在人工复制的还原组织、器官的研究领域中,一门新的学科一组织工程学正在迅速发展。组织工程学是用工程学和生命科学的原理和方法来研究正常和病理的哺乳类组织的结构-功能关系,研制生物代用品以恢复、维持或改善其功能的一门交叉学科[1]。体外研制生物代用品必须将高浓度的功能相关的活细胞种植于天然或人工合成的细胞外基质中,形成与人体组织相同或类似的组织,然后移植于人体内"就地生长",达到形成新的有功能的组织的目的[2]。为达到此目的,显然用传统的二维细胞培养方法是无法实现的,必须采用模拟在体组织细胞生长的三维细胞培养技术[3]。众所周知,在体组织通常处于复杂的生长环境中,其中应力和应变的作用极大地影响这些组织的结构、形态和功能。如骨组织的压力和张力[4],肌肉组织的收缩力[5],肺泡组织的扩张力[6],血管内皮的剪切应力[7]等。因此,研究三维细胞培养必须考虑应力应变的作用。
考虑应力应变作用的二维细胞单层培养方法已有很多报道[8,9,10]。研究表明,在生长的适合时机,施加应力应变是形成组织和推动基因活动的重要因素。 Liu等[11]将鼠胚肺泡细胞种植于三维凝胶海棉中,在应变条件下,模拟鼠胚肺的呼吸运动,进行三维细胞培养,发现动态拉伸明显刺激肺泡细胞DNA合成和细胞分裂,促进肺泡生成;而在应变作用下,肺泡细胞的单层培养未见细胞增殖。可见,细胞的生长和分化,依赖于胞外基质的三维结构。实际上,可以把胞外基质的三维结构看成是细胞内信号和化学反应的发起者,它们控制着细胞分化和功能的特异性;应力和应变因素影响组织的力学特性,组织的力学特性依赖于具有组织特性的三维胶原纤维网架。因此,研究应变作用下三维细胞培养技术具有重要意义。到目前为止,未见有关不同形式应变(伸长应变、压缩应变)作用下三维细胞培养装置的报道。由于Liu等采用的实验装置用了电磁铁作为动力机构,因此不但引人了电磁场因素对细胞培养的影响,而且不能产生压缩应变,限制了其应用范围。为了探求不同形式的应变对三维细胞培养的影响,本文采用微机控制步进电机,由步进电机驱动三维支架运动产生动态应变,研制出一种新型动态应变三维细胞培养装置,以满足不同形式的应变环境下三维细胞培养的需要。
1.设计原理和构成
本装置设计是将细胞种植在三维基质支架中,通过步进电机驱动三维基质支架伸缩运动产生动态应变,使之作用于基质中的细胞。如图1所示。整个装置由控制单元、机械单元和组织反应器单元三部分组成。控制单元主要由微处理器、功率放大器和人机操作界面(键盘和显示器)组成;机械单元由步进电机、冷却装置及连杆机构组成;组织反应器单元包括圆柱形培养瓶、夹具、三维支架、细胞及培养液等。机械单元和组织反应器置于CO2培养箱中。
