一种用于优化连续流人工心脏脉动工作模式的内皮细胞体外培养系统技术方案

一种用于优化连续流人工心脏脉动工作模式的内皮细胞体外培养系统，属于人工器官技术领域。该系统包括三部分：1)微流控芯片上的细胞培养腔及芯片外多元件主动脉弓后负荷流体力学循环回路。2)模拟心血管系统动力源的装置：流体加载装置由脉冲式血液泵实现；人工心脏装置并联接入到脉冲式血液泵的两端。3)外围检测与反馈控制系统，包括压力、流量传感器，荧光显微镜，CCD高速摄像系统及比例‑积分‑微分反馈控制系统。该系统可精确模拟真实的主动脉弓不同部位血管内皮细胞血流动力学微环境，为研究人工心脏泵速的不同脉动工作模式与局部动脉内皮微环境血流动力学信号之间的定量关系提供微型化、客观化、标准化和定量化的实验平台。

【技术实现步骤摘要】
一种用于优化连续流人工心脏脉动工作模式的内皮细胞体外培养系统
本专利技术属于人工器官
，涉及一种用于优化人工心脏脉动工作模式的内皮细胞培养腔及体外循环系统，是基于血流动力学原理、微流控芯片及智能反馈控制技术，用于研究连续流人工心脏泵速的不同脉动工作模式引起的血流动力学信号改变影响内皮细胞功能的微型体外模拟循环系统。
技术介绍
人工心脏是目前针对终末期心衰的非药物性机械治疗方法和康复手段。连续流人工心脏因其体积小、可靠性高、易于植入和操作等优点得到了极大推广和应用。它的主体是叶轮式血泵，叶轮恒速旋转时输出定常流，转速周期性改变时输出脉动流。临床使用时为了操作方便，通常将叶轮泵设置为恒定转速，而这种工作模式会导致动脉血流和血压的脉动性明显降低，造成血管内皮细胞功能失调，从而诱发动静脉畸形、出血性中风、以及肾脏等其他器官受损等大量不良事件的发生。近20多年的基础和临床研究发现，人工心脏能够通过血流动力学机制影响动脉内皮功能，从而进一步调节外周血管的结构和功能。血管内皮作为介于血流和血管壁组织之间的一道屏障，位于血管壁的最内层，因此处于复杂的血流动力学微环境中，同时直接承受血流产生的壁面剪应力、血压以及血压导致的血管周向牵张应力(或应变)等血流动力学信号作用。内皮细胞能通过细胞膜表面受体及感受器识别细胞外微环境中的血流动力学信号及其变化，并将力学信号通过一系列的信号通路级联反应传递到细胞内部引起基因和蛋白表达的变化，即力学生物学(mechanobiology)机制，最终影响内皮细胞功能的变化，如舒血管因子一氧化氮(NitricOxide,NO)和缩血管因子内皮素-1(Endothelin-1，ET-1)等血管活性物质的分泌、以及肿瘤坏死因子-α(tumornecrosisfactor-α,TNF-α)、白细胞介素-6(interleukin-6,IL-6)、白细胞介素-8(interleukin-8,IL-8)等促炎性细胞因子表达水平的变化。这些物质的短期效应会影响血管壁舒张和收缩功能、引起炎性反应等，长期效应则导致血管结构和功能的重建，即引起血管壁厚、管径大小、血管弹性等发生变化。目前的研究已尝试将连续流人工心脏的血泵转速设置为各种周期性变化的脉动工作模式，周期性泵速变化波形的幅值调节主要根据心室和后负荷耦合作用的血流动力学机制进行设定，频率调节则包括同步调节(泵速变化的频率与心率一致)和异步调节(泵速变化的频率与心率无关)两种方式，期望通过改变血流动力学信号的脉动性从而改善血管内皮功能，降低外周血管及器官的不良事件发生率。然而，连续流人工心脏泵速的不同脉动工作模式如何影响血流动力学信号的规律及如何差异化调控动脉内皮细胞的功能，迄今为止未有全面、系统的研究，因而限制了人工心脏泵速的不同脉动工作模式在临床的精准实施及在治疗与康复中科学合理的使用。动物模型与人体临床实验是将连续流人工心脏应用于临床之前开展动脉内皮血流动力学微环境特性分析的最直接方式。然而动物和人体的在体动脉内皮细胞所处的血流动力学微环境非常复杂，且极易受呼吸和神经调节等其他因素的影响，同时存在个体差异大、血流动力学参数监测精度低、成本高、周期长、以及伦理学上的争议等问题。针对上述局限性，目前的研究已使用机械泵模拟心室，各种分布参数(硅胶弹性管等)或集中参数元件(血管顺应性、血流惯性、外周阻力等)模拟动脉后负荷输入阻抗，建立包括人工心脏在内的体外模拟循环系统(MockCirculatorySystem,MCS)模型。然而这些研究还尚未对动脉内皮细胞附近局部微环境中的血压、壁面剪应力和牵张应变进行详细分析，同时普遍存在尺寸偏大、循环液体量多、不包含体外细胞培养腔等缺陷，不便于开展细胞力学生物学研究。相比较而言，微流控芯片具有所需样品量少、易集成、易于光学检测及良好的生物适应性等优势。近年来的研究表明，基于微流控芯片的体外内皮细胞培养腔(EndothelialCellCultureModel,ECCM)是能够模拟且易于监控血流动力学微环境信号的微型化、客观化、标准化和定量化的内皮细胞力学生物学研究系统。但是，当前所建立的用于研究人工心脏泵速不同脉动工作模式对应的血流动力学微环境对动脉内皮细胞功能影响的ECCM，未能真实再现人工心脏作用下人体动脉内皮微环境中真实的血流动力学信号。因此，迫切需要设计和构建能够精准模拟在体动脉内皮血流动力学微环境的微型体外模拟循环系统，既能实现人工心脏泵速在不同脉动工作模式下血流动力学信号的精准加载和控制，又能对微流控芯片细胞培养腔内的动脉内皮细胞力学生物学效应进行在线、实时的监测，以便于更好地分析不同脉动工作模式下动脉内皮细胞附近局部微环境中的血压、壁面剪应力、牵张应力(或应变)等关键血流动力学信号，以此为人工心脏泵速脉动工作模式的优化选择提供科学依据，从而提高人工心脏对心衰疾病的治疗与康复能力。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提供一种能够真实模拟人工心脏脉动工作模式引起的动脉内皮血流动力学微环境中血压、壁面剪应力和牵张应变(应力)信号的方法。该方法将血流动力学原理、微流控芯片技术及智能反馈控制技术巧妙结合，通过集成度更高、耗材更少的微流控芯片细胞培养腔及表征其后负荷血流动力学特性的多元件集中参数模型搭建体外液体模拟循环系统，再现心衰患者在植入人工心脏后泵速的不同脉动工作模式下在体动脉内皮细胞所承受的压力、剪应力以及牵张应变的组合作用，可用于研究血流动力学信号与动脉内皮细胞力学生物学效应之间的定量关系及其分子生物学机制。本专利技术的技术方案如下：一种用于优化连续流人工心脏脉动工作模式的内皮细胞体外培养系统(如图1所示)，包括三个基本单元：第一个基本单元为微流控芯片上的细胞培养腔及芯片外多元件主动脉弓后负荷流体力学循环回路(如图2所示)；芯片外多元件主动脉弓后负荷流体力学循环回路包括与细胞培养腔串联的流感、阻力阀、弹性腔1、弹性腔2；弹性腔1、弹性腔2分别设置于细胞培养腔的两侧。第二个基本单元为模拟心血管系统动力源的脉动式流体加载装置及人工心脏装置，如图2所示，流体加载装置利用脉冲式血液泵实现(图3中Q1(t))，能够模拟正常和心衰病人在体动脉内皮细胞承受的血压、壁面剪应力和牵张应变波形；人工心脏装置并联接入到脉冲式血液泵的两端(图3中Q2(t))，再将二者串联接入到上述流体力学循环回路之中，可模拟不同泵速脉动调制模式下在体动脉内皮细胞承受的血压、壁面剪应力和牵张应变信号；第三个基本单元为外围检测与反馈控制系统，如图1所示，包括倒置的荧光显微镜、CCD高速摄像系统、压力传感器和流量传感器、以及比例-积分-微分反馈控制系统，压力传感器和流量传感器均设置在细胞培养腔的两侧，用于实时监测和采集细胞培养腔输入端和输出端的压力和流量波形，荧光显微镜位于细胞培养腔Rc的上方，CCD高速摄像系统与荧光显微镜相连，用于采集微流控芯片细胞培养腔内细胞的实际形态结构，CCD高速摄像系统、压力传感器、流量传感器均与比例-积分-微分反馈控制系统相连，通过对细胞培养腔两端的压力和流量波形以及细胞形态结构数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于优化连续流人工心脏脉动工作模式的内皮细胞体外培养系统，其特征在于，所述内皮细胞体外培养系统包括三个基本单元：/n第一个基本单元为微流控芯片上的细胞培养腔及芯片外多元件主动脉弓后负荷流体力学循环回路；芯片外多元件主动脉弓后负荷流体力学循环回路包括与细胞培养腔串联的流感、阻力阀、第一弹性腔和第二弹性腔；第一弹性腔、第二弹性腔分别设置于细胞培养腔的两侧；/n第二个基本单元为模拟心血管系统动力源的脉动式流体加载装置及人工心脏装置，流体加载装置利用脉冲式血液泵实现；人工心脏装置并联接入到脉冲式血液泵的两端，再将二者串联接入到芯片外多元件主动脉弓后负荷流体力学循环回路之中；/n第三个基本单元为外围检测与反馈控制系统，包括倒置的荧光显微镜、CCD高速摄像系统、压力传感器、流量传感器和比例-积分-微分反馈控制系统，压力传感器和流量传感器均设置在细胞培养腔的两侧，荧光显微镜位于细胞培养腔Rc的上方，CCD高速摄像系统与荧光显微镜相连，CCD高速摄像系统、压力传感器、流量传感器均与比例-积分-微分反馈控制系统相连。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于优化连续流人工心脏脉动工作模式的内皮细胞体外培养系统，其特征在于，所述内皮细胞体外培养系统包括三个基本单元：
第一个基本单元为微流控芯片上的细胞培养腔及芯片外多元件主动脉弓后负荷流体力学循环回路；芯片外多元件主动脉弓后负荷流体力学循环回路包括与细胞培养腔串联的流感、阻力阀、第一弹性腔和第二弹性腔；第一弹性腔、第二弹性腔分别设置于细胞培养腔的两侧；
第二个基本单元为模拟心血管系统动力源的脉动式流体加载装置及人工心脏装置，流体加载装置利用脉冲式血液泵实现；人工心脏装置并联接入到脉冲式血液泵的两端，再将二者串联接入到芯片外多元件主动脉弓后负荷流体力学循环回路之中；
第三个基本单元为外围检测与反馈控制系统，包括倒置的荧光显微镜、CCD高速摄像系统、压力传感器、流量传感器和比例-积分-微分反馈控制系统，压力传感器和流量传感器均设置在细胞培养腔的两侧，荧光显微镜位于细胞培养腔Rc的上方，CCD高速摄像系统与荧光显微镜相连，CCD高速摄像系统、压力传感器、流量传感器均与比例-积分-微分反馈控制系统相连。


2.根据权利要求1所述的一种用于优化连续流人工心脏脉动工作模式的内皮细胞体外培养系统，其特征在于，细胞培养腔是断面为凹字形的腔体，与动脉弹性模量类似的弹性薄膜键合在腔体上，弹性薄膜下表面以下的细胞培养腔充满循环液体；弹性薄膜的上表面两侧空腔中通入空气；弹性薄膜的上表面中部紧贴腔体凹部水平方向的内表面；弹性薄膜的上表面中部的两端为光滑圆弧形。


3.根据权利要求1所述的一种用于优化连续流人工心脏脉动工作模式的内皮细胞体外培养系统，其特征在于，所述的体外循环系统的等效电路模型：内皮细胞培养腔的流阻等效为电阻、培养腔上薄膜的顺应性等效为电容、主动脉弓下游血管床的顺应性、流阻和流感等效为电容、电阻和电感。


4.根据权利要求1所述的一种用于优化连续流人工心脏脉动工作模式的内皮细胞体外培养系统，其特征在于，芯片外多元件主动脉弓后负荷流体力学循环回路的设计需使细胞培养腔薄膜上培养的内皮细胞承受的压力、壁面剪应力、牵张应变与植入人工心脏...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宇，梁黎雪，覃开蓉，李泳江，薛春东，王珺玮，那景童，杨雨浓，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21