在人工復制的還原組織、器官的研究領域中,一門新的學科一組織工程學正在迅速發(fā)展,。組織工程學是用工程學和生命科學的原理和方法來研究正常和病理的哺乳類組織的結構-功能關系,研制生物代用品以恢復,、維持或改善其功能的一門交叉學科[1],。體外研制生物代用品必須將高濃度的功能相關的活細胞種植于天然或人工合成的細胞外基質(zhì)中,形成與人體組織相同或類似的組織,然后移植于人體內(nèi)"就地生長",達到形成新的有功能的組織的目的[2]。為達到此目的,顯然用傳統(tǒng)的二維細胞培養(yǎng)方法是無法實現(xiàn)的,必須采用模擬在體組織細胞生長的三維細胞培養(yǎng)技術[3],。眾所周知,在體組織通常處于復雜的生長環(huán)境中,其中應力和應變的作用極大地影響這些組織的結構,、形態(tài)和功能。如骨組織的壓力和張力[4],肌肉組織的收縮力[5],肺泡組織的擴張力[6],血管內(nèi)皮的剪切應力[7]等,。因此,研究三維細胞培養(yǎng)必須考慮應力應變的作用,。

　　考慮應力應變作用的二維細胞單層培養(yǎng)方法已有很多報道[8,9,10]。研究表明,在生長的適合時機,施加應力應變是形成組織和推動基因活動的重要因素,。 Liu等[11]將鼠胚肺泡細胞種植于三維凝膠海棉中,在應變條件下,模擬鼠胚肺的呼吸運動,進行三維細胞培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)動態(tài)拉伸明顯刺激肺泡細胞DNA合成和細胞分裂,促進肺泡生成;而在應變作用下,肺泡細胞的單層培養(yǎng)未見細胞增殖,。可見,細胞的生長和分化,依賴于胞外基質(zhì)的三維結構,。實際上,可以把胞外基質(zhì)的三維結構看成是細胞內(nèi)信號和化學反應的發(fā)起者,它們控制著細胞分化和功能的特異性;應力和應變因素影響組織的力學特性,組織的力學特性依賴于具有組織特性的三維膠原纖維網(wǎng)架,。因此,研究應變作用下三維細胞培養(yǎng)技術具有重要意義。到目前為止,未見有關不同形式應變(伸長應變,、壓縮應變)作用下三維細胞培養(yǎng)裝置的報道,。由于Liu等采用的實驗裝置用了電磁鐵作為動力機構,因此不但引人了電磁場因素對細胞培養(yǎng)的影響,而且不能產(chǎn)生壓縮應變,限制了其應用范圍。為了探求不同形式的應變對三維細胞培養(yǎng)的影響,本文采用微機控制步進電機,由步進電機驅(qū)動三維支架運動產(chǎn)生動態(tài)應變,研制出一種新型動態(tài)應變?nèi)S細胞培養(yǎng)裝置,以滿足不同形式的應變環(huán)境下三維細胞培養(yǎng)的需要,。
1.設計原理和構成

　　本裝置設計是將細胞種植在三維基質(zhì)支架中,通過步進電機驅(qū)動三維基質(zhì)支架伸縮運動產(chǎn)生動態(tài)應變,使之作用于基質(zhì)中的細胞,。如圖1所示。整個裝置由控制單元,、機械單元和組織反應器單元三部分組成,?？刂茊卧饕晌⑻幚砥鳌⒐β史糯笃骱腿藱C操作界面(鍵盤和顯示器)組成;機械單元由步進電機,、冷卻裝置及連桿機構組成;組織反應器單元包括圓柱形培養(yǎng)瓶,、夾具、三維支架,、細胞及培養(yǎng)液等,。機械單元和組織反應器置于CO2培養(yǎng)箱中。