专利名称：一种模拟肺内环境的细胞培养装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属生物医学仪器领域，涉及细胞培养装置，具体涉及一种模拟肺内环 境的细胞培养装置。
背景技术：
气-液平面及机械张力是肺内细胞生长微环境的重要特征。Christelle C等证 实，小鼠胚胎干细胞在有气液平面的生长环境下可以分化成类似的假复层纤毛柱状上皮 (Coraux C, Embryonic stem cells generate airway epithelial tissue. Am J Respir Cell Mol Biol. 2005 ；32 87-92)；也有研究证实，机械张力可以影响肺部细胞的信号传导 (Liu MjMechanical force-induced signal transduction in lung cells. Am J Physiol 1999 ；277 :L667-L683)。2008年由美国国家和心肺研究所(NHLBI)和美国胸科协会(ATS) 举办的“干细胞、肺生物学和肺病中的细胞治疗”学术研讨会上，提出为加深对干细胞与 其所处微环境相互作用的理解，建议发展能够模仿肺内干细胞生存微环境的细胞培养体 系和方法，具体从以下4个方面入手(1)含气-液界面，(2)含三维支架/人工基质，多种类型细胞复合培养，(4)具有一定的机械张力(DanielJ. Weiss, Stem Cells and Cell Therapies in Lung Biology and Lung Diseases. Proc Am Thorac Soc. 2008(5) 637-667)。现有技术公开的有关气液平面的细胞培养装置有银屑病基础研究模型的建 立方法及气液平面跨膜装置(申请号200910010891. X)、用于筛选退色剂的色素化皮肤 类似物模型及其构建方法(申请号200810150822. 2)、一种细胞负压培养装置(申请号 200920206478. 4)，所述现有技术均无法对培养的细胞施加张力；已申请专利的对离体培 养细胞提供机械张力的装置，如一种对细胞实施持续牵张应力作用的培养装置(申请号 200920126151. 6)、细胞牵张应力控制装置(申请号200520079070. 7)均无法对培养的细胞 施加气液平面。硅胶膜是一种应用广泛的高分子生物医学材料，硅橡胶膜式氧合器使用的就是硅 胶薄膜将血液与气体分开，气体通过弥散作用通过薄膜到达血液，且不渗血。它对02，CO2 气体的渗透性在各种合成聚合物中占绝对优势，且对人体细胞无害(人工肺用膜，中国医 疗器械杂志，1980 ；1 :50-53)。已有学者发现，流经0. 2mm厚的硅胶膜可使水的氧分压从 147. OmmHg上升至264. 5mmHg(叶宏琛，硅橡胶膜式氧合器，1982 ； 1(1) :29_33)。通过等压 静止法测得0. 08mm-0. Imm厚的硅橡胶膜对CO2的透过率可达4mol/m2 -h ·Ρει，对O2的透过 率可达0. 55mol/m2 · h · Pa (侯东明，一种用于硅橡胶薄膜透气性测定的新方法-等压静止 法，1998;11(4) :301-305)。此外，硅胶膜弹性及透光性均良好，0. 15mm厚的硅胶膜可以拉 伸面积25% (米红林，生物膜材料张力形变干涉相移法的分析，2009 ;32 (3) :42_46)；培养 在硅胶膜上的细胞可以通过显微镜直接观察(郭志良，种植于硅橡胶膜上的大鼠纤维环细 胞的表型特征研究，第四军医大学学报，2006 ；27(13) :1169-1172)。发明内容本实用新型的目的是为克服现有技术的不足，提供一种模拟肺内环境的细胞培养 装置。本实用新型的细胞培养装置能同时产生机械张力及气液平面。本实用新型以厚度为0. 08mm-0. 1mm、透光性、透气性良好，但不透水的弹性硅橡胶 膜承载细胞，模拟肺内细胞生长环境，提供气液平面及周期性张力的细胞培养装置。具体而言，本实用新型的模拟肺内环境的细胞培养装置，其特征在于，其由细胞培 养池(1)、细胞培养板(3)及动力加载系统(9)组成；所述细胞培养板(3)通过支架(4)及 钝头突起(5)分别固定以及顶触细胞培养池(1)，细胞培养板(3)底部连接动力加载系统 (9)，为培养的细胞提供周期性张力。本实用新型中，采用0. 08mm-0. Imm透明弹性硅橡胶膜制作细胞培养池(1)的底部 ⑵；本实用新型中，细胞培养板(3)的底部有支架(4)，带有底座的钝头突起(5)和底 座(6)；所述的支架⑷及钝头突起(5)分别固定以及顶触固定细胞培养池⑴；本实用新型中，动力加载系统(9)包括支架(7)和(8)、顶盖(10)、直流电源(11)、 开关(12)、定时器(13)、阻抗器(14)、微型直流电机(15)和运动杠(16)，需要时，为培养的 细胞提供周期性张力；本实用新型中，细胞培养池的底部包括厚度为0. 08mm-0. 1mm、透气性能良好但不 透水的弹性硅胶膜，该膜与细胞培养池底部留有距离；本实用新型中，细胞培养板的底部有固定细胞培养池的支架及钝头突起，钝头突 起能将细胞培养池底部的薄硅胶膜中心向上顶起2mm ；所述的钝头突起其制作材料与制作 细胞培养板的材料一样，均为透光性良好的塑料；本实用新型中，细胞培养板可以放在底部的支架上培养细胞。本实用新型中，动力加载系统(9)以直流电源(11)供能，通过定时器(13)控制周 期性张力的持续时间，阻抗器(14)控制周期性张力的频率，通过微型直流电机(15)使运动 杠(16)做反复上下运动；本实用新型的一实施例中，运动杠上下运动的振幅为3mm，频率为 15-60 次 / 分。本实用新型进行了细胞培养实验，结果显示，本细胞培养装置能模拟肺内细胞生长 环境，能同时产生机械张力及气液平面。能用于关干细胞、肺生物学和肺病中的细胞研究。本实用新型的有益效果在于，本实用新型的细胞培养装置的优点有设计简单、取材方便、体积小、可以放入细胞培养箱内；同时提供周期性或持续性 张力及气液平面，能模拟肺内细胞生长微环境，研究持续性机械张力及气液平面对贴壁细 胞生长的影响。为了便于理解，以下将通过具体的附图和实施例对本实用新型的进行详细地描 述。需要特别指出的是，具体实例和附图仅是为了说明，显然本领域的普通技术人员可以根 据本文说明，在本实用新型的范围内对本实用新型做出各种各样的修正和改变，这些修正 和改变也纳入本实用新型的范围内。
图1是底部为透明弹性硅胶膜的细胞培养池示意4[0020]图2是与细胞培养池配套的细胞培养板示意图；图3是周期性张力细胞培养装置示意图；图4是控制电路原理图；图中标示为1、细胞培养池；2、透明弹性硅胶膜；3、与细胞培养池对应的细胞培 养板；4、固定细胞培养池的支架；5、细胞培养板底部的钝头突起；6、底座；7、固定细胞培养 板的支架；8、固定运动杠的支架；9、提供周期性张力的细胞培养装置；10、细胞培养装置顶 盖；11、直流电源；12、开关；13、定时器；14、阻抗器；15、微型直流电机；16、运动杠；17、培 养基；18、细胞。
具体实施方式
实施例1示例性的模拟肺内环境的细胞培养装置的结构如图1-4所示，其由细胞培养池 (1)、细胞培养板(3)及动力加载系统(9)组成；所述细胞培养板(3)通过支架(4)及钝头 突起(5)分别固定以及顶触细胞培养池(1)，细胞培养板(3)底部连接动力加载系统(9)， 为培养的细胞提供周期性张力。图1所示是细胞培养池示意图，它的底部由0. 08mm-0. Imm厚、透明、透气但不透水 的弹性硅胶膜(2)组成。在无菌操作的条件下，将细胞培养池放入普通的细胞培养板。首 先，在细胞培养池内加入纤维连接素溶液(或者多聚赖氨酸、胶原蛋白I)等预包被，移除包 被液后加入细胞悬液。待细胞贴壁后，贴壁细胞底部与硅胶膜间有一含纤维连接素(或者 多聚赖氨酸、胶原蛋白I)的液体分子层。0. 08mm-0. Imm厚的硅胶膜透气性良好且不渗水， 膜下方的气体可以弥散至贴壁细胞与硅胶膜间的液体分子层，就形成了气液平面。当硅橡 胶薄膜下方给予周期性动力加载装置后，薄膜顶部反复上下运动使其上方的液体培养基周 期性地上下循环流动，类似不断灌流的肺泡；薄膜下方的气体相当于肺泡腔。图2是与上述细胞培养池对应的细胞培养板(3)示意图，它的底部有固定细胞培 养池的支架(4)、带有上下两个底座的钝头突起(5)及底座(6)，采用透光性良好的塑料制 作(4)、(5)、(6)。钝头突起(5)与细胞培养板(3)底板的间隙恰当，能使(5)自由地上下 运动而又不会左右歪斜。待细胞培养池(1)中的细胞贴壁后，将细胞培养板(3)置于底座 (6)上，将细胞培养池(1)通过支架(4)固定在细胞培养板(3)上，钝头突起(5)使硅胶膜 顶部向上顶起2mm，钝头突起(5)因受到硅胶膜(2)向下的作用力，其上底座压在了细胞培 养板⑶底部。以六孔板为例，与六孔板配套的细胞培养池底部半径约为14mm，当膜的顶部 向上顶起2mm后，膜的面积大约增加了 1%。此时，即产生了持续性张力。该装置可以用于 研究持续性机械张力及气液平面对贴壁细胞生长的影响。图3是周期性张力细胞培养装置，将细胞培养板(3)置入该装置的支架(7)上， 盖上顶盖(10)，使细胞培养板被固定在动力加载系统(9)(周期性张力细胞培养装置)内。 运动杠(16)可以做振幅为3mm的上下运动，带动钝头突起(5)同时做振幅为3mm的上下运 动。通过阻抗器(14)调节运动杠(16)做上下运动的频率，使之波动于15-60次/分。通 过定时器(13)控制运动杠(16)做上下运动的持续时间。当钝头突起向上运动3mm时，硅 胶膜(2)的顶部共被向上顶起5mm。以六孔板为例，膜的面积大约增加了 6. 2%。钝头突起 (5)的上下运动就产生了周期性张力，类似不断开合的肺泡，硅橡胶薄膜上方的液体培养基可因薄膜顶部的上下运动而周期性循环流动，薄膜下方的气体相当于肺泡腔。如图3所示， 从左到右，三个细胞培养孔，分别是周期性张力与气液平面培养、持续性张力与气液平面培 养、仅有气液平面无张力的培养。图4为控制电路原理图，直流电源(11)通过开关(12)，依次连接定时器(13)、阻 抗器(14)及直流电机(15)。由直流电机(15)带动运动杠(16)上下运动。定时器(13)、 阻抗器(14)分别控制运动杠(16)上下运动的持续时间及频率。运动杠(16)上下运动的 振幅为3mm，频率为15-60次/分。本实用新型设计简单、取材方便、体积小、可以放入细胞培养箱内、同时提供(周 期性或持续性)张力及气液平面。
权利要求一种模拟肺内环境的细胞培养装置，其特征在于，其由细胞培养池(1)、细胞培养板(3)及动力加载系统(9)组成；所述细胞培养板(3)通过支架(4)及钝头突起(5)分别固定以及顶触细胞培养池(1)，细胞培养板(3)底部连接动力加载系统(9)。
2.按权利要求1所述的模拟肺内环境的细胞培养装置，其特征在于，所述的细胞 培养池(1)的底部采用透明、不透水的弹性硅橡胶膜制作，该弹性硅橡胶膜其厚度为 0. 08mm-0. 1mm，该膜与细胞培养池底部留有距离。
3.按权利要求1所述的模拟肺内环境的细胞培养装置，其特征在于，所述的细胞培养 板(3)的底部有支架(4)，钝头突起(5)和底座(6)；细胞培养板(3)置于底座(6)上。
4.按权利要求1所述的模拟肺内环境的细胞培养装置，其特征在于，所述的动力加载 系统(9)包括包括支架(7)和(8)、顶盖(10)、直流电源(11)、开关(12)、定时器(13)、阻 抗器(14)、微型直流电机(15)和运动杠(16)。
5.按权利要求4所述的模拟肺内环境的细胞培养装置，其特征在于，所述的支架(7)固 定细胞培养板(3)、支架(8)固定运动杠(16)。
6.按权利要求1或2所述的模拟肺内环境的细胞培养装置，其特征在于，所述的钝头突 起(5)将细胞培养池(1)底部的弹性硅橡胶膜中心向上顶起2mm。
7.按权利要求1或2所述的模拟肺内环境的细胞培养装置，其特征在于，所述的细胞培 养板(3)或钝头突起(5)采用透光性良好的塑料材料制作。
8.按权利要求1所述的模拟肺内环境的细胞培养装置，其特征在于，所述的动力加载 系统(9)以直流电源(11)供能，通过定时器(13)控制周期性张力的持续时间，阻抗器(14) 控制周期性张力的频率，通过微型直流电机(15)使运动杠(16)做反复上下运动。
9.按权利要求1所述的模拟肺内环境的细胞培养装置，其特征在于，所述的运动杠 (16)上下运动的振幅为3mm，频率为15-60次/分。
专利摘要本实用新型属生物医学仪器领域，具体涉及一种模拟肺内环境的细胞培养装置，其由细胞培养池、细胞培养板及动力加载系统组成；所述细胞培养板通过支架及钝头突起分别固定以及顶触细胞培养池，细胞培养板底部连接动力加载系统为培养的细胞提供周期性张力。本细胞培养装置能模拟肺内细胞生长环境，能同时产生机械张力及气液平面，用于关干细胞、肺生物学和肺病中的细胞研究。本实用新型设计简单、取材方便、体积小、可以放入细胞培养箱内；同时提供周期性或持续性张力及气液平面，研究持续性机械张力及气液平面对贴壁细胞生长的影响。
文档编号C12M1/36GK201762332SQ20102051699
公开日2011年3月16日 申请日期2010年9月2日 优先权日2010年9月2日
发明者王自力, 瞿介明 申请人:复旦大学附属华东医院