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基本信息
- 項目名稱：
- 細胞的溫床--基于對新型細胞或組織恒溫灌流實驗系統(tǒng)的研制
- 小類：
- 生命科學(xué)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品針對現(xiàn)有微灌流技術(shù)的不足，設(shè)計出了一種機械穩(wěn)定性能強、恒溫效果好、結(jié)構(gòu)簡單、方便灌流液加入的新型細胞或組織恒溫灌流實驗系統(tǒng)。系統(tǒng)由核心部件細胞微灌流裝置和附屬部件恒溫水浴箱、負壓抽吸器及多通道灌流液輸送管組成，可應(yīng)用于新鮮分離的細胞、培養(yǎng)的細胞和組織切片的灌流實驗。同時該系統(tǒng)也是一個可兼容多實驗裝置的實驗平臺，可廣泛用于生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域。
- 詳細介紹：
- 在生物、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，對離體的活組織細胞實驗中，研究人員需要嚴格模擬在體環(huán)境，保持細胞或組織正常的形態(tài)學(xué)特征與機能學(xué)功能，以得到較為真實的實驗結(jié)果。在生命科學(xué)研究中，細胞、分子水平領(lǐng)域的實驗對灌流環(huán)境的要求非常高，而現(xiàn)行實驗室的細胞微灌流裝置的功能大多存在各方面不足。以膜片鉗技術(shù)為例，每次記錄通常要維持數(shù)十分鐘的細胞穩(wěn)定鉗制，在記錄途中細胞一旦因機械干擾而脫落，就需要重新開展實驗，影響整個實驗進程。 經(jīng)過我們總結(jié)，已有的灌流裝置主要存在以下五點不足： ①機械穩(wěn)定性差。普通的灌流裝置使用培養(yǎng)皿承載細胞，灌流液沖擊到水面，使灌流液面不平穩(wěn)，易擾動細胞，甚至沖走細胞。除此之外裝置各部件之間非錨定連接，位置不固定，在實驗過程中會發(fā)生機械振動或移位，這些因素是導(dǎo)致其機械穩(wěn)定性差的主要原因。 ②恒溫效果的維持不佳。普通的恒溫灌流裝置使用類似冷凝管的結(jié)構(gòu)（外行恒溫水，內(nèi)行灌流液）。這種結(jié)構(gòu)會使恒溫水的熱量大量散失于外界，造成溫度維持效率低下；同時，若用培養(yǎng)皿承載細胞或組織，其與空氣接觸面積大，熱量易散失，且無相應(yīng)恒溫加熱器件，因此造成灌流液和灌流槽內(nèi)恒溫效果較差。 ③灌流裝置與其他儀器的兼容性差。普通的恒溫灌流裝置組裝隨意，不具有與多種儀器進行合用的能力。因此不能滿足各種類型實驗的進行。 ④普通灌流裝置有實驗對象的局限性。例如，培養(yǎng)的細胞的實驗后再培養(yǎng)、以及離體組織切片在培養(yǎng)皿中易受液面影響等因素會對實驗對象的選擇造成影響。 ⑤普通的恒溫灌流裝置采用培養(yǎng)皿承裝細胞，其光學(xué)性能差，不利于對形態(tài)學(xué)的記錄；且培養(yǎng)皿壁為豎直設(shè)計，與斜行的電極會形成死角操作區(qū)，極大的限制了操作。 基于以上原因，我們設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、機械穩(wěn)定性能好、方便灌流液加入、保證恒溫效果維持的新型細胞或組織恒溫灌流實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)的創(chuàng)新點表現(xiàn)在如下方面： ①機械穩(wěn)定性能方面，本裝置的部件通過螺釘相互固定組合，同時我們通過將灌流液輸送管鑲嵌在金屬恒溫器內(nèi)，排除了恒溫水浴泵的機械活動導(dǎo)致的灌流管的震動。 ②本系統(tǒng)采用雙恒溫系統(tǒng)，可以同步保證灌流液溫度及載物臺內(nèi)溫度恒定。其實現(xiàn)方式有恒溫水加熱方案與恒溫水加熱—電加熱方案。恒溫水加熱方案采用熱介質(zhì)閉合循環(huán)回路，巧妙地利用了恒溫水循環(huán)，使多通道管灌流液與載物臺恒溫；恒溫水加熱—電加熱方案是對恒溫水加熱方式的進一步改進。在恒溫效果不變的情況下，該方案可避免恒溫水在載物臺恒溫加熱器中流動而產(chǎn)生的振動，進一步加強了整個裝置的機械穩(wěn)定性能。 ③我們的灌流裝置與其他儀器的兼容性好?？梢愿鶕?jù)需要將裝置固定在平板支架上，也可以固定在正置、倒置顯微鏡上?？梢詫崿F(xiàn)組織切片、培養(yǎng)于蓋玻片上的細胞和新鮮分離的單細胞實驗的穩(wěn)定灌流。同時在顯微鏡裝有攝像系統(tǒng)的條件下，可以通過監(jiān)視器施行微操作，也可同步獲得形態(tài)學(xué)和影像學(xué)資料。例如可識別綠熒光蛋白轉(zhuǎn)染的細胞，或進行鈣成像實驗等。 ④本系統(tǒng)核心部件——細胞微灌流裝置采用光學(xué)蓋玻片承載細胞，光學(xué)性能好，可以根據(jù)實驗需要方便更換細胞，同時實驗后可取出細胞進行再培養(yǎng)，再觀察。另外，灌流速度和液面高度可以根據(jù)實驗需要而人為調(diào)控。進行組織切片實驗時，降低液面可以減少組織切片漂??；加快灌流速度的同時在灌流液中充入氮氣即可降低細胞外環(huán)境的含氧量，由此可構(gòu)建缺氧實驗?zāi)Ｐ?。除此之外，灌流槽的大小可更換，可以根據(jù)實驗的需要以及藥品量的需要進行選擇大小型號不同的配套灌流槽。節(jié)省了實驗的成本和消耗。 ⑤灌流槽外緣淺中間深的斜坡設(shè)計，可以方便電極置入，且不留死角，避免出現(xiàn)操作盲區(qū)。同時斜坡設(shè)計可防止灌流液滴入過程中對液面造成的波動，使液面更好的維持穩(wěn)定。 綜上所述，本作品作為一種可應(yīng)用于新鮮分離的細胞、培養(yǎng)的細胞和組織切片的灌流實驗，應(yīng)用前景廣泛，可運用于如胞漿鈣成像，測量胞漿內(nèi)的鈣濃度；進行心肌細胞的動作電位和收縮力的同步記錄，即電生理活動和機械活動的同步記錄；通過本系統(tǒng)結(jié)合膜片鉗技術(shù)可提取單細胞胞質(zhì)，進行單細胞real-time RT-PCR技術(shù)；通過本系統(tǒng)可以記錄胚胎心臟或心肌片、腦片的表面電位；通過本系統(tǒng)還可以進行缺氧的實驗。因此，本系統(tǒng)是一個優(yōu)點眾多、實用性強、成本較低、可兼容多實驗裝置的實驗平臺，推廣后必將為于生物、醫(yī)學(xué)等研究領(lǐng)域的科研工作者帶來很大的便利。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品設(shè)計、發(fā)明目的以及基本思路： 目前國內(nèi)外使用到的膜片鉗灌流裝置的機械穩(wěn)定性、恒溫效果、多裝置兼容性、實驗對象選擇性和光學(xué)性能普遍較差。為了克服這些問題，我們設(shè)計出一種由螺釘連接各組件的機械穩(wěn)定性能強的細胞微灌流裝置，用光學(xué)性能好的蓋玻片代替培養(yǎng)皿承載細胞或組織以獲取更好的光學(xué)效果，同時還可實現(xiàn)細胞的實驗后再培養(yǎng)。 創(chuàng)新點： ①灌流裝置有很強的機械穩(wěn)定性。 ②細胞微灌流裝置采用光學(xué)蓋玻片承載細胞，光學(xué)性能好，同時可實現(xiàn)實驗后再培養(yǎng)。 ③灌流速度可而人為調(diào)控。加快灌流速度的同時在灌流液中充入氮氣即可降低細胞外環(huán)境的含氧量，由此可構(gòu)建缺氧模型。 ④采用雙恒溫設(shè)計，可以同步保證灌流液溫度及載物臺內(nèi)溫度恒定。其實現(xiàn)方式有恒溫水加熱方案與恒溫水加熱—電加熱方案。 ⑤灌流槽的大小可以根據(jù)實驗的需要以及藥品量的需要進行選擇。節(jié)省了實驗的成本和消耗。 ⑥灌流槽外緣淺中間深的斜坡設(shè)計，可以方便電極置入，且不留死角，避免出現(xiàn)操作盲區(qū)。同時斜坡設(shè)計可防止灌流液滴入過程中對液面造成的波動，使液面更好的維持穩(wěn)定。 技術(shù)關(guān)鍵： 本系統(tǒng)中主要技術(shù)關(guān)鍵在于微灌流裝置的載物臺的制作。在該載物臺的制作過程中要求有高精密的制作儀器，以保證各部件之間契合良好，不留縫隙、不松動。同時載物臺的定位臺下方的硅膠圈的制作也需要高精密的儀器完成，否則會影響密封性能，導(dǎo)致灌流液外漏。 技術(shù)指標(biāo)： 以膜片鉗實驗為例，在實驗過程中，鉗制住細胞后60min內(nèi)細胞不發(fā)生任何移動，且液面無波動。
科學(xué)性、先進性
- 作品科學(xué)性： 1.利用新型細胞或組織恒溫灌流實驗系統(tǒng)結(jié)合膜片鉗技術(shù)研究了小鼠胚胎心肌細胞的Na+ 和If 通道的分子表達和功能表達的發(fā)育依賴性變化。目前已完成兩篇SCI論文，其中一篇已收稿于Circulation Journal 雜志，另一篇正在審稿中，這證明了該裝置的科學(xué)性和可靠性。 2.本系統(tǒng)可運用于生命科學(xué)各領(lǐng)域中急性分離細胞、培養(yǎng)細胞和離體組織切片的恒溫灌流實驗，該系統(tǒng)可極好的保證細胞或組織切片的生理活性，從而保證了實驗的進行。 3.本系統(tǒng)尤其適用于通過膜片鉗技術(shù)研究細胞離子通道，能夠長時間穩(wěn)定維持微電極與細胞之間形成的高阻封接。改善了目前國內(nèi)外膜片鉗灌流裝置中的諸多現(xiàn)存不足。 作品先進性： 根據(jù)文獻報道，我們對比了國內(nèi)外已有的恒溫灌流裝置，并結(jié)合教育部科技查新工作站Z03的201136000Z03E092號報告，可知本系統(tǒng)的研究方法和技術(shù)達到國際先進水平，且目前在國內(nèi)外尚無類似裝置存在。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 1.本作品在2011年湖北省第8屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中獲特等獎。（附件3） 2.本作品的相關(guān)研究論文《Molecular and functional changes in voltage-gated Na+ channels in cardiomyocytes during mouse embryogenesis》被Circulation Journal 雜志收錄。（該雜志2010年影響因子為2.692；收稿通知見附件11） 3.根據(jù)教育部科技查新工作站Z03的201136000Z03E092號報告，可知本作品和研究內(nèi)容在國內(nèi)外處于領(lǐng)先地位。（附件4） 4.中國科學(xué)院韓濟生院士，德國國家科學(xué)顧問、歐盟干細胞研究首席科學(xué)家、德國干細胞研究協(xié)會主席、中國國務(wù)院學(xué)位委員會批準的“名譽博士”、“海外名師項目”獲得者Juergen Hescheler 教授為本作品給予了高度評價。（附件5-6） 5.北京理工大學(xué)生命科學(xué)院、北京現(xiàn)代生物醫(yī)藥技術(shù)重點實驗室、蘇州大學(xué)醫(yī)學(xué)生物技術(shù)研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程中心對本作品進行了試用，并提供了相關(guān)鑒定證明（附件8—10）。同時，本團隊已和成都泰盟科技有限公司達成初步協(xié)議，為本作品進行產(chǎn)業(yè)化推廣（附件7）。
作品所處階段
- 本作品處于中試及產(chǎn)業(yè)化協(xié)商階段。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)入股，保留自主知識產(chǎn)權(quán)。
作品可展示的形式
- 實物、圖片、視頻、裝置圖、現(xiàn)場演示等。
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 該作品是精密機械加工裝置。部件之間用螺釘固定，灌流管鑲嵌在導(dǎo)熱金屬凹槽中，防震性能很強；灌流液和灌流槽雙恒溫，灌流液流出管口至灌流槽距離短，可避免室溫的影響；可更換承載培養(yǎng)細胞的蓋玻片，使組織片、分離和培養(yǎng)細胞灌流都成為可能；所有部件均可消毒，標(biāo)本可再培養(yǎng)并做后續(xù)實驗；可通過多通道灌流管同步灌流多種藥品；液面深度人為可調(diào)；光學(xué)玻璃為槽底，通過攝像系統(tǒng)可進行圖像監(jiān)測和照相；灌流槽有不同規(guī)格，小型號適用于昂貴藥品或缺氧的灌流；系統(tǒng)可安裝于支架、正置或倒置顯微鏡上使用；灌流槽的斜坡設(shè)計，方便探頭置入，避免出現(xiàn)操作盲區(qū)。本作品適用于生命科學(xué)領(lǐng)域的活組織切片和單細胞水平的灌流實驗。可在同一組織或同一細胞上進行以下不同的研究：膜片鉗-跨膜電位-表面電位-鈣成像-取胞漿液做單細胞PCR-細胞染色照相-同步測定肌肉收縮。所以該裝置有廣泛推廣前景。技術(shù)性方面對加工工藝要求較高，我們在國內(nèi)公司試制已成功。直接經(jīng)濟效益是提供給大學(xué)、研究所、制藥學(xué)、畜牧業(yè)等使用。間接經(jīng)濟效益是在生命科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生的的研究成果。
同類課題研究水平概述
- 國內(nèi)研究水平概況： 根據(jù)教育部科技查新工作站Z03的201136000Z03E092號報告（附件4）的查新結(jié)論可知，國內(nèi)僅存在少數(shù)對細胞恒溫灌流技術(shù)的相關(guān)研究，且各科研單位并未形成統(tǒng)一的恒溫灌流系統(tǒng)標(biāo)準，裝置效能參差不齊。而本課題的研究內(nèi)容在國內(nèi)外均未見相同報道，只見于本團隊所在的實驗室。 在細胞恒溫灌流領(lǐng)域，國內(nèi)大多數(shù)實驗室采用的是灌流槽和培養(yǎng)皿，其機械穩(wěn)定性和光學(xué)性能與我們所用的系統(tǒng)相比較差，且不利于與倒置顯微鏡配合使用。 在2008年，鐘平研制了一種較為穩(wěn)定、高效的四通道灌流系統(tǒng)(簡稱STD-1型灌流系統(tǒng))。此種灌流裝置具有灌流速度快，浴槽中液面較為平穩(wěn)等優(yōu)點，但較我們設(shè)計的新型細胞或組織恒溫灌流實驗系統(tǒng)，主要有以下明顯不足： 1.設(shè)備機械穩(wěn)定性差。裝置沒有機械固定組件，易受外力影響。 2.灌流溫度控制能力差。此設(shè)備缺乏載物臺控溫組件，實驗僅限在室溫（20-24°C）條件下進行，難以模擬體內(nèi)環(huán)境。 3.裝置光學(xué)性能較差。其使用浴槽承載細胞，不利于實驗的形態(tài)學(xué)記錄。 趙玉峰等人于2010年申請了兩項關(guān)于細胞恒溫灌流裝置的國家專利，其中一項專利名為“一種細胞恒溫灌流裝置”，其將灌流管卷曲纏繞內(nèi)置于水浴箱內(nèi)，灌流管入口連接灌流給藥裝置；灌流管出口連接灌流槽；水浴箱通過循環(huán)水管聯(lián)通恒溫水循環(huán)泵。與本系統(tǒng)類似的是，它同樣使用了恒溫水循環(huán)裝置，但是較本系統(tǒng)而言，仍存在一定不足，如下所示： 1.灌流溫度控制能力較差。此裝置沒有載物臺控溫組件，恒溫效果相對不足。 2.裝置光學(xué)性能較差。其使用培養(yǎng)皿承載細胞，不利于實驗的形態(tài)學(xué)記錄。 3.灌流通道數(shù)目單一。其采用單通道灌流方法，只能在同一時間灌流一種液體。 除此以外，此專利缺乏對機械穩(wěn)定性的詳細報道。 國外研究水平概況： 目前美國Warner公司的一款恒溫系統(tǒng)TC-324B/TC-344B型單/雙溫度控制器是目前國際上應(yīng)用于膜片鉗技術(shù)的最先進恒溫灌流系統(tǒng)。但是與我們的發(fā)明相比，此款裝置的附屬部件無相應(yīng)的固定裝置，其機械穩(wěn)定性能較差，且無多通道灌流功能，同時價格昂貴，性價比較低，不利于在國內(nèi)進行廣泛推廣。
