一種三維細胞力學梯度加載平臺的制作方法
【專利摘要】一種三維細胞力學梯度加載平臺，包括由兩個懸臂梁或兩條懸臂梁陣列構成的模具，兩個懸臂梁之間或兩條懸臂梁陣列之間夾有包裹細胞的三維組織模塊或三維組織模塊陣列，三維組織模塊和懸臂梁的接觸部位用502膠連接，懸臂梁的末端設有通孔，螺紋柱穿過兩個懸臂梁的通孔，一個懸臂梁的通孔兩邊的螺紋柱上設有第一螺帽和第二螺帽，另一個懸臂梁的通孔兩邊的螺紋柱上設有第三螺帽和第四螺帽；或兩個懸臂梁的末端分別和設在一維移動平臺上的控制夾連接，控制夾和馬達連接；或多個懸臂梁陣列的末端分別由上下兩層平板、螺紋柱和螺母連接固定，本發(fā)明具有成本低、制備簡單、使用方便、尺寸可控、力學梯度可調、高通量等優(yōu)點。
【專利說明】一種三維細胞力學梯度加載平臺
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及組織力學刺激研究【技術領域】，具體涉及一種三維細胞力學梯度加載平臺。
【背景技術】
[0002]在體內，細胞處于機體提供的動態(tài)力學環(huán)境中，受到來自細胞微環(huán)境的多種力學刺激，其中應力(應變)的作用對組織的結構、形態(tài)和功能產生明顯的影響。然而在體外培養(yǎng)組織時，傳統(tǒng)的細胞培養(yǎng)方式和培養(yǎng)條件并不包含這些重要的力學刺激，很難滿足三維組織器官生長要求，使其失去正常的形態(tài)與功能。合適的應力(應變)刺激有利于在體外構建有功能的三維生物組織。研究表明，機械應力(應變)成為一種重要的影響細胞結構和功能的外界刺激，適宜的機械刺激條件能誘導和促進體外細胞增殖。因此，構建體外力學加載系統(tǒng)，模擬體內環(huán)境中的力學刺激，對在體外構建有功能的組織具有重要意義。
[0003]細胞培養(yǎng)是組織工程研究的基礎環(huán)節(jié)，機體細胞在復雜的微環(huán)境中生長，常規(guī)的體外二維細胞培養(yǎng)不能提供組織正常生長發(fā)育所需的環(huán)境條件，而生長環(huán)境的偏差，會阻斷生長信號、化學信號、應力信號傳遞，導致細胞凋亡、細胞正常形態(tài)或生理功能的喪失。體內活細胞存在于三維組織結構中，三維空間結構既是細胞生長代謝的場所，也是細胞分化形成新的具有特定形態(tài)和功能的組織器官的基礎。現有體外力學加載系統(tǒng)幾乎都是對二維培養(yǎng)的細胞進行力學加載。二維培養(yǎng)與體內環(huán)境中的細胞對力學刺激的反應有很大差異，其研究結果不能反映體內三維狀態(tài)生長細胞的真實情形。而且二維加載系統(tǒng)不能用于構建三維組織器官系統(tǒng)。因此，體外三維力學加載系統(tǒng)比二維力學加載系統(tǒng)具有較更大優(yōu)勢。
[0004]目前，廣泛使用的細胞加載裝置主要有旋轉式生物反應器、灌注式生物反應器、基底膜拉伸式加載裝置等。細 胞力學的實驗研究關鍵在于設計使細胞變形的加載方法。目前，現有的力學加載研究多是基于復雜和昂貴的設備儀器的(生物反應器和力學加載設備)，通過調整機械應力的幅度、頻率、持續(xù)時間和力度等來實現力學加載。但這些儀器僅能實現均勻的力學刺激，而在體組織常常是處于不均勻的細胞外基質中的?？紤]到現有體外研究細胞和組織的機械刺激的方法存在操作復雜、成本昂貴、需使用精密儀器、力學刺激均勻單一、通量低等較多的局限與不足，亟需建立更為簡單有效、可靠的新型力學加載方法。
[0005]綜上所述，研究模擬體內生理條件下組織生長的微動力學培養(yǎng)環(huán)境對組織工程有著非常重要的意義。因此，發(fā)展成本低、制備簡單、使用方便、尺寸可控、力學梯度可調的高通量三維細胞力學機械加載平臺成為組織力學刺激研究的發(fā)展新趨勢。

【發(fā)明內容】

[0006]為了克服上述現有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種三維細胞力學梯度加載平臺，成本低、制備簡單、使用方便、尺寸可控、力學梯度可調，可任意編程。
[0007]為了達到上述目的，本發(fā)明采取的技術方案為:
[0008]一種三維細胞力學梯度加載平臺，包括由兩個懸臂梁7或兩條懸臂梁7陣列構成的模具，兩個懸臂梁7之間或兩條懸臂梁7陣列之間夾有包裹細胞的三維組織模塊6或三維組織模塊陣列，三維組織模塊6和懸臂梁7的接觸部位用502膠連接。
[0009]所述的懸臂梁7的末端設有通孔，螺紋柱5穿過兩個懸臂梁7的通孔，一個懸臂梁7的通孔兩邊的螺紋柱5上設有第一螺帽I和第二螺帽2，另一個懸臂梁7的通孔兩邊的螺紋柱5上設有第三螺帽3和第四螺帽4。
[0010]所述的兩個懸臂梁7的末端分別和設在一維移動平臺9上的控制夾8連接，兩個控制夾8分別和第一馬達10、第二馬達11連接。
[0011]所述的兩條懸臂梁7陣列的一條懸臂梁陣列的上下端分別設有第一平板12、第二平板13，另一條懸臂梁陣列的上下端分別設有第三平板14和第四平板15，平板中間設有通孔，夾住一條懸臂梁7陣列的第一平板12和第二平板13的通孔兩邊的螺紋柱5上設有第一螺帽I和第二螺帽2，夾住另一個懸臂梁7陣列的第三平板14和第四平板15通孔兩邊的螺紋柱5上設有第三螺帽3和第四螺帽4。
[0012]所述的懸臂梁7是由有機或無機材料制造得到具有特定幾何構型，在電腦中用CorelDRAW繪制懸臂梁7平面圖形，將二維圖形通過激光切割機將材料加工成所需構型，懸臂梁7與包裹細胞的三維組織模塊6接觸的表面為直線型、鋸齒狀、波浪狀或凸字型。
[0013]所述的懸臂梁7的長0.5~25cm,寬0.1~50cm,厚0.1~15mm。
[0014]所述的兩個懸臂梁7的間距為1~20mm。
[0015]所述的兩個懸臂梁7為平行或存在夾角，夾角范圍為O~179°。
[0016]所述的包裹細胞的三維組織模塊6由生物材料和細胞混合組成，生物材料采用凝膠或多孔支架材料。
[0017]三維細胞梯度力學加載實驗平臺，具有成本低、制備簡單、使用方便、尺寸可控、力學梯度可調等優(yōu)點。通過激光切割機等簡單設備切割較硬的有機或無機材料，如將聚二甲基硅氧烷(PDMS)或者有機玻璃(PMMA)切割出與所述幾何構型相一致的模具，無需采用復雜、昂貴的技術；通過在PDMS或者PMMA支架上，構建通孔，利用螺紋柱和懸臂梁內外的成對螺母的移動即可控制兩條懸臂梁之間的位移，克服了傳統(tǒng)力學加載設備操作復雜、成本昂貴等缺陷；通過502膠對力學加載裝置和裹細胞的三維組織模塊接觸部位進行連接，一方面可防止三維細胞力學加載模塊在受力后的滑動脫落，另一方面還可以便于力學拉伸；通過連接兩條懸臂梁的螺紋柱和螺母裝置，將懸臂梁螺母像外旋轉可實現機械靜態(tài)拉伸效果，將懸臂梁螺母像內旋轉可實現機械靜態(tài)壓縮效果；通過調節(jié)兩條懸臂梁的位移改變，即可調節(jié)拉伸或壓縮的應變，以適應不同的實驗要求。除了靜態(tài)加載，通過使用簡易的馬達、一維移動平臺以及夾板，還可以實現裝置的動態(tài)力學加載。通過加載裝置的陣列設計，即可形成一種高通量的三維細胞力學梯度加載裝置及實驗平臺。由于電腦繪圖、激光切割有機、無機材料等基材具有較強的靈活性，可將加載裝置切割成任意形狀，即可形成一種力學梯度可調的三維細胞力學梯度加載裝置及實驗平臺。 【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為實施例1制備的三維細胞力學梯度靜態(tài)加載平臺結構示意圖。
[0019]圖2a為實施例1的三維細胞力學拉伸梯度加載示意圖，圖2b為拉伸梯度加載內部應變分布曲線圖。[0020]圖3a為實施例1三維細胞力學壓縮梯度加載示意圖，圖3b為壓縮梯度加載內部應變分布曲線圖。
[0021]圖4為實施例2制備的三維細胞力學梯度動態(tài)加載平臺結構示意圖。
[0022]圖5為實施例3制備高通量三維細胞力學梯度靜態(tài)加載平臺結構示意圖。
[0023]圖6a為實施例4鋸齒型懸臂梁7結構示意圖，圖6b為鋸齒型懸臂梁7加載內部應變分布曲線圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做詳細描述。
[0025]實施例1
[0026]參照圖1,用電腦設計兩條懸臂梁7為矩形型(長25mm,寬2.5mm,厚5mm),兩條懸臂梁7間距為5mm的三維細胞梯度力學加載模具構型，該力學加載裝置由有機材料PMMA切割得到矩形懸臂梁模具，用激光切割機在兩條PMMA支架懸臂梁7末端打出與螺紋柱直徑一致的通孔，螺紋柱5直徑1.5mm。兩個懸臂梁7之間夾有包裹細胞的三維組織模塊6，三維組織模塊6和懸臂梁7的接觸部位用502膠粘接，兩個懸臂梁7平行配置，懸臂梁7的末端設有通孔，直徑1.5mm,螺紋柱5穿過兩個懸臂梁7的通孔，一個懸臂梁7的通孔兩邊的螺紋柱5上設有第一螺帽I和第二螺帽2，另一個懸臂梁7的通孔兩邊的螺紋柱5上設有第三螺帽3和第四螺帽4。
[0027]在實施例1結構中，向上旋轉移動螺帽I和螺帽2，位移0.5mm。同時向下旋轉移動螺帽3和螺帽4，位移0.5mm,如圖2a所示，三維組織模塊6產生梯度拉伸變形。內部應變分布曲線圖如圖2b所示，結果表明三維組織模塊6內部存在拉伸應力梯度，證明了該裝置可產生拉伸應變梯度；
[0028]在實施例1結構中，向下旋轉移動螺帽I和螺帽2，位移0.25mm。同時向上旋轉移動螺帽3和螺帽4，位移0.25mm，如圖3a所示，三維組織模塊6產生梯度壓縮變形，內部應變分布曲線圖如圖3b所示，結果表明三維組織模塊6內部存在壓縮應力梯度，證明了該裝置可產生壓縮應變梯度。
[0029]實施例2
[0030]參照圖4，一種三維細胞力學梯度動態(tài)加載平臺，包括兩個懸臂梁7構成的模具，兩個懸臂梁7之間夾有包裹細胞的三維組織模塊6，三維組織模塊6和懸臂梁7的接觸部位用502膠連接，兩個懸臂梁7的末端分別和設在一維移動平臺9上的控制夾8連接，兩個控制夾8分別和第一馬達10、第二馬達11連接。利用電腦可控制馬達10和馬達11在一為移動平臺上移動，通過兩個控制夾8將位移傳遞給兩個懸臂梁7，產生應變梯度。
[0031]實施例3
[0032]參照圖5，一種高通量三維細胞力學梯度靜態(tài)加載平臺，兩條懸臂梁7陣列構成的模具，懸臂梁陣列之間夾有包裹細胞的三維組織模塊陣列，三維組織模塊陣列和懸臂梁陣列的接觸部位通過502膠連接，兩條懸臂梁7陣列的一條懸臂梁陣列的上下端分別設有第一平板12、第二平板13，另一條懸臂梁陣列的上下端分別設有第三平板14和第四平板15，平板中間設有通孔，夾住一條懸臂梁7陣列的第一平板12和第二平板13的通孔兩邊的螺紋柱5上設有第一螺帽I和第二螺帽2，夾住另一個懸臂梁7陣列的第三平板14和第四平板15通孔兩邊的螺紋柱5上設有第三螺帽3和第四螺帽4。通過調節(jié)螺帽1、2、3、4的位置來控制懸臂梁陣列間的距離，從而高通量的三維組織模塊陣列施加力學梯度。
[0033]實施例4
[0034]用電腦設計兩個懸臂梁7與包裹細胞的三維組織模塊6接觸面為鋸齒狀(長30mm，寬5mm,厚IOmm,鋸齒寬度6mm,高度3mm),兩條懸臂梁7間距為IOmm的三維細胞梯度力學加載模具構型，該力學加載裝置由有機材料PDMS切割得到，用激光切割機在兩條PDMS支架懸臂梁末端打出與螺紋柱直徑一致的通孔，螺紋柱(直徑1.5mm)。兩個懸臂梁7之間夾有包裹細胞的三維組織模塊6，包裹細胞的三維組織模塊6和懸臂梁7的接觸部位用502膠粘接，兩個懸臂梁7平行配置，所述的懸臂梁7的末端設有通孔，直徑1.5_，螺紋柱5穿過兩個懸臂梁7的通孔，一個懸臂梁7的通孔兩邊的螺紋柱5上設有第一螺帽I和第二螺帽2，另一個懸臂梁7的通孔兩邊的螺紋柱5上設有第三螺帽3和第四螺帽4，如圖6a所示。
[0035]向下旋轉移動螺帽I和螺帽2，位移Imm。同時向上旋轉移動螺帽3和螺帽4，位移1mm。三維組織模塊6產生梯度壓縮變形。內部應變分布曲線圖如圖6b所示，結果表明三維組織模塊6內部存在的壓縮應力梯度可通過控制懸臂梁的形貌來調控。
[0036]本發(fā)明的工作原理為:以實施例1的結構來說明，通過調節(jié)螺母1、螺母2、螺母3、螺母4來調節(jié)和控制兩條懸臂梁7端點間的距離，在兩條懸臂梁間形成梯度的間距，即梯度的位移，當兩條懸臂梁7端點向外側移動，實現力學拉伸效果；將懸臂梁7端點向內側移動，實現力學壓縮效果，由于兩個懸臂梁7間的包裹細胞的三維組織模塊6承受梯度位移后產生梯度變形，在內部形成梯度應變，從而影響細胞行為。
[0037]上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提 下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種三維細胞力學梯度加載平臺，包括由兩個懸臂梁(7)或兩條懸臂梁(7)陣列構成的模具，其特征在于:兩個懸臂梁(7)之間或兩條懸臂梁(7)陣列之間夾有包裹細胞的三維組織模塊(6)或三維組織模塊陣列，三維組織模塊(6)和懸臂梁(7)的接觸部位用502膠連接。
2.根據權利要求1所述的一種三維細胞力學梯度加載平臺，其特征在于:所述的懸臂梁(7)的末端設有通孔，螺紋柱(5)穿過兩個懸臂梁(7)的通孔，一個懸臂梁(7)的通孔兩邊的螺紋柱(5)上設有第一螺帽(I)和第二螺帽(2)，另一個懸臂梁(7)的通孔兩邊的螺紋柱(5)上設有第三螺帽(3)和第四螺帽(4)。
3.根據權利要求1所述的一種三維細胞力學梯度加載平臺，其特征在于:所述的兩個懸臂梁(7)的末端分別和設在一維移動平臺(9)上的控制夾(8)連接，兩個控制夾(8)分別和第一馬達(10)、第二馬達(11)連接 。
4.根據權利要求1所述的一種三維細胞力學梯度加載平臺，其特征在于:所述的兩條懸臂梁(7)陣列的一條懸臂梁陣列的上下端分別設有第一平板(12)、第二平板(13)，另一條懸臂梁陣列的上下端分別設有第三平板(14)和第四平板(15)，平板中間設有通孔，夾住一條懸臂梁(7)陣列的第一平板(12)和第二平板(13)的通孔兩邊的螺紋柱(5)上設有第一螺帽(I)和第二螺帽(2)，夾住另一個懸臂梁(7)陣列的第三平板(14)和第四平板(15)通孔兩邊的螺紋柱(5)上設有第三螺帽(3)和第四螺帽(4)。
5.根據權利要求1所述的一種三維細胞力學梯度加載平臺，其特征在于:所述的懸臂梁(7)是由有機或無機材料制造得到具有特定幾何構型，在電腦中用CorelDRAW繪制懸臂梁(7)平面圖形，將二維圖形通過激光切割機將材料加工成所需構型，懸臂梁(7)與包裹細胞的三維組織模塊(6)接觸的表面為直線型、鋸齒狀、波浪狀或凸字型。
6.根據權利要求1所述的一種三維細胞力學梯度加載平臺，其特征在于:所述的懸臂梁(7)的長 0.5 ~25cm，寬 0.1 ~50mm，厚 0.1 ~15mm。
7.根據權利要求1所述的一種三維細胞力學梯度加載平臺，其特征在于:所述的兩個懸臂梁(7)的間距為I~20_。
8.根據權利要求1所述的一種三維細胞力學梯度加載平臺，其特征在于:所述的兩個懸臂梁(7)為平行或存在夾角，夾角范圍為O~179°。
9.根據權利要求1所述的一種三維細胞力學梯度加載平臺，其特征在于:所述的包裹細胞的三維組織模塊(6)由生物材料和細胞混合組成，生物材料采用凝膠或多孔支架材料。
【文檔編號】C12M3/00GK103740590SQ201310685256
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月13日 優(yōu)先權日:2013年12月13日
【發(fā)明者】王琳, 王森豪, 徐峰, 盧天健 申請人:西安交通大學