【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于體外細胞培養和暴露領域，具體涉及一種細胞培養暴露單元、細胞培養暴露裝置、仿生呼吸式暴露系統及應用。
技術介紹
1、呼吸是維持機體內氧氣、co2平衡，確保機體新陳代謝的重要過程。呼吸過程是由三個相互銜接并且同時進行的環節來完成的，包括肺通氣、肺換氣和血液與組織細胞之間的氣體交換。大氣中有害氣體、顆粒以及吸入藥物氣溶膠的靶向治療均伴隨呼吸作用進入人體，建立呼吸暴露系統并進行呼吸暴露實驗，對了解吸入外源物質在呼吸道中的分布情況、獲取在呼吸道中的暴露劑量、進一步評估暴露內劑量及劑量-效應反應關系等都具有重要作用。
2、專利技術人所在課題組申請公開了一種用于在體外模擬體內co2釋放的co2供應裝置及方法(申請公布日為2022年08月12日、申請公布號為cn?114898637?a)的中國專利技術專利申請，其將具有多孔膜的內部容器置于外部容器中構建培養單元，多孔膜用于細胞生長并將培養單元分隔為氣體腔室、液體腔室，通過co2供給裝置經疏水透氣膜裝置向液體腔室中供給co2。該裝置能夠在一定程度上模擬呼吸道細胞暴露吸入物時的氣-液界面環境，但沒有模擬人體恒溫環境，且向液體腔室中通入的co2在實驗中成大氣泡團噴出液面，由此帶來的氣體沖力可能對細胞造成一定損傷，同時會引起液體飛濺至細胞培養小室，從而破壞氣-液界面狀態，這也與體內co2氣體是平穩、自然地經氣-血屏障排出肺的過程不符。
3、專利技術人所在課題組在前期披露了一種基于仿生呼吸的氣溶膠暴露系統(申請公布日2022年10月25日、申請公布號cn?115232
4、以上氣溶膠暴露系統能夠以呼吸節律的進氣、呼氣并按照呼出頻率通入co2，從而可以實現吸氣時的高o2，呼氣時的高co2，更好模擬呼吸道細胞經歷的流體力學以及細胞所處氣體環境，可以評價由不同co2濃度引起的ph環境變化以及隨之引起的細胞生長狀態變化。但是并沒有提供適配支氣管樹不同層級分流流量、支持細胞培養、暴露以及co2通入的具體細胞培養、暴露裝置及方法。
5、整體來看，現有裝置無法提供適配支氣管樹不同層級位置及分流流量且在氣-液界面下無法提供細小、均勻、量大的呼出co2氣體環境的細胞培養、暴露的裝置及方法，導致對體外吸入暴露和體內各種原因(如體內co2生成過多，過度通氣或通氣障礙，體內代謝性酸堿中毒)引起的不同濃度co2對細胞外液ph的改變以及對細胞產生的影響研究欠缺真實性和科學性。
技術實現思路
1、本專利技術的第一個目的是提供一種細胞培養暴露單元，以解決現有技術不能模擬體內co2平穩、自然地通過氣-血屏障的問題。
2、本專利技術的第二個目的是提供一種仿生呼吸式暴露系統，以解決現有系統的暴露單元不能適配支氣管樹不同層級位置及分流流量的問題。
3、本專利技術的第三個目的是提供一種細胞培養暴露裝置，以進一步解決細胞培養暴露單元搭載不便、不能模擬體內恒溫環境的問題。
4、本專利技術的第四個目的是提供上述仿生呼吸式暴露系統在體外暴露實驗中的應用，以解決仿生呼吸暴露實驗評價的真實性和有效性有待提高的問題。
5、為了實現上述第一個目的，本專利技術所采用的技術方案是：
6、一種細胞培養暴露單元，包括供細胞生長的微孔膜以及分別位于所述微孔膜兩側的氣體腔室、液體腔室，所述氣體腔室用于與支氣管樹相連，所述液體腔室用于與co2呼出裝置相連，所述液體腔室內靠近所處微孔膜位置設置有細化擋板，所述細化擋板具有用于將所述co2呼出裝置呼出的co2進行細化的微孔結構，所述細化擋板的板面朝向位于所述板面范圍內的所述微孔膜。
7、本專利技術屬于改進型專利技術創造，使用細化擋板將co2呼出裝置呼出的co2變為綿密、細小、均勻的co2氣泡，避免呼出的co2氣體沖力過大對細胞造成損傷或破壞氣-液界面狀態，同時還原細胞所處平穩、有序co2氣體環境，更好模擬co2平穩、自然地通過氣-血屏障過程。
8、優選地，所述細化擋板由多層微孔材料疊合而成，所述多層微孔材料的孔徑≤0.42mm，疊合層數≥2層，所述多層微孔材料的總厚度為0～4mm。這類微孔材料可選擇市售細化器片等。
9、優選地，所述氣體腔室的至少部分腔壁面采用軟質彈性材料制成，以使所述氣體腔室具有進氣時的鼓脹態以及出氣時的凹陷態。
10、優選地，所述細胞培養暴露單元包括培養槽和密封培養槽的密封蓋，所述培養槽內設置有具有所述微孔膜的細胞小室，所述密封蓋與所述細胞小室之間的腔室形成所述氣體腔室，所述細胞小室與所述培養槽之間的腔室形成所述液體腔室；所述密封蓋上連接有用于向氣體腔室中通入氣體的進氣管路。
11、進一步優選地，所述密封蓋采用軟質彈性材料制成。
12、進一步優選地，所述密封蓋采用雙層材質制成，內層采用軟質彈性材料，外層采用剛性材料以對內層鼓脹后的形態進行限制，所述外層為向上凸起的半球形。
13、優選地，所述密封蓋為平板結構或為內側向上凸起的凸起結構，凸起部分形成擴容腔。
14、優選地，所述液體腔室連接有用于向微孔膜呼出co2的co2呼出管路，所述co2呼出管路的出口為開度逐漸變大的喇叭口。
15、為了實現上述第二個目的，本專利技術所采用的技術方案是：
16、一種仿生呼吸式暴露系統，包括仿生呼吸裝置、co2呼出裝置和支氣管樹，所述仿生呼吸裝置連接所述支氣管樹的進口，還包括至少一套細胞培養暴露裝置，所述細胞培養暴露裝置包括上述細胞培養暴露單元，其中所述氣體腔室的至少部分腔壁面采用軟質彈性材料制成，以使所述氣體腔室具有進氣時的鼓脹態以及出氣時的凹陷態；所述氣體腔室與所述支氣管樹的分支相連，所述氣體腔室位置、處于鼓脹態時的容積匹配對應分支末端位置及其分流比例或目的分流比例；所述液體腔室與所述co2呼出裝置相連。
17、本專利技術的仿生呼吸式暴露系統，使用具有鼓脹和凹陷兩種狀態的細胞培養暴露單元，鼓脹的容積與支氣管樹對應分支的分流比例適配或與目的分流比例適配，能夠還原氣流經過不同肺部體征的支氣管樹的分流情況，更好適配支氣管樹不同層級位置及分流流量，從而能夠更加真實、科學的研究吸入暴露和體內各種原因(如肺部手術，肺不張，體內co2生成過多，過度通氣或通氣障礙，體內代謝性酸堿中毒)引起的肺部內部氣流分配比發生變化和不同濃度co2對細胞外液ph的改變以及對細胞產生的影響。
18、為了實現上述第三個目的，本專利技術所采用的技術方案是：
19、一種細胞培養暴露裝置，包括水浴容器和設置在所述水浴容器中上述細胞培養暴露單元。
20、本專利技術將上述細胞培養暴露單元置于水浴容器中，不僅可以模擬人體恒溫環境，還為細胞培養暴露單元提供支持條件，其能夠適配支氣管樹不同層級xyz向的空間位置本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種細胞培養暴露單元，包括供細胞生長的微孔膜以及分別位于所述微孔膜兩側的氣體腔室、液體腔室，所述氣體腔室用于與支氣管樹相連，所述液體腔室用于與CO2呼出裝置相連，其特征在于，所述液體腔室內靠近所處微孔膜位置設置有細化擋板，所述細化擋板具有用于將所述CO2呼出裝置呼出的CO2進行細化的微孔結構，所述細化擋板的板面朝向位于所述板面范圍內的所述微孔膜。
2.如權利要求1所述的細胞培養暴露單元，其特征在于，所述細化擋板由多層微孔材料疊合而成，所述多層微孔材料的孔徑≤0.42mm，疊合層數≥2層，所述多層微孔材料的總厚度為0～4mm。
3.如權利要求1所述的細胞培養暴露單元，其特征在于，所述氣體腔室的至少部分腔壁面采用軟質彈性材料制成，以使所述氣體腔室具有進氣時的鼓脹態以及出氣時的凹陷態。
4.如權利要求1所述的細胞培養暴露單元，其特征在于，所述細胞培養暴露單元包括培養槽和密封培養槽的密封蓋，所述培養槽內設置有具有所述微孔膜的細胞小室，所述密封蓋與所述細胞小室之間的腔室形成所述氣體腔室，所述細胞小室與所述培養槽之間的腔室形成所述液體腔室；所述密封蓋上
5.如權利要求4所述的細胞培養暴露單元，其特征在于，所述密封蓋采用軟質彈性材料制成。
6.如權利要求4所述的細胞培養暴露單元，其特征在于，所述密封蓋采用雙層材質制成，內層采用軟質彈性材料，外層采用剛性材料以對內層鼓脹后的形態進行限制，所述外層為向上凸起的半球形。
7.如權利要求4所述的細胞培養暴露單元，其特征在于，所述密封蓋為平板結構或為內側向上凸起的凸起結構，凸起部分形成擴容腔。
8.如權利要求1所述的細胞培養暴露單元，其特征在于，所述液體腔室連接有用于向微孔膜呼出CO2的CO2呼出管路，所述CO2呼出管路的出口為開度逐漸變大的喇叭口。
9.一種仿生呼吸式暴露系統，包括仿生呼吸裝置、CO2呼出裝置和支氣管樹，所述仿生呼吸裝置連接所述支氣管樹的進口，其特征在于，還包括至少一套細胞培養暴露裝置，所述細胞培養暴露裝置包括如權利要求1～8中任一項所述的細胞培養暴露單元，其中所述氣體腔室的至少部分腔壁面采用軟質彈性材料制成，以使所述氣體腔室具有進氣時的鼓脹態以及出氣時的凹陷態；所述氣體腔室與所述支氣管樹的分支相連，所述氣體腔室位置、處于鼓脹態時的容積匹配對應分支末端位置及其分流比例或目的分流比例；所述液體腔室與所述CO2呼出裝置相連。
10.一種細胞培養暴露裝置，其特征在于，包括水浴容器和設置在所述水浴容器中的如權利要求1～8中任一項所述的細胞培養暴露單元。
11.如權利要求10所述的細胞培養暴露裝置，其特征在于，所述細胞培養暴露單元的數量有2～10個，細胞培養暴露單元分布位置及其氣體腔室體積大小與連接支氣管樹末端分支的位置、分配系數及流量或目的分配系數及流量適配。
12.一種如權利要求9所述的仿生呼吸式暴露系統在體外暴露實驗中的應用，其特征在于，根據不同研究目的，選擇適配不同氣體腔室體積和數量分布的細胞培養暴露單元，具體包括以下步驟：
13.如權利要求12所述的應用，其特征在于，細胞懸液在所述微孔膜上接種后，使用仿生呼吸裝置通過支氣管樹模擬呼吸節律和特殊吸入頻率，CO2呼出裝置按照呼出頻率呼出CO2，實現仿生呼吸和特殊吸入，細胞在所述仿生呼吸模式和特殊吸入下貼壁或懸浮培養。
14.如權利要求12所述的應用，其特征在于，細胞在所述微孔膜上貼壁生長后，使用仿生呼吸裝置通過支氣管樹模擬呼吸節律和特殊吸入頻率，CO2呼出裝置按照呼出頻率呼出CO2，實現仿生呼吸和特殊吸入，細胞在所述仿生呼吸模式和特殊吸入下培養或暴露。
...【技術特征摘要】
1.一種細胞培養暴露單元，包括供細胞生長的微孔膜以及分別位于所述微孔膜兩側的氣體腔室、液體腔室，所述氣體腔室用于與支氣管樹相連，所述液體腔室用于與co2呼出裝置相連，其特征在于，所述液體腔室內靠近所處微孔膜位置設置有細化擋板，所述細化擋板具有用于將所述co2呼出裝置呼出的co2進行細化的微孔結構，所述細化擋板的板面朝向位于所述板面范圍內的所述微孔膜。
2.如權利要求1所述的細胞培養暴露單元，其特征在于，所述細化擋板由多層微孔材料疊合而成，所述多層微孔材料的孔徑≤0.42mm，疊合層數≥2層，所述多層微孔材料的總厚度為0～4mm。
3.如權利要求1所述的細胞培養暴露單元，其特征在于，所述氣體腔室的至少部分腔壁面采用軟質彈性材料制成，以使所述氣體腔室具有進氣時的鼓脹態以及出氣時的凹陷態。
4.如權利要求1所述的細胞培養暴露單元，其特征在于，所述細胞培養暴露單元包括培養槽和密封培養槽的密封蓋，所述培養槽內設置有具有所述微孔膜的細胞小室，所述密封蓋與所述細胞小室之間的腔室形成所述氣體腔室，所述細胞小室與所述培養槽之間的腔室形成所述液體腔室；所述密封蓋上連接有用于向氣體腔室中通入氣體的進氣管路。
5.如權利要求4所述的細胞培養暴露單元，其特征在于，所述密封蓋采用軟質彈性材料制成。
6.如權利要求4所述的細胞培養暴露單元，其特征在于，所述密封蓋采用雙層材質制成，內層采用軟質彈性材料，外層采用剛性材料以對內層鼓脹后的形態進行限制，所述外層為向上凸起的半球形。
7.如權利要求4所述的細胞培養暴露單元，其特征在于，所述密封蓋為平板結構或為內側向上凸起的凸起結構，凸起部分形成擴容腔。
8.如權利要求1所述的細胞培養暴露單元，其特征在于，所述液體腔室連接有用于向微孔膜呼出co2的co2呼出管路，所述co2呼出管...
【專利技術屬性】
技術研發人員：華辰鳳，馬鋮杰，余晶晶，劉克建，朱青青，劉瑞紅，陳滿堂，劉雨，謝復煒，聶聰，
申請(專利權)人：中國煙草總公司鄭州煙草研究院，
類型：發明
國別省市：
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