浅谈一种改进型动态应变三维细胞培养装置的研制.doc

浅谈 作者：张玉龙，秦廷武，杨志明 【摘要】 介绍了一种用于组织工程研究的改进型动态应变细胞培养装置，针对原有的旧设备，分别从控制单元的硬件和软件设计、机械单元结构及细胞培养单元的结构三方面进行改进和升级，新装置使用范围广、可控精度高、操作简单。 【关键词】 组织工程；细胞培养；生物反应器；机械刺激；动态应变 abstract：an improved dynamic strain device for cell culture used in tissue engineering is introduced in this paper. it is improved in three aspects including the design of hardware and software of controlled unit, the structure of mechanical unit, and the cell culture unit compared with the old device. the advantages of the new device are also discussed. key words：tissue engineering；cell culture；bioreactor；mechanical stimulus；dynamic strain 1 引 言 随着组织工程的进一步发展，传统的静态培养已经不能满足组织工程的要求。在细胞-支架复合物静态培养中，由于重力的因素，细胞很容易聚集在载体外或载体底部，导致支架中细胞生长分布不均、成活率不高。研究表明应力刺激是调节细胞生理功能的重要因素, 对组织的形成起促进作用1。组织工程化组织培养与应用的成功需要合适的应力(应变) 条件，机械应力(应变) 是一种重要的影响细胞结构和功能的外界刺激2，适宜的机械刺激条件能诱导和促进体外细胞增殖3。目前，广泛使用的细胞加载装置主要有旋转式生物反应器、灌注式生物反应器、基底膜拉伸式加载装置等。旋转式生物反应器通过旋转模拟一种微重力环境4，并且反应器的旋转还有利于氧气与营养成分的运输；灌注式生物反应器通过流体剪切力对细胞进行动态刺激5，基底膜拉伸式装置通过气压6、液压7的方式作用于弹性膜，间接作用与附着在弹性膜上的细胞，使之受到拉伸刺激。我们在2000年自行研制了一台动态细胞培养装置8，用于体外细胞动态培养和组织工程化组织的体外构建，在长达近8年的使用过程中，已暴露出一些问题。因此，为了更好的进行组织工程方面研究，综合考虑了其他生物反应器的优点后，我们又研制了一台改进型的动态应变三维细胞培养装置，针对老设备在诸多方面做了一些改进，新装置结构更为简单，操作更为方便，传质效率高，并且不易发生污染。 2 系统设计 新装置与旧装置的总体设计基本相同：将细胞种植在三维支架材料中，通过电机驱动三维支架材料拉伸运动产生动态应变，使之作用于附着在支架材料中的细胞，见图1。整个装置由控制单元、机械单元和细胞培养单元组成。控制单元主要由微处理器、驱动电路和人机操作界面（显示器和键盘）组成；机械单元主要由直线步进电机、滚珠丝杠、滚珠丝母和直线导轨组成；细胞培养单元包括培养瓶、夹具、三维支架、细胞及培养液等。机械单元和细胞培养单元置于co2培养箱中。 3 组成单元基本结构和工作原理 3.1 控制单元 3.1.1 硬件组成及工作原理 控制部分的原理框图见图2。与老设备用89c51单片机作为控制核心 图2 控制部分原理框图 fig 2 schematics of the control unit 不同，新装置采用89c52+ isplsi1032双片控制系统，具有极强的灵活性和通用性。isplsi器件是当今世界上速度最快，密度最高的cpld之一，它采用先进的isp（系统内编程）技术，使器件无需拆卸即可在系统内重新配置逻辑功能，使用复杂的可编程逻辑器件取代了老设备传统的标准集成电路、接口电路，因此，新装置的控制器体积明显减小，操作也更为快捷。根据总体设计思想，其他硬件配置主要包括：74ls373地址锁存器，62256数据存储器，led数码管，一个键盘控制接口，步进电机驱动器sh_2h042ma等。此装置通过键盘输入电机工作的初始值，包括电机运行的距离，运行的时间，工作频率。微处理器89c52配合isplsi1032完成按键的采集，将按键输入的数据进行处理运算，控制步进电机驱动器sh_2h042ma使电机按预设值转动。 3.1.2 软件工作原理 与旧仪器仅有脱机操作方式相比，新装置在此基础上增加了联机操作方式。脱机操作条件下，用控制器控制仪器运动，通过控制器上的键盘输入电机工作参数。而在联机操作时，操作者可以通过计算机控制设置软件运行时间,延时时间，4个时间段和运行位移参数，通过rs232接口将数据传给控制器，控制器接受数据后，即按照计算机设置数据控制步进电机运行，同时将运行数据回送计算机。计算机可以实时显示运行时间（延时时间）、运行的位移，极大地方便了操作者随时记录实验数据。软件工作过程见图3。 3.2 机械单元 机械部分执行的功能就是在水平方向上进行拉伸或压缩运动，旧仪器是通过三相步进电机先产生旋转运动，再通过相关的机械结构将旋转运动转变为直线运动。而新装置直接采用直线步进电机，再通过滚珠丝杠和直线导轨就可以实现水平方向上的运动。因此与旧仪器相比，新装置的机械结构更为简单，体积明显减小，同时机械可控精度更高。新装置机械原理为：直线步进电机通过连轴器与滚珠丝杠相连，在微处理器的控制下带动滚珠丝杠连同导轨产生周期性位移运动；位于培养瓶内的支架材料，一端固定在固定夹具上，另一端固定在活动夹具上，活动夹具通过限位插销与导轨相连，则支架材料随着导轨的运动产生动态应变。 3.3 细胞培养单元 相比旧仪器而言，这部分的改进是最多的。 (1)细胞培养皿用聚四氟乙烯材料制作而成，取代原有的玻璃培养瓶，这种材料有优良的综合性能，耐高低温，耐腐蚀，不粘，自润滑，易清洗，适于细胞培养。 (2)原有的夹具全部由聚四氟乙烯材料制作而成，但由于聚四氟乙烯强度不高，因此长时间使用，夹具易变形；新设计的夹具由聚四氟乙烯（夹具下半部分）和不锈钢（夹具上半部分）组成，通过不锈钢钉将上、下部分固定，因此新夹具的强度和使用寿命都有所增强。 (3)夹具中间新增了一个活动压块，由聚四氟乙烯制成，通过一个不锈钢调节螺钉调节其上下运动，便于更好地夹紧支架材料。 (4)新设计的培养瓶前后侧分别开一个孔用于放置生物膜，阻断细菌的进入同时又使密封的培养瓶保持通透性。 4 讨论 用细胞动态培养取代传统的静态培养方法已成为组织工程领域研究的热点，实现这一转变所需的工具就是体外细胞加载装置。张延芳等人9用自制的旋转生物反应器提供微重力和低剪应力环境，扫描电镜结果显示，在反应器内培养的细胞生长速度、数量和形态明显优于24孔板静态培养。李宏等10在构建组织工程肌腱的实验中，用生物反应器对细胞-材料复合物进行动态培养，结果表明恒定交变应力作用下培养的肌腱具有一定的组织结构和机械强度，明显优于静态培养的肌腱组织。应力应变因素影响着组织的力学特性，因此，研究应变条件下的三维细胞培养技术具有重要的意义。 本研究所介绍的加载装置综合考虑上述生物反应器的优点，在原有自行研制的动态细胞加载装置的基础上做了进一步的改进，本装置（1）使用范围广，可产生伸长、压缩、既伸长又压缩三种应变方式；（2）可控应变范围大、控制精度更高，装置运行位移可在40 mm范围内连续可调，可精确到0.01 mm，应变频率可在5 hz范围内连续可调；（3）操作可靠性、安全性高，不易发生污染；（4）操作界面更人性化，应变频率、应变作用时间等参数均可以由微机键盘随意设置。本装置将为组织工程体外构建新型人工活性组织替代物的研究提供一种结构简单、使用方便的实验装置，目前此装置正用于实验室组织工程研究中。【参考文献】 1李德强，戴冠戎. 生物反应器在组织工程中的应用进展j. 国际骨科学杂志，2008，29（1）：8-10.2秦廷武，杨志明，解慧琪，等. 动态应变下肌腱细胞三维培养的初步研究j. 四川大学学报（医学版），2002，33（1）：1-4.3宋关斌，汪露，申晓东，等. 机械拉伸刺激对大鼠骨髓间充质干细胞增殖的调节j. 医用生物力学，2007，22（1）：15-20.4邱涛，王晓燕，王，等. 旋转生物反应器及微载体技术：组织工程种子细胞大规模扩增的新方法j. 中华整形外科杂志，2006，22（2）：149-151.5韩雪峰，李健宁，杨大平，等. 组织工程软骨实验生物反应器的设计j. 中国美容医学，2007，16（10）：1328-1330.6唐林，林珠，李永明. 机械牵张力对成骨细胞碱性磷酸酶及骨钙蛋白的影响j. 临床口腔医学杂志，2005，21（11）：648-650.7鲜成玉，王远亮，唐丽灵，等. 大鼠成骨细胞对动态拉伸刺激的生理响应j. 北京生物医学工程，2006，25（3）：277-