專利名稱：組織工程皮膚動態(tài)三維應(yīng)變培養(yǎng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于人體組織細胞培養(yǎng)裝置，特別涉及一種對組織工程皮膚膜狀材料施加 動態(tài)三維應(yīng)變力的培養(yǎng)裝置。
背景技術(shù)：
組織工程皮膚為傷口的愈合和修復(fù)提供了一種好的可選方案，臨床上有著巨大的 市場需求?，F(xiàn)有的組織工程皮膚如已商品化的Apligraft等雙層膠原凝膠類產(chǎn)品已具有真 表皮雙層結(jié)構(gòu)，但均缺乏完整的基底膜，真表皮結(jié)合力不強，易于分離，彈性差，易脆，力學(xué) 性能還遠未達到令人滿意的程度，難以滿足移植手術(shù)的操作要求，這已成為組織工程皮膚 產(chǎn)品急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。誕生于上世紀90年代的力學(xué)生物學(xué)(mechanobiology)，是一門新興交叉學(xué)科，為 提高組織工程產(chǎn)品力學(xué)性能提供了新手段。它主要研究力學(xué)刺激信號、細胞對力學(xué)刺激信 號的感受及轉(zhuǎn)導(dǎo)機制和細胞受力后的反應(yīng)等。研究表明，流體剪切力、靜水壓、負壓吸引、拉 伸應(yīng)變及壓縮應(yīng)變等機械外力對細胞的增殖、分化、基因表達及蛋白合成有顯著的影響。而 組織工程皮膚可以作為力學(xué)生物學(xué)研究的良好三維模型，可研究機械外力對其物理特性以 及細胞生物學(xué)功能的影響。不同組織細胞對應(yīng)變大小的承受力有巨大的差異，受到的機械力作用方式也各不 相同，關(guān)鍵技術(shù)是研制適合不同組織細胞的施加機械力的裝置，并探索合適的應(yīng)變大小、頻 率及加載時間。力學(xué)生物學(xué)研究的主要模式是根據(jù)所研究細胞在體內(nèi)受到外力的作用形式 及應(yīng)變大小，來設(shè)計相應(yīng)的施加機械力的裝置，利用裝置對所研究細胞施加機械力后，研究 細胞對力學(xué)信號的感受、轉(zhuǎn)導(dǎo)機制及受力后的反應(yīng)，從而在細胞及分子水平探索外力對機 體的影響?，F(xiàn)有的針對特異的心血管內(nèi)皮、平滑肌、尿道、骨、軟骨等組織的力學(xué)施加裝置有 較多報道，它們的結(jié)構(gòu)原理各異，功能各不相同，在體受力情況等均與皮膚有著極大的差 異，不能直接用于皮膚。現(xiàn)有技術(shù)中，在Biotechnol Bioeng，2009，103 (1) 217-225上，公 開有一篇主題名禾爾為"3D collagen cultures under well-defined dynamic strain: a novel strain device with a porous elastomeric support [J] ·，，的論文，它報道的一個 三維培養(yǎng)模型，是向盛滿硅酸鹽微球的模具中加入液態(tài)聚氨酯，聚氨酯交鏈后呈固態(tài)，溶去 硅酸鹽微球，構(gòu)建出海綿狀彈性支架，然后將混有成纖維細胞的膠原凝膠接種于彈性支架 內(nèi)，對支架單軸拉伸實現(xiàn)對細胞施加力學(xué)刺激。但這種裝置還無法實時觀察到動態(tài)拉伸時 細胞的變化；而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要向支架中添加彈性支撐材料，不便于也不能向應(yīng)用型設(shè)備 轉(zhuǎn)化，未解決三維培養(yǎng)時營養(yǎng)與代謝產(chǎn)物更難傳遞的問題；它更不適合對低強度、膜狀組織 工程材料施加動態(tài)三維應(yīng)變力。目前，我們還沒有檢索到與提高組織工程皮膚力學(xué)生物學(xué) 性能的動態(tài)三維應(yīng)變培養(yǎng)裝置密切相關(guān)的公開技術(shù)文獻。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，擬設(shè)計制造一種組織工程皮膚動態(tài)三維應(yīng)變培養(yǎng)裝 置，意欲將膠原凝膠組織工程皮膚膜狀材料固定于應(yīng)變培養(yǎng)盒中，通過向培養(yǎng)盒中注入、抽 出氣體驅(qū)動培養(yǎng)液流動，實現(xiàn)向組織工程皮膚施加動態(tài)三維拉伸應(yīng)變力，從而有效促進在 靜水壓變化的三維培養(yǎng)條件下營養(yǎng)與代謝產(chǎn)物傳遞，達到改善組織工程皮膚的生物力學(xué)性 能——即促進基底膜的重建、增強真表皮的結(jié)合力、提高最大張力強度和彈性等的目的，以 滿足移植手術(shù)的操作要求。本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下。一種組織工程皮膚動態(tài)三維應(yīng)變培養(yǎng)裝置，其特征在于
1)它由定時器、脈沖信號發(fā)生器、空壓機、壓力控制器、儲氣罐、減壓閥、三通電磁閥、 氣缸、活塞調(diào)壓器、應(yīng)變培養(yǎng)盒和固皮環(huán)組裝而成；
2)儲氣罐進口與空壓機之間以及儲氣罐頂部與壓力控制器之間用氣管連通，并在空壓 機與壓力控制器之間連接有導(dǎo)線以反饋壓力控制信號，減壓閥用氣管分別與儲氣罐出口和 三通電磁閥進口連通，三通電磁閥兩個出口分別用支氣管與氣缸的前、后端連通；
3)定時器與脈沖信號發(fā)生器之間以及脈沖信號發(fā)生器與三通電磁閥之間連接有導(dǎo)線 以脈沖控制電磁閥兩個出口的交替開關(guān)；
4)應(yīng)變培養(yǎng)盒內(nèi)設(shè)置至少1個圓筒培養(yǎng)室，圓筒培養(yǎng)室的底部開設(shè)有擱皮孔，圓筒培養(yǎng) 室底部與應(yīng)變培養(yǎng)盒底部之間留有間距，圓筒培養(yǎng)室的外圍設(shè)計成密封氣流道，應(yīng)變培養(yǎng)盒 頂部設(shè)有盒蓋使圓筒培養(yǎng)室上口與大氣相通，應(yīng)變培養(yǎng)盒底部設(shè)有排液管并裝有堵頭；
5)固皮環(huán)和圓筒培養(yǎng)室內(nèi)壁相匹配，放置在擱皮孔上，氣缸的活塞桿與活塞調(diào)壓器的 活塞桿相連，活塞調(diào)壓器用調(diào)壓器導(dǎo)管與應(yīng)變培養(yǎng)盒的密封氣流道連通。本發(fā)明的組織工程皮膚動態(tài)三維應(yīng)變培養(yǎng)裝置，在運行前先將膠原凝膠組織工程 皮膚膜狀材料擱置在圓筒培養(yǎng)室的擱皮孔上，再將固皮環(huán)置入圓筒培養(yǎng)室內(nèi)將膜狀材料固 定于培養(yǎng)室底部，并在排液管上裝好堵頭，隨后從圓筒培養(yǎng)室上口加入培養(yǎng)液，使膜狀材料 淹沒在培養(yǎng)液中。裝置運行時，啟動空壓機，當(dāng)儲氣罐內(nèi)壓縮空氣高于或低于壓力控制器預(yù) 先設(shè)定的壓力時，壓力控制器發(fā)出控制信號經(jīng)導(dǎo)線反饋控制操縱空壓機的運轉(zhuǎn)，使儲氣罐 內(nèi)壓縮空氣壓力穩(wěn)定在設(shè)定壓力范圍內(nèi)；定時器預(yù)先設(shè)定組織工程皮膚動態(tài)三維應(yīng)變培養(yǎng) 的時間、脈沖頻率及占空比，脈沖信號發(fā)生器按照所設(shè)定的頻率及占空比控制操縱三通電 磁閥兩個出口的交替開關(guān)，壓縮空氣交替通過兩個支氣管驅(qū)動氣缸的活塞做往復(fù)運動，再 帶動活塞調(diào)壓器同步運動，從而使應(yīng)變培養(yǎng)盒中的密封氣流道內(nèi)氣壓產(chǎn)生高、低交替變化； 密封氣流道內(nèi)氣壓升高時使培養(yǎng)盒中的培養(yǎng)液向組織工程皮膚膜狀材料下方流動并施加 壓力，拉伸組織工程皮膚膜狀材料呈拱橋形；密封氣流道內(nèi)氣壓降低時則相反，使組織工程 皮膚膜狀材料由拱橋形回復(fù)到平板形；裝置按照定時器預(yù)先設(shè)定的組織工程皮膚動態(tài)三維 應(yīng)變培養(yǎng)時間，如此交替反復(fù)，實現(xiàn)對組織工程皮膚的動態(tài)三維應(yīng)變培養(yǎng)。本發(fā)明動態(tài)三維應(yīng)變培養(yǎng)裝置，結(jié)構(gòu)簡單合理，其動態(tài)三維應(yīng)變培養(yǎng)的時間、脈沖 頻率及占空比可調(diào)，它完全克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，能有效地對組織工程皮膚膜狀材料進 行動態(tài)三維應(yīng)變培養(yǎng)，實時觀察培養(yǎng)過程中細胞形態(tài)變化以及監(jiān)測生長情況，并有效改善 三維培養(yǎng)中營養(yǎng)物質(zhì)及代謝產(chǎn)物的傳遞問題，相對于靜態(tài)培養(yǎng)，細胞的增殖率提高了 46%，I 型膠原沉積率提高了 133%，表皮真皮間形成了完整的基底膜，培養(yǎng)兩周后最大抗張強度增加了 20%，培養(yǎng)出的組織工程皮膚能滿足移植手術(shù)的操作要求。另外，該裝置還可用于對其 他組織細胞三維培養(yǎng)材料進行動態(tài)三維應(yīng)變培養(yǎng)。本發(fā)明裝置為提高組織工程皮膚力學(xué)性 能，為三維培養(yǎng)條件下研究細胞力學(xué)生物學(xué)，提供了一種手段和新的工具。


附圖為本發(fā)明組織工程皮膚動態(tài)三維應(yīng)變培養(yǎng)裝置一個實例產(chǎn)品的局部剖視結(jié) 構(gòu)示意圖。在圖中，1 一定時器，2 —導(dǎo)線，3 —脈沖信號發(fā)生器，4 一空壓機，5 —氣管，501 — 支氣管，6 —壓力控制器，7 —儲氣罐，8 —減壓閥，9 一三通電磁閥，10 —氣缸，11 一活塞調(diào) 壓器，1101 一調(diào)壓器導(dǎo)管，12 一應(yīng)變培養(yǎng)盒，1201 一盒蓋，1202 一圓筒培養(yǎng)室，1203 一密封 氣流道，1204 一排液管，1205 一堵頭，1206 一擱皮孔，13 一固皮環(huán)，14 一組織工程皮膚膜狀 材料，15 —培養(yǎng)液。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明裝置的具體結(jié)構(gòu)和工作原理。需要指出的是，本 發(fā)明絕不局限于附圖所指的實例產(chǎn)品。一種組織工程皮膚動態(tài)三維應(yīng)變培養(yǎng)裝置，其特征在于
1)它由定時器1、脈沖信號發(fā)生器3、空壓機4、壓力控制器6、儲氣罐7、減壓閥8、三通 電磁閥9、氣缸10、活塞調(diào)壓器11、應(yīng)變培養(yǎng)盒12和固皮環(huán)13組裝而成；
2)儲氣罐7進口與空壓機4之間以及儲氣罐7頂部與壓力控制器6之間用氣管5連 通，并在空壓機4與壓力控制器6之間連接有導(dǎo)線2以反饋壓力控制信號，減壓閥8用氣管 5分別與儲氣罐7出口和三通電磁閥9進口連通，三通電磁閥9兩個出口分別用支氣管501 與氣缸10的前、后端連通；
3)定時器1與脈沖信號發(fā)生器3之間以及脈沖信號發(fā)生器3與三通電磁閥9之間連接 有導(dǎo)線2以脈沖控制電磁閥兩個出口的交替開關(guān)；
4)應(yīng)變培養(yǎng)盒12內(nèi)設(shè)置至少1個圓筒培養(yǎng)室1202，圓筒培養(yǎng)室1202的底部開設(shè)有擱 皮孔1206，圓筒培養(yǎng)室1202底部與應(yīng)變培養(yǎng)盒12底部之間留有間距，圓筒培養(yǎng)室的外圍設(shè) 計成密封氣流道1203，應(yīng)變培養(yǎng)盒12頂部設(shè)有盒蓋1201使圓筒培養(yǎng)室1202上口與大氣相 通，應(yīng)變培養(yǎng)盒12底部設(shè)有排液管1204并裝有堵頭1205 ；
5)固皮環(huán)13和圓筒培養(yǎng)室1202內(nèi)壁相匹配，放置在擱皮孔1206上，氣缸10的活塞桿 與活塞調(diào)壓器11的活塞桿相連，活塞調(diào)壓器11用調(diào)壓器導(dǎo)管1101與應(yīng)變培養(yǎng)盒12的密 封氣流道1203連通。本發(fā)明的組織工程皮膚動態(tài)三維應(yīng)變培養(yǎng)裝置，在運行前先將膠原凝膠組織工程 皮膚膜狀材料14擱置在圓筒培養(yǎng)室1202的擱皮孔1206上，再將固皮環(huán)13置入圓筒培養(yǎng) 室1202內(nèi)將膜狀材料固定于培養(yǎng)室底部，并在排液管1204上裝好堵頭1205，隨后從圓筒培 養(yǎng)室1202上口加入培養(yǎng)液15。裝置運行時，啟動空壓機4，當(dāng)儲氣罐7內(nèi)壓縮空氣高于或 低于壓力控制器6預(yù)先設(shè)定的壓力時，壓力控制器6發(fā)出控制信號經(jīng)導(dǎo)線2反饋控制操縱 空壓機4的運轉(zhuǎn)，使儲氣罐7內(nèi)壓縮空氣壓力穩(wěn)定在設(shè)定壓力范圍內(nèi)；定時器1預(yù)先設(shè)定組 織工程皮膚動態(tài)三維應(yīng)變培養(yǎng)的時間、脈沖頻率及占空比，脈沖信號發(fā)生器3按照所設(shè)定的頻率及占空比控制操縱三通電磁閥9兩個出口的交替開關(guān)，壓縮空氣交替通過兩個支氣 管501驅(qū)動氣缸10的活塞做往復(fù)運動，再帶動活塞調(diào)壓器11同步運動，從而使應(yīng)變培養(yǎng)盒 12中的密封氣流道1203內(nèi)氣壓產(chǎn)生高、低交替變化；密封氣流道1203內(nèi)氣壓升高時使培 養(yǎng)盒12中的培養(yǎng)液15向組織工程皮膚膜狀材料14下方流動并施加壓力，拉伸組織工程皮 膚膜狀材料14呈拱橋形；密封氣流道1203內(nèi)氣壓降低時則相反，使組織工程皮膚膜狀材料 14由拱橋形回復(fù)到平板形；裝置按照定時器1預(yù)先設(shè)定的組織工程皮膚動態(tài)三維應(yīng)變培養(yǎng) 時間，如此交替反復(fù)，實現(xiàn)對組織工程皮膚的動態(tài)三維應(yīng)變培養(yǎng)。
權(quán)利要求
一種組織工程皮膚動態(tài)三維應(yīng)變培養(yǎng)裝置，其特征在于1) 它由定時器(1)、脈沖信號發(fā)生器(3)、空壓機(4)、壓力控制器(6)、儲氣罐(7)、減壓閥(8)、三通電磁閥(9)、氣缸(10)、活塞調(diào)壓器(11)、應(yīng)變培養(yǎng)盒(12)和固皮環(huán)(13)組裝而成；2)儲氣罐(7)進口與空壓機(4)之間以及儲氣罐(7)頂部與壓力控制器(6)之間用氣管(5)連通，并在空壓機(4)與壓力控制器(6)之間連接有導(dǎo)線(2)以反饋壓力控制信號，減壓閥(8)用氣管(5)分別與儲氣罐(7)出口和三通電磁閥(9)進口連通，三通電磁閥(9)兩個出口分別用支氣管(501)與氣缸(10)的前、后端連通；3)定時器(1)與脈沖信號發(fā)生器(3)之間以及脈沖信號發(fā)生器(3)與三通電磁閥(9)之間連接有導(dǎo)線(2)以脈沖控制電磁閥兩個出口的交替開關(guān)；4)應(yīng)變培養(yǎng)盒(12)內(nèi)設(shè)置至少1個圓筒培養(yǎng)室(1202)，圓筒培養(yǎng)室(1202)的底部開設(shè)有擱皮孔(1206)，圓筒培養(yǎng)室(1202)底部與應(yīng)變培養(yǎng)盒(12)底部之間留有間距，圓筒培養(yǎng)室的外圍設(shè)計成密封氣流道(1203)，應(yīng)變培養(yǎng)盒(12)頂部設(shè)有盒蓋(1201)使圓筒培養(yǎng)室(1202)上口與大氣相通，應(yīng)變培養(yǎng)盒(12)底部設(shè)有排液管(1204)并裝有堵頭(1205)；5)固皮環(huán)(13)和圓筒培養(yǎng)室(1202)內(nèi)壁相匹配，放置在擱皮孔(1206)上，氣缸(10)的活塞桿與活塞調(diào)壓器(11)的活塞桿相連，活塞調(diào)壓器(11)用調(diào)壓器導(dǎo)管(1101)與應(yīng)變培養(yǎng)盒(12)的密封氣流道(1203)連通。
全文摘要
一種組織工程皮膚動態(tài)三維應(yīng)變培養(yǎng)裝置，由定時器、脈沖信號發(fā)生器、空壓機、壓力控制器、儲氣罐、減壓閥、三通電磁閥、氣缸、活塞調(diào)壓器、應(yīng)變培養(yǎng)盒和固皮環(huán)組裝而成；應(yīng)變培養(yǎng)盒內(nèi)設(shè)置至少1個圓筒培養(yǎng)室，圓筒培養(yǎng)室的底部開設(shè)有擱皮孔，圓筒培養(yǎng)室底部與應(yīng)變培養(yǎng)盒底部之間留有間距，圓筒培養(yǎng)室的外圍設(shè)計成密封氣流道，應(yīng)變培養(yǎng)盒頂部設(shè)有盒蓋使圓筒培養(yǎng)室上口與大氣相通；活塞調(diào)壓器用調(diào)壓器導(dǎo)管與應(yīng)變培養(yǎng)盒的密封氣流道連通。它能促進組織工程皮膚基底膜的重建、增強真表皮的結(jié)合力、提高最大張力強度和彈性，滿足組織工程皮膚對臨床移植手術(shù)的操作要求。它為提高組織工程皮膚力學(xué)性能，為三維培養(yǎng)條件下研究細胞力學(xué)生物學(xué)，提供了一種手段和新的工具。
文檔編號C12M1/36GK101985598SQ201010534909
公開日2011年3月16日 申請日期2010年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月8日
發(fā)明者伍津津, 張才茂 申請人:中國人民解放軍第三軍醫(yī)大學(xué)第三附屬醫(yī)院