域為透明殼。同時，透明殼的設置，便于在人工進行培養液加注時對液面的控制。
[0016]為便于實現培養液的自動加注，提高控制精度，所述優選，所述的可施加動態載荷的細胞三維受力培養裝置還包括:用于對殼體注入培養液的加料裝置；用于檢測培養液的液面高度的液位傳感器，并將高度信號輸出；所述控制器同時接收所述的高度信號，并對加料裝置輸出控制信號。通過液位傳感器和控制器可實現對培養液的自動注入，避免人工操作帶來的不穩定因素影響。同時，根據需要所述的進液口和出液口設有電控閥，通過液位傳感器、進液口和出液口處電控閥開度的控制，可實現在流動培養液環境中的檢測操作，進一步提高了本發明的培養裝置的功能性。
[0017]作為優選，所述的可施加動態載荷的細胞三維受力培養裝置還包括設置在殼體內用于對培養液進行殺毒的紫外燈。紫外燈一般設置在殼體內壁，設置的數量可根據需要設置，一般沿殼體內壁周向均勻設置。[0018]為便于現場檢測人員實時讀取檢測數據，作為優選，所述的殼體上設有用于顯示所述溫度信號、拉力信號和高度信號的液晶顯示屏，該液晶顯示屏上設有對所述控制器進行參數設定的輸入區域。用戶通過液晶顯示屏讀取和設置培養裝置內部的信息。通過控制器實現對各部件的控制，實現對細胞的培養。
[0019]為便于生物結構的夾持和拆卸，同時便于裝置的維修和清理，作為優選，所述的殼體包括頂端敞口的筒體、以及蓋設在筒體頂端的頂板；所述的頂板底端固定有用于支撐所述驅動電機的電機底座，所述驅動電機輸出軸通過所述拉力傳感器與所述移動夾具固定連接。頂板與筒體之間通過鎖緊裝置相互鎖定，所述鎖緊裝置為分布在頂板四個角落上的鎖，當把鎖旋轉90度時，鎖的上端位于筒體頂端的上表面，鎖的下端位于筒體內壁設置的槽內，實現頂板與筒體的固定。
[0020]所述的電機底座可通過多種方式實現與頂板的固定，作為優選，所述的頂板下表面固定有電機水平支架，電機水平支架上固定有電機垂直支架，所述的電機底座固定在電機垂直支架之間，驅動電機布置在電機底座上。
[0021]為保證電機輸出軸按照預定的方向移動，作為優選，所述的電機底座底端固定有拉力導軌；所述的驅動電機輸出軸上固定有穿套在所述拉力導軌上的導軌滑塊。拉力導軌一般設置兩個或者兩個以上，且沿電機輸出軸周向均勻設置。拉力導軌一般為外壁光滑的金屬軸結構。通過控制器控制電機的工作頻率，在控制器和拉力傳感器的配合下，拉力傳感器反饋當前的拉伸力 大小，實現可控的，不同頻率和不同幅值的動態載荷。
[0022]所述的固定夾具與移動夾具可選用多種具有夾持功能的夾具結構，作為優選，所述的固定夾具與移動夾具結構相同，包括:固定座；固定在固定座一側的固定桿；固定在固定座內的夾緊頭，該夾緊頭與固定桿的夾緊端之間構成夾持所述生物結構的夾持位；設置在固定座另一側用于將夾緊頭向固定桿的夾緊端方向推進的推桿，該推桿與所述固定座之間為螺紋配合；將推桿與固定座相對固定的固定件；以及設于固定座與夾緊頭之間實現夾緊頭向遠離推桿的夾緊端方向回位的復位彈簧。
[0023]針對生物結構的特殊結構構造，一般生物結構采用圓柱形，為便于生物結構的夾持，作為優選，所述的夾緊頭夾緊端端面為圓柱面，夾緊頭的材質為硅膠，所夾生物結構的直徑為2~40mm。
[0024]為提高夾緊頭對生物結構的夾緊力，避免生物結構脫落，作為優選，所述的夾緊頭夾緊端端面設有與所述固定桿夾緊端配合夾緊槽。為便于推桿順利的將夾緊頭向固定桿夾緊端方向推進，作為優選，所述的夾緊頭背向夾緊端的一端設有容納推桿端部的凹槽，凹槽的直徑一般大于推桿的直徑，防止推桿與夾緊頭卡牢。
[0025]所述的推桿與固定座之間為螺紋配合，所述的固定件一般為套設在推桿上與其螺紋配合的螺母。為便于螺母的鎖緊，作為優選，所述的推桿遠離夾緊頭的一端端部設有防滑紋，或者在該端端部設置扳手卡接口等。
[0026]安裝在固定座一側的固定桿橫穿夾持物，夾持過程中固定桿的一端位于夾緊頭內，通過固定桿固定螺栓將固定桿固定在固定座中，在固定座內安裝有夾緊頭，夾緊頭背對固定桿的一側與推桿相連，推桿上安裝有推桿固定螺母，推桿與固定座采用螺紋連接，當轉動推桿帶動夾緊頭運動，實現對夾持物的夾緊時，用推桿固定螺母實現對推桿當前位置的固定，在固定夾具和夾緊頭之間安裝有2個復位彈簧，當松開推桿時，通過復位彈簧實現夾緊頭的復位，在固定座的上表面安裝有蓋板，用來防止夾緊頭的脫落。通過固定桿橫穿夾持物，使得在夾緊頭夾緊夾持物的同時，又受到固定桿的作用力，保證夾具的夾緊作用，防止在拉伸過程中，夾持物的脫落。
[0027]所述頂板底面固定有兩個平行設置的支撐板，該兩個支撐板之間固定有用于隔離培養液的隔離板、以及高度可調的固定夾具底座，所述固定夾具固定在固定夾具底座上；所述溫度傳感器、液位傳感器和加熱裝置均設置在隔離板上。固定夾具底座與支撐板之間可采用多種可調結構，作為優選，所述的固定夾具底座兩側設有若干對螺紋孔；所述的兩個支撐板上設有對應的固定孔，通過螺栓穿過固定孔將固定夾具底座固定在支撐板上。上述固定夾具底座可以在支撐板上運動，調節固定夾具底座與移動夾具底座之間的距離，實現對不同長度的生物結構的細胞培養。
[0028]所述加熱裝置可采用加熱棒，加熱棒對稱分布在隔離板的兩端，通過加熱棒對培養液進行加熱，液體的溫度通過溫度傳感器反饋回來，實時讀取液體的溫度，并在液晶顯示屏上顯示，當溫度達到設定的溫度時，控制器關閉加熱棒。
[0029]所述隔離板的材質為亞克力透明板，能讓安裝在支撐板上的紫外燈的紫外光透過隔離板，起到殺菌的效果。
[0030]所述的隔離板與固定夾具底座之間固定有夾具導軌；所述的驅動電機輸出軸端部穿過所述隔離板且固定有移動夾具底座，該移動夾具底座上設有供夾具導軌穿過的通孔，該通孔內設有套接在夾具導軌的直線軸承；所述的移動夾具固定在所述移動夾具底座上。
[0031]對于本發明的裝置所培養的細胞，其包含在三維棒料結構內部，該結構可以利用已有的技術，制造含細胞的活性凝膠棒料。方法1:采用瓊脂糖溶液混入細胞，澆注入圓柱形模具中，通過4°C的冷藏形成含細胞的活性瓊脂糖凝膠棒料。方法2:采用典型的三維生物打印設備打印出來，如可以采用微壓電式噴頭或微熱泡式噴頭噴射混有細胞的海藻酸鈉溶液到氯化鈣溶液中，形成混有細胞的海藻酸鈣凝膠棒狀結構，上述細胞可以是軟骨細胞。
[0032]本發明的細胞培養方法，通過將細胞包含在棒狀結構內部，利用電機對棒狀結構施加不同頻率和不同幅值的動態載荷，實現對細胞施加三維動態載荷，并且加上裝置內部液體的流動和溫控裝置，實現對體內環境的模擬，將混有細胞的生物棒狀結構安裝在細胞培養裝置中，根據不同細胞應力刺激的需要，按照設定的程序對其施加可控的，不同頻率和不同幅值的三維動態載荷，模擬體內環境，實現細胞的培養。
[0033]與現有技術相比，本發明具有如下優點:
[0034](1)本發明的裝置結構簡單，制造成本低，易于操作，將混有細胞的生物結構安裝在細胞培養裝置中，通過液晶顯示屏的操作，裝置就會按照設定的程序對其進行力可控的往復拉伸操作，模擬體內環境，實現細胞的培養。
[0035](2)本發明的裝置體積小，便攜，能同時對多個結構進行細胞培養。
[0036](3)本發明的裝置是一個獨立的細胞培養裝置，使用時，只需要裝置接上電源，外部提供培養液即可，在一般的實驗室都能進行操作。
[0037](4)本發明的裝置能夠對細胞受到的載荷進行控制，按照不同細胞應力刺激的需要，產生不同頻率，不同幅值的動態載荷，可以長時間的自動工作，而且機構簡單，工作可
靠O
[0038](5)能夠對細胞施加三維動態載荷，并且加上裝置內部液體的流動和溫控裝置，實現對體內環境更好的模擬。
[0039](6)夾緊裝置的獨特設計，可以裝夾不同尺寸的結構。
[0040]( 7 )支撐板的獨特設計，使得固定夾具底座能在支撐板上運動，實現對不同長度的生物結構的拉伸。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0041]圖1是本發明的可施加動態載荷的細胞三維受力培養裝置結構示意圖。
[0042]圖2是本發明的鎖緊裝置鎖緊結構示意圖。
[0043]圖3是本發明的鎖緊裝置松開結構示意圖。
[0044]圖4是本發明的驅動電機安裝結構示意圖。
[0045]圖5是本發明的夾緊裝置結構示意圖。
[0046]圖6是本發明的夾緊裝置的俯視圖。
[0047]圖7是本發明的加熱裝置安裝結構主視圖。
[0048]圖8是本發明的隔離板的俯視圖。
[0049]圖中:1為筒體,2為頂板,3為液晶顯示屏,4為驅動電機,5為控制器,6為加熱裝置，7為進液閥,8為夾緊裝置,9為出液閥，10為支撐板,11為隔離板，12為紫外燈，13為鎖，14為電機水平支架，15為電機垂直支架，16為電機本體，17為電機底座，18為拉力導軌，19為導軌滑塊，20為導軌下板，21為傳感器上端連接器，22為拉力傳感器，23為傳感器下端連接器，24為移動夾具底座，25為直線軸承，26為夾具導軌，27為固定夾具底座，28a為固定夾具、28b為移動夾具，29為固定座，30為蓋板，31為推桿固定螺母，32為推桿，33為夾緊頭，34為復位彈簧，35為固定桿固定螺栓，36為固定桿，37為加熱棒，38為溫度傳感器，39為液位傳感器。
【具體實施方式】
[0050]如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8所示，一種可施加動態載荷的細胞三維受力培養裝置，包括:用于盛放培養液的殼體、用于對生物結構進行夾持的夾緊裝置8、對夾緊裝置8提供驅動力的驅動電機4、用于對殼體內培養液進行加熱的加熱裝置6、用于檢測培養液溫度的溫度傳感器38、用于檢測生物結構所受拉力的拉力傳感器22、用于檢測培養液液位的液位傳感器39以及對培養環境進行殺毒的紫外燈12。夾緊裝置8位于驅動電機4的下端；驅動電機4和夾緊裝置8之間安裝有隔離板11。
[0051]上述的細胞培養裝置，如圖1所示，殼體包括頂端敞口的筒體1、以及蓋設在筒體I頂端的頂板2，頂板2上設有液晶顯示屏。筒體I的材質為亞克力透明板，其形狀為上表面敞開的長方體空心盒，筒體I的左右兩側分別安裝有出液口和進液口，出液口內設有出液閥9，進液口內設有進液閥7，出液閥9和進液閥7均可采用電控閥，出液閥9和進液閥7與控制器5相連，通過控制器5控制進液閥7的開啟和出液閥9的關閉，實現培養液的流入，當液位傳感器39檢測到液體時，反饋給控制器5，控制器5關閉進液閥。由于筒體I為透明的亞克力板，也可以手動給裝置加培養液，當觀察到液面達到一定的高度時，停止培養液的供應。當需要實現裝置內液體的流動時，通過在加滿培養液后，即打開進液閥7，又打開出液閥9來實現，通過閥開口的大小來實現流速的控制。[0052]上述的細胞培養裝置，如圖1、圖2和圖3所示，鎖緊裝置為分布在頂板四個角落上的鎖13，鎖13為卡合的可拆卸結構，外形為“[”型，如圖2所示，當把鎖13旋轉90度時，鎖13的上端位于筒體I的側壁頂端表面，鎖13的下端位于筒體I內兩側壁設置的槽內，實現頂板2與筒體I的固定。如圖3所示，當需要裝夾夾持物時，只需要反向旋轉鎖90度，就實現了頂板2與筒體I的分離，可以取出頂板2。
[0053]驅動電機4安裝在頂板2上。驅動電機4包括電機本體16和電機輸出軸，電機本體16通過電機安裝機構與頂板2固定，上述的細胞培養裝置，如圖4所示，電機安裝機構包括安裝在頂板2下表面的電機水平支架14、安裝電機水平支架14底面的電機垂直支架15，以及安裝在2個電機垂直支架15之間的電機底座17，上述電機底座17底面上安裝有拉力導軌18，拉力導軌18的另一端安裝在導軌下板20上，拉力導軌18上滑動配合安裝有導軌滑塊19，導軌滑塊19固定在驅動電機的輸出軸上。電機底座17上安裝有驅動電機4，驅動電機4的輸出軸與傳感器上端連接器21相連，傳感器上端連接器21與拉力傳感器22相連，拉力傳感器22與傳感器下端連接器23相連。拉力傳感器22用于檢測生物結構所受到的拉力，并輸出拉力信號。控制器5按照用戶設定的需求，控制驅動電機的工作頻率和輸出力，在拉力傳感器22反饋當前的拉伸力大小的配合下，實現對細胞施加可控的，不同頻率和不同幅值的動態載荷。
[0054]上述的細胞培養裝置，如圖5所示，夾緊裝置8設于殼體內用于夾持生物結構，包括一個或多個固定夾具28a、以及與固定夾具28a相互對正設置的移動夾具28b，生物結構夾持于固定夾具28a與移動夾具28b之間。夾緊裝置8還包括與傳感器下端連接器23相連的移動夾具底座24，安裝在上述移動夾具底座24上的直線軸承25，上述直線軸承25上安裝有夾具導軌26，在移動夾具底座24的正下方安裝有固定夾具底座27。夾具導軌26的一端固定安裝在隔離板11上，另一端固定安裝在固定夾具底座27上，在移動夾具底座24上安裝有4個均勻分布的移動夾具28b，固定夾具底座27上安裝有4個均勻分布的固定夾具28a，移動夾具28b和固定夾具28a相互對正設置，移動夾具底座24在驅動電機4的作用下沿著夾具導軌26上下運動`，實現與固定夾具底座27之間的相對運動，完成對夾持物的拉伸，并且能保證4個夾持物所受到的拉伸力相同。上述固定夾具底座27安裝在支撐板10上，支撐板10為兩個，頂端與頂板2相連，實現固定夾具底座27與頂板2的固定，保證了固定夾具底座27與移動夾具底座24之間的相對運動。
[0055]如圖6所示，上述移動夾具28b和固定夾具28a結構相同，包括安裝在固定夾具底座27或者移動夾具底座24上的固定座29，安裝在固定座29左側的固定桿36，固定桿36的一端穿過固定座29,通過固定桿固定螺栓35將固定桿36固定在固定座29中,在上述固定座29內安裝有夾緊頭33，上述夾緊頭33的右側與推桿32相連，上述推桿32上安裝有推桿固定螺母31，上述推桿32與固定座29采用螺紋連接，當轉動推桿32帶動夾緊頭33向固定桿36運動，實現對夾持物的夾緊時，用推桿固定螺母31實現對推桿32當前位置的固定，達到夾緊夾持物的目的。在固定座29和夾緊頭33之間安裝有2個復位彈簧34，在夾緊夾持物時，復位彈簧34處于壓縮狀態，當松開推桿32時，復位彈簧34反彈，實現夾緊頭33的復位，卸下夾持物。在固定座29的上表面安裝有蓋板30，用來防止夾緊頭33的脫落。在裝夾時，通過固定桿36橫穿夾持物，使得在夾緊頭33夾緊夾持物的同時，又受到固定桿36的作用力，保證夾具的夾緊作用，防止在往復拉伸過程中，夾持物的脫落。[0056]上述移動夾具28b和固定夾具28a中的夾緊頭33端面為半圓柱體，夾緊頭33的材質為硅膠，所夾物體的直徑為2~40mm。上述移動夾具28b和固定夾具28a中的推桿32頭部為光軸，在夾緊頭33內部平動，只起水平推動作用，中間部位有外螺紋，尾部有防滑紋，便于對推桿的固定。
[0057]上述固定夾具底座27可以在支撐板10上進行高度調整，通過調節固定夾具底座27與移動夾具底座24之間的距離，實現對不同長度的生物結構的細胞培養。固定夾具底座27兩側設有螺孔，通過螺栓將固定夾具底座27固定在支撐板10適當的位置。
[0058]隔離板11的材質為亞克力透明板，能讓安裝在支撐板10上的紫外燈12的紫外光透過隔離板11，起到殺菌的效果。紫外燈12位于頂板2與隔離板11之間；溫控裝置6和控制器5安裝在隔離板11上。
[0059]上述的細胞培養裝置，如圖7、圖8所示，加熱裝置6為分別安裝在隔離板11兩端的加熱棒37，溫度傳感器38安裝在隔離板11上，用于檢測培養液溫度，并將溫度信號輸出。加熱棒37對稱分布在隔離板11的兩端，在液晶顯示屏3上設定一個溫度值，數據就會發送到控制器5,然后處理后發給加熱棒37,通過加熱棒37對培養液進行加熱,液體的溫度通過溫度傳感器38反饋給控制器5，實時讀取液體的溫度，并在液晶顯示屏3上顯示設定的溫度值和當前的溫度值，控制器5按照一定的算法，控制加熱棒37的開和關，例如:當溫度達到某個溫度值時，控制器5關閉加熱棒37，當溫度低于某一值時，再次開啟加熱棒37，使液體的溫度控制在一個設定的正常小范圍內變化。
[0060]上述的細胞培養裝置，控制器5與進液閥7、出液閥9、驅動電機4、紫外燈12、拉力傳感器22、加熱棒37、溫度傳感器38、液位傳感器39和液晶顯示屏3相連，用戶通過液晶顯示屏讀取和設置培養裝置內部的信息，通過控制器5實現對各部件的控制，實現對細胞的培養。
[0061]本發明的模擬體內環境的方法:通過將`細胞包含在棒狀結構內部，利用電機對棒狀結構施加不同頻率和不同幅值的動態載荷，實現對細胞施加三維動態載荷，并且加上裝置內部液體的流動和溫控裝置，實現對體內環境的模擬。
[0062]本發明的裝置裝夾生物結構過程:把頂板2上的鎖13打開，抽出頂板2，筒體I中的所有裝置都會跟著頂板2被抽出，然后把生物結構的一端放進移動夾具底座24上的移動夾具28b里，另一端放進位于正下方的固定夾具底座27上的固定夾具28a里，根據生物結構的不同長度，可以調節固定夾具底座27在支撐板10上的位置，固定夾具28a和移動夾具28b為同一種夾具，夾緊方法相同，當生物結構底部與固定座29接觸后，旋轉推桿32，使推桿32帶動推桿32前面的夾緊頭33向生物結構運動，把生物結構夾緊在固定座29與夾緊頭33之間，然后轉動推桿固定螺母31，鎖住推桿32，接著移動固定座29中的固定桿36，使其穿過生物結構，進入夾緊頭33內部，最后用固定桿固定螺栓35鎖住固定桿36，等裝夾完所有的生物結構后，把頂板2重新放到筒體上，用鎖13鎖住。
[0063]本發明的裝置載荷施加過程:通過液晶顯示屏3設置拉伸力的大小和拉伸頻率，數據經控制器5傳送到驅動電機4，電機軸按照設定的值上下運動，運動經過傳感器上端連接器21，拉力傳感器22，傳感器下端連接器23傳送到移動夾具底座24，帶動移動夾具上下運動，同時，拉力傳感器22把當前的拉力值反饋給控制器5，控制器5通過一定的算法處理后，發送新的數據給驅動電機4，實現閉環控制，達到設定的拉伸力值，完成生物結構的拉伸過程。上述拉伸力不一定是常值，根據不同細胞應力刺激的需要，可以設定不同的拉伸力曲線，實現對細胞的培養。
[0064]本發明的細胞培養過程:把細胞培養裝置放到一個合適的位置上，筒體I的右側連接進液端，左側連接出液端，用液晶顯示屏3開啟紫外燈12，對裝置內部進行殺菌處理，經過一段時間后，把混有細胞的生物結構安裝在夾緊裝置8中，在液晶顯示屏3上設定拉伸力曲線，拉伸頻率，液體溫度和液體流動速度，點擊開始按鈕，培養液進入裝置內，然后開始對生物結構施加載荷，模擬體內環境，實現細胞的培養。
[0065]具體實例
[0066]用本發明的細胞培養裝置拉伸混有軟骨細胞的棒狀生物結構，實現對軟骨細胞的培養。
[0067]步驟一、將軟骨細胞混入瓊脂糖溶液中，將混合均勻后的溶液澆注入圓柱形模具中，通過4°C的冷藏形成含軟骨細胞的活性瓊脂糖凝膠棒料。
[0068]步驟二、打開紫外燈，經過一段時間后，打開鎖，抽出細胞培養裝置內部的夾緊裝置，將上述混有軟骨細胞的海藻酸鈣凝膠棒狀結構裝夾到夾緊裝置中，然后把其放到筒體內部，鎖上鎖，在細胞培養裝置的右側連接培養液進液端，左側連接出液端。
[0069]步驟三、在液晶顯示屏上，設定對棒狀結構的拉伸力曲線，拉伸頻率，培養液的液體溫度和液體流動速度，點擊開始按鈕，培養液進入裝置內部，裝置內的液體產生一定的流動速度，然后電機工作，開始對棒狀生物結構施加載荷，當液體溫度低于某個值時，加熱棒工作，維持液體溫度在一個小的范圍內，實現對軟骨細胞的培養。
[0070]上述步驟一也可以采用這種方法，采用三維生物打印設備，將混有軟骨細胞的海藻酸鈉溶液通過微壓電噴頭噴射到正下方的氯化鈣溶液中，通過工作面的升降和噴頭的平面運動，打印出一個混有軟骨細胞的海藻酸鈣凝膠棒狀結構。
【權利要求】
1.一種可施加動態載荷的細胞三維受力培養裝置，包括用于盛放培養液的殼體；其特征在于，還包括: 設于殼體內用于夾持生物結構的夾緊裝置，該夾緊裝置包括一個或多個固定夾具、以及與所述固定夾具相互對正的移動夾具，所述生物結構夾持于固定夾具與移動夾具之間；對移動夾具提供驅動力的驅動電機； 用于對殼體內培養液進行加熱的加熱裝置； 用于檢測培養液溫度的溫度傳感器，并將溫度信號輸出； 用于檢測生物結構所受拉力的拉力傳感器，并將拉力信號輸出； 控制器，同于接收所述溫度信號和拉力信號，同時根據接收的信號信息，對驅動電機和加熱裝置輸出控制信號。
2.根據權利要求1所述的可施加動態載荷的細胞三維受力培養裝置，其特征在于，還包括: 用于對殼體注入培養液的加料裝置； 用于檢測培養液的液面高度的液位傳感器，并將高度信號輸出； 所述控制器同時接收所述的高度信號，并對加料裝置輸出控制信號。
3.根據權利要求1所述的可施加動態載荷的細胞三維受力培養裝置，其特征在于，還包括設置在殼體內用于對培養液進行殺毒的紫外燈。
4.根據權利要求2所述的可施加動`態載荷的細胞三維受力培養裝置，其特征在于，所述的殼體上設有用于顯示所述溫度信號、拉力信號和高度信號的液晶顯示屏，該液晶顯示屏上設有對所述控制器進行參數設定的輸入區域。
5.根據權利要求1~4任一權項所述的可施加動態載荷的細胞三維受力培養裝置，其特征在于，所述的殼體包括頂端敞口的筒體、以及蓋設在筒體頂端的頂板；所述的頂板底端固定有用于支撐所述驅動電機的電機底座，所述驅動電機輸出軸通過所述拉力傳感器與所述移動夾具固定連接。
6.根據權利要求5所述的可施加動態載荷的細胞三維受力培養裝置，其特征在于，所述的電機底座底端固定有拉力導軌；所述的驅動電機輸出軸上固定有穿套在所述拉力導軌上的導軌滑塊。
7.根據權利要求1~4任一權項所述的可施加動態載荷的細胞三維受力培養裝置，其特征在于，所述的固定夾具與移動夾具結構相同，包括: 固定座； 固定在固定座一側的固定桿； 固定在固定座內的夾緊頭，該夾緊頭與固定桿的夾緊端之間構成夾持所述生物結構的夾持位； 設置在固定座另一側用于將夾緊頭向固定桿的夾緊端方向推進的推桿，該推桿與所述固定座之間為螺紋配合； 將推桿與固定座相對固定的固定件； 以及設于固定座與夾緊頭之間實現夾緊頭向遠離推桿的夾緊端方向回位的復位彈簧。
8.根據權利要求7所述的可施加動態載荷的細胞三維受力培養裝置，其特征在于，所述的頂板底面固定有兩個平行設置的支撐板，該兩個支撐板之間固定有用于隔離培養液的隔離板、以及高度可調的固定夾具底座，所述固定夾具固定在固定夾具底座上；所述溫度傳感器、液位傳感器和加熱裝置均設置在隔離板上。
9.根據權利要求8所述的可施加動態載荷的細胞三維受力培養裝置，其特征在于，所述的隔離板與固定夾具底座之間固定有夾具導軌；所述的驅動電機輸出軸端部穿過所述隔離板且固定有移動夾具底座，該移動夾具底座上設有供夾具導軌穿過的通孔，該通孔內設有套接在夾具導軌的直線軸承；所述的移動夾具固定在所述移動夾具底座上。
10.根據權利要求7所述的可施加動態載荷的細胞三維受力培養裝置，其特征在于，所述的夾緊頭夾 緊端端面為圓柱面，夾緊頭的材質為硅膠，所夾生物結構的直徑為2~40_。
【文檔編號】C12M1/36GK103756898SQ201310724947
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年12月24日 優先權日:2013年12月24日
【發明者】賀永, 邵惠鋒, 傅建中, 朱偉杰, 賴金濤 申請人:浙江大學