一种基于水凝胶的可控3D拉伸训练生物反应器制造技术

本发明专利技术涉及用于在水凝胶和/或水凝胶包封和培养的细胞和/或组织上施加可控拉伸应变的装置和方法。所述装置包含用于三维细胞培养的基于水凝胶的三维构建体的组成、结构和模具，以及用于施加周期性拉伸应变的结合磁体的导轨滑块。所得装置向水凝胶或包封于水凝胶的细胞和/或组织提供可控的周期性的拉伸应变。胞和/或组织提供可控的周期性的拉伸应变。胞和/或组织提供可控的周期性的拉伸应变。

【技术实现步骤摘要】
一种基于水凝胶的可控3D拉伸训练生物反应器

技术介绍

[0001]人体中的所有活细胞都在经受多种力学载荷和形变。力学因素在包含硬组织(例如，骨等组织)和软组织(例如，软骨、肌腱/韧带等组织)在内的受力组织的发育、维持、退变和修复再生中起着关键作用。由此，开发可靠的模型来研究生理和病理载荷条件下组织内细胞的力学生物学可为预防和治疗组织损伤和退行性病变提供重要的研究数据和科学见解。水凝胶(亲水性聚合物网络)具广泛的力学特质，如柔性水凝胶在一定范围内具备弹性和可拉伸的形变等，一些柔性水凝胶还具有高度的生物兼容性，不仅可以模拟组织细胞的三维生物微环境，力学的载荷还可以通过水凝胶的形变传递到其包封的细胞上。
[0002]在体外的细胞和组织长期培养过程中向研究主体施加一定程度的力学刺激可以模拟体内的生物力学环境，并且在体外施加的力学单因素的可控模型可减少利用动物模型进行力学因素相关研究的研究系统的复杂性。
[0003]许多商业实体提供生物反应器，为细胞培养物和生物材料提供可控力学载荷，所述商业实体包含：(北卡罗来纳州伯灵顿)、Bose(特拉华州纽卡斯尔)、BISS组织生长技术公司(BISS Tissue Growth Technologies，印度班加罗尔)和(加拿大安大略省滑铁卢)。
[0004]例如，的张力系统是由计算机调节的生物反应器，所述生物反应器对体外气动变形膜上培养的细胞施加周期性或静态应变。TA测试仪器将生物反应器室与力学测试仪器相结合，在无菌细胞培养环境内为工程化组织和生物材料提供载荷、表征和组织生长培养液。尽管在这些系统中已经提供了细胞培养基，但是培养基的体积通常不足以长时间维持细胞活性。此外，培养基很难添加或去除，并且在动态压缩期间难以对样品进行观察。这些生物反应器仅适用于平面细胞培养或以组织水平施加力学载荷。
[0005]再如，提供了弹性材料的疲劳测试平台，包括了各种样本附件(包含螺旋驱动夹具、弹簧加载夹具和多点穿刺抓具)的竖直和水平测试。在这类系统中用于固定和伸展弹性材料的夹具对低力学强度水凝胶材料的低控制力和样品破坏力限制了其在柔性水凝胶材料和三维细胞
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水凝胶构建体中的应用。
[0006]本专利技术可为生物医学工程学研究提供更可靠的可控三维力学微环境的研究平台。

技术实现思路

[0007]本专利技术涉及一种用于在三维(3D)细胞和/或组织培养物中，更具体地说，在基于水凝胶
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磁体组合的细胞和/或组织培养物中，诱导可控拉伸应变的装置和方法。通过所述装置和方法，可伸展水凝胶在磁场中发生形变以向水凝胶包封的细胞和/或组织施加拉伸应变。本装置的优势是：载荷条件可控；使用方便；适用于柔性水凝胶和多种细胞和组织的长期培养和载荷；易于样本加载、力学加载、添加和去除生长培养基、添加生物活性剂，并允许对测试中的样品进行实时监测和追踪。
[0008]本专利技术进一步提供了一种用于测试基于水凝胶的构建体的柔性材料的疲劳性能的装置和方法，更具体地说，基于水凝胶
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磁体的组合系统，通过所述装置和方法，可令水凝胶在磁场中伸展产生应变，以此向水凝胶施加可控的周期性的拉伸应变。所述装置和方法可以用于通过测量张力、杨氏模量和/或质量变化和/或鉴定所述基于水凝胶的构建体的形态变化来确定所述基于水凝胶的构建体的柔性材料的疲劳/抗疲劳性能。
附图说明
[0009]图1A到图1C示出了3D拉伸训练生物反应器的水凝胶构建体的制造。(图1A)为了使基于水凝胶的构建体成形，通过软光刻方法制备了PDMS模具1，所述模具具有立方体凹面部分2(长
×
宽
×
高为2
×
0.7
×
0.6cm)和三个连接的薄凹面部分3(长
×
宽
×
高为1
×
0.3
×
0.15cm)。(图1B)在水凝胶成形并取出之后，所得水凝胶构建体4具有一个锚定点2，所述锚定点的内部嵌入有圆柱形管5(长度2cm，直径2mm)以便将整个水凝胶生物反应器锚定在培养皿中；以及三个臂3，每个臂3的自由端处固定有磁珠6(直径50
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100μm，5
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10毫克/臂)，所述三个臂被设计用于包封细胞并接受远程拉伸载荷。(图1C)示出了用于制造水凝胶构建体的详细步骤的流程图，其包含放置每个元件的顺序和整合所有元件的方法。
[0010]图2示出了3D细胞拉伸训练生物反应器的加载装置8。加载装置8的全景视图显示了其所包含的每个组件。控制器10允许对参数进行程序编辑以控制平台12的移动速度和移动距离。平台12用于固持细胞培养皿。磁体13被固定在导轨11上以通过磁场向嵌入有磁珠6的水凝胶构建体4提供拉伸载荷。控制器10具有一个用于精确显示平台的移动距离的屏幕14，以及用于程序编辑和精确控制平台12的移动的按钮15
‑
19。在精确控制下，平台12沿滚轴20在导轨滑块11的左侧朝向和远离固定磁体13周期性地移动。
[0011]图3A到图3C示出了3D细胞拉伸训练生物反应器的优化和生物相容性。(图3A)为了优化水凝胶构建体的拉伸参数，使用甲基丙烯酰化明胶(GelMA)作为示例水凝胶，并且在拉力载荷下可以实现10
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45％的伸长。(图3B)使用活/死细胞染色来评估水凝胶构建体的生物相容性，从而示出了细胞嵌入到GelMA构建体中之后的活力。(图3C)使用流式细胞术测试拉力加载下的细胞活力。拉伸载荷15天后，从水凝胶构建体中分离细胞并用碘化丙锭染色。与静态对照组相比，周期性拉伸载荷并不影响细胞活力。
[0012]图4A到图4B示出了3D拉伸训练生物反应器的应用。(图4A)使用半月板(膝关节中具有力学敏感性的纤维软骨组织)祖细胞作为实例来验证生物反应器的应用。通过番红O染色(一种将软骨ECM蛋白聚糖染成红色的组织学染色方法)评估细胞在具有和没有拉伸载荷的情况下的细胞外基质(ECM)分泌。(图4B)ECM分泌的面积分数表明，与静态对照组相比，ECM分泌在拉伸载荷下显著增加。结果证明了所设计的3D拉伸训练生物反应器在生物医学研发中的实际应用。
[0013]图5示出了如何在包封于水凝胶中的细胞上施加周期性拉伸应变——通过以下步骤的装置设计原理：a)将细胞接种在水凝胶(GelMA)中，并且通过UV交联将磁珠固定在凝胶臂自由端；b)磁珠朝向磁场方向拉伸细胞
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水凝胶臂；c)通过去除磁场来回复细胞
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水凝胶构建体使其免于伸展。
[0014]图6示出了使用生物反应器向基于水凝胶的构建体提供精确可控的周期性拉伸负荷。
[0015]图7A到图7C示出了周期性施加拉力如何加速水凝胶降解。(图7A)在第0天、第5天、第10天和第15天具有或没有拉力载荷的情况下的细胞
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水凝胶构建体的组织结构。用天狼猩红对GelMA水凝胶进行染色；标尺＝100μm。(图7B)根据天狼猩红染色(粗纤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于培养水凝胶构建体中的细胞/组织或用于向基于水凝胶的构建体施加力学载荷的系统，其特征在于，所述基于水凝胶的构建体包括一个主体和至少一个臂，所述臂的自由端可加载磁珠从而带动该分支臂完成载荷，所述系统包括：模具，所述模具用于加载水凝胶、细胞和磁珠等部件，并使所述基于水凝胶的构建体按既定尺寸和规模成形，其中所述模具具有符合所述基于水凝胶的构建体的所述主体的尺寸的主体凹面以及符合所述基于水凝胶的构建体的所述臂的尺寸的臂凹面；以及磁力产生装置，所述磁力产生装置被配置成向所述臂的所述自由端处的所述磁珠周期性地施加磁力。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述磁力产生装置是基于导轨滑块的结构，所述导轨滑块包括：轨道，永磁体，所述永磁体安置于所述轨道上，以及平台，所述平台安置在所述轨道上用于固持所述基于水凝胶的构建体，其中所述永磁体和所述平台中的至少一者被配置成周期性地朝另一者移动，由此向所述臂的所述自由端处的所述磁珠周期性地施加磁力。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述导轨滑块进一步包括控制器，所述控制器被配置成控制所述导轨滑块的操作参数。4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，被配置成控制所述导轨滑块的所述控制器的所述操作参数是当所述永磁体和所述平台中的至少一者朝另一者移动时所述永磁体与所述臂的所述自由端之间的最小距离、所述永磁体和/或所述平台的移动速度或循环周期。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述磁力产生装置包括电磁体和平台，所述平台用于固持所述基于水凝胶的构建体，并且所述电磁体被配置成周期性地激活和去激活，由此向所述臂的所述自由端处的所述磁珠周期性地施加磁力。6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述磁力产生装置进一步包括控制器，所述控制器被配置成控制所述力产生装置的操作参数。7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，被配置成控制所述力产生装置的所述控制器的所述操作参数是所述电磁体被激活时的磁强度、所述电磁体与所述臂的所述自由端之间的距离或所述电磁体的激活循环周期。8.根据权利要求1到7中任一项所述的系统，其特征在于，所述模具由聚合材料形成。9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述聚合材料是聚二甲基硅氧烷(PDMS)。10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述主体凹面和/或所述臂凹面是使用软光刻方法和/或3D打印形成的。11.根据权利要求1到10中任一项所述的系统，其特征在于，所述基于水凝胶的构建体由以下材料的至少一种形成：甲基丙烯酰化明胶(GelMA)、胶原、聚(乙二醇)二丙烯酸酯(PEGDA)、甲基丙烯酸酯化透明质酸(MeHA)、甲基丙烯酸酯化硫酸软骨素、甲基丙烯酰胺壳聚糖(MAC)、甲基丙烯酸酯化藻酸盐、甲基丙烯酸酯和赖氨酸官能化葡聚糖(Dex
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MA
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Ly)、甲基丙烯酸酯化结冷胶、甲基丙烯酸酯化乙二醇壳聚糖(MeGC)、聚(环氧乙烷)(PEO)和/或聚(乙二醇)(PEG)。12.根据权利要求1到11中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统用于培养包封在
所述基于水凝胶的构建体中的所述细胞、组织或细胞和组织的组合。13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述细胞或组织包封在所述基于水凝胶的构建体的所述臂中。14.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述细胞或组织选自以下的至少一种：软骨细胞、肌腱细胞、间充质干细胞、干细胞、骨髓衍生干细胞(BMSC)、半月板祖细胞(MPC)、腱干细胞、干细胞衍生细胞、体细胞、癌细胞、肌肉细胞、神经细胞、肠上皮细胞、类器官(organoid)和组织外植体。15.一种用于向基于水凝胶的构建体施加力学载荷或培养包封在基于水凝胶的构建体中的细胞或组织的系统，所述系统包括：基于水凝胶的构建体，其中所述基于水凝胶的构建体包括主体和至少一个从所述主体延伸的分支臂，所述臂的自由端加载磁珠；以及磁力产生装置，所述磁力产生装置被配置成向所述臂的所述自由端处的所述磁珠周期性地施加磁力。16.一种测试基于水凝胶的构建体的疲劳性能的方法，所述方法包括：i)提供所述基于水凝胶的构...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜洋子，孙晶，
申请(专利权)人：香港中文大学，
类型：发明
国别省市：