Name: 一种在模拟微重力与生理流体条件下持续培养内皮细胞的平台 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2026-09-11T13:40:00.000+00:00
Duration: 8 min 23 s
Description: 了解一种用于模拟微重力环境的微生理细胞培养平台，该系统采用闭环微流控回路和方向无关的气泡陷阱，可实现长期无气泡的内皮细胞培养，适用于地面模拟和太空飞行研究。

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本研究由美国国家航空航天局（NASA）空间生物学项目资助，项目编号 # 80NSSC21K0272。

1. 系统电子元件
<ol>
	<li>将泵驱动器连接到微控制器上标有“mp-Highdriver4”的指定插槽。&#160;</li>
	<li>将一根泵电缆连接至泵驱动器侧面标有“CH1 CH2”的指定位置。&#160;</li>
	<li>将一个微型泵连接至其中一个泵电缆端口。确保白色连接端口从彩色导线侧轻轻拉出，以便完全插入微型泵。当微型泵完全插入连接端口后，轻轻将白色连接端口推回彩色导线方向，以锁定微型泵。</li>
	<li>使用宏转迷你USB线缆将Nano板&#160;连接至已安装微控制器应用程序的计算机。</li>
	<li>将两个带螺纹的卡套接头固定在一个液体流量传感器的两端。使用该液体流量传感器监测并记录液体流速数据。组装完成的系统如图1所示。 
	注意： 第1节中的所有组件仅在必要时（例如损坏或性能开始下降）才需更换。</li>
</ol>
2. 系统流体连接
<ol>
	<li>在启动过程中，将与方向无关的气泡捕集器腔体用实验工作流体填充至最大容量的约80%。 
	注意：此填充水平可在保持入口和出口端口浸没于工作流体中的同时，实现更高的气泡截留率。与方向无关的气泡捕集器在其质心附近有两个侧端口，用于直接连接至闭环流动系统，顶部有一个符合鲁尔标准的端口，打开时可进一步填充腔体。在实验开始之前，必须使用聚四氟乙烯胶带和鲁尔堵头完全密封该气泡捕集器的顶部端口，以确保系统完全封闭。</li>
	<li>裁剪四段长度为10 cm的PVC管（内径1.59 mm × 外径3.18 mm），用于连接所有流动回路组件。&#160;</li>
	<li>将一段PVC管连接至微型泵的出口（箭头标记指示从入口到出口的流动方向）。在PVC管上安装一个3 mm黑色尼龙圆垫片（内径3.2 mm），以将管路牢固固定在微型泵上。将PVC管的另一端连接至与方向无关的气泡捕集器的任一侧端口。&#160;</li>
	<li>使用第二段&#160;PVC管，将与方向无关的气泡捕集器的另一个侧端口连接至液体流量传感器的入口卡套接头（箭头标记指示从入口到出口的流动方向）。&#160;</li>
	<li>使用第三段PVC管，将液体流量传感器的出口卡套接头（即箭头指向的一侧）连接至一个弯头鲁尔接头。&#160;</li>
	<li>将最后一段PVC管连接至同一微型泵的入口（箭头标记指示从入口到出口的流动方向）。在PVC管上安装一个3 mm黑色尼龙圆垫片（内径3.2 mm），以将管路牢固固定在微型泵上。将PVC管的另一端连接至另一个弯头鲁尔接头。 
	注意：每次实验之间均应更换所有管路。</li>
</ol>
3. 实验准备与系统灭菌
<ol>
	<li>准备生物安全柜以进行灭菌操作，确保细胞培养的完全无菌和安全。&#160;</li>
	<li>准备一个装有70%乙醇的50 mL自立式离心管和一个装有无菌细胞培养用水的50 mL自立式离心管。</li>
	<li>将微控制器放入一个小塑料袋中，但使泵电缆和微型泵从袋中伸出。使用扎带密封塑料袋，以保护电子元件。&#160;</li>
	<li>使用70%乙醇喷瓶和纸巾对所有流路组件及所有其他实验材料的外表面进行消毒。切勿将70%乙醇喷洒在任何电气连接器上。每擦拭完一件组件或材料后，立即将其放入生物安全柜中。&#160;</li>
	<li>使用宏型转微型USB线缆将移动计算机工作站连接至微控制器，并打开微控制器的计算机应用程序，将两个微型泵的频率和电压分别设置为100 Hz和240 V。保持微型泵&#160;处于关闭状态。</li>
	<li>将连接至微型泵的弯头鲁尔接头直接浸入装有70%乙醇的50 mL自立式离心管中。在同一流路的另一个弯头鲁尔接头上连接一个带雌-雌鲁尔耦合器的12 mL注射器。&#160;</li>
	<li>手动夹紧连接微型泵与弯头鲁尔接头之间的PVC管路，并确保无方向依赖性气泡捕集器的顶部端口已用聚四氟乙烯（Teflon）胶带和&#160;鲁尔塞密封。用另一只手拉动12 mL注射器约5 mL，以在整个系统中形成足够真空。&#160;</li>
	<li>启动微型泵，并释放上一步骤中的夹具。使5 mL的70%乙醇流经系统进入注射器，以确保系统彻底灭菌。&#160;</li>
	<li>打开无方向依赖性气泡捕集器的顶部端口，使其充满70%乙醇。当无方向依赖性气泡捕集器中70%乙醇的填充量达到约80%时，关闭泵，并用聚四氟乙烯胶带和鲁尔塞将顶部端口完全密封。轻轻摇动无方向依赖性气泡捕集器，确保其内部完全灭菌。&#160;</li>
	<li>将弯头鲁尔接头从70%乙醇的离心管中取出，并启动微型泵以排空系统。当所有70%乙醇均被吸入12 mL注射器后，断开无方向依赖性气泡捕集器与系统的连接，取下鲁尔塞，并将无方向依赖性气泡捕集器中的70%乙醇直接排入废液容器中。&#160;</li>
	<li>重复步骤3.6–3.10，使用装有无菌细胞培养用水的50 mL自立式离心管&#160;代替70%乙醇，并使15 mL无菌细胞培养用水流经每条流路。</li>
</ol>
4. 系统启动与微流控细胞通道整合
<ol>
	<li>灭菌完成后，将系统保留在生物安全柜中，使用工作流体进行真空引液。&#160;</li>
	<li>将连接至微型泵的弯头鲁尔接头直接浸入装有30 mL细胞培养基的塑料容器中（容器近似尺寸为80 mm × 50 mm × 25 mm），并使用雌-雌鲁尔连接器将12 mL注射器连接到同一流路中的另一个弯头鲁尔接头。&#160;</li>
	<li>用左手的食指和拇指夹紧连接微型泵与弯头鲁尔接头的PVC泰贡管段，同时用右手将12 mL注射器拉动约5 mL，以在整个系统中产生足够的真空。确保无方向依赖性气泡捕集器的顶部端口已用聚四氟乙烯胶带和&#160;鲁尔塞密封。&#160;</li>
	<li>启动微型泵，并松开上一步中的夹紧装置。使5 mL细胞培养基流经系统进入注射器，以确保系统充分引液。</li>
	<li>打开无方向依赖性气泡捕集器的顶部端口，使其充满细胞培养基。当无方向依赖性气泡捕集器内的细胞培养基达到约80%容量时，关闭泵，并用聚四氟乙烯胶带和鲁尔塞将顶部端口完全密封。</li>
	<li>将已接种细胞的微流控通道直接放入80 mm × 50 mm × 25 mm的塑料容器中，并将磁力搅拌子置于已接种细胞的微通道中心，以防止其漂浮。向塑料容器中加入额外的细胞培养基，直至整个载玻片完全浸没。 
	注：内皮细胞在集成至流路之前，已按照标准操作流程在ibidi µ-Slide VI0.4中培养至80%融合度16。</li>
	<li>在保持一个流路的弯头鲁尔接头浸没于细胞培养基中的同时，启动该流路的微型泵。小心地将弯头鲁尔接头连接至其中一条微通道，并确保连接点处不产生气泡。完成后，关闭微型泵。</li>
</ol>
5.&#160;微控制器与微型泵外壳（可选）
<ol>
	<li>使用两个 M3 × 8 不锈钢螺丝、两个 M3 不锈钢垫圈和两个 M3 不锈钢螺母，将定制的横杆安装座固定到定制的底部安装板上。&#160;</li>
	<li>使用四个 M3 × 12 不锈钢螺丝、四个 M3 不锈钢垫圈和四个 M3 不锈钢螺母，将聚碳酸酯外壳的底部固定到定制的底部安装板上。在每个 M3 × 12 螺丝处使用两个 M3 尼龙垫圈（共八个），使外壳底部与底部安装板之间留有微小间隙。&#160;</li>
	<li>使用四个 M3 螺丝、四个 M3 公对母尼龙六角间隔柱和四个 M3 不锈钢螺母，将微控制器固定到定制的亚克力内安装板上。将尼龙六角间隔柱置于微控制器底部与亚克力安装板之间。&#160;&#160;</li>
	<li>使用两个 M3 × 8 不锈钢螺丝、两个 M3 不锈钢垫圈和两个 M3 不锈钢螺母，将定制的微型泵固定架安装到亚克力内安装板的顶部。&#160;</li>
	<li>将微型泵放入定制的微型泵固定架中，使微型泵上的箭头指向泵驱动器方向。&#160;</li>
	<li>使用四个 M3 × 8 不锈钢圆头螺丝和四个 M3 不锈钢垫圈，将亚克力内安装板固定在聚碳酸酯外壳内部。&#160;</li>
	<li>将四个橡胶护线环插入聚碳酸酯外壳一侧的四个连续孔中。在另一侧具有四个连续孔的位置重复此操作。&#160;</li>
	<li>使用标签机在聚碳酸酯外壳两侧从左至右依次为护线环编号 1 至 4。</li>
	<li>将两个 O 型圈套在公对母 mini-USB 电缆的螺纹部分。完成后，将公对母 mini-USB 电缆的母端穿过聚碳酸酯外壳上与微型泵箭头同侧的孔。通过在外壳外侧的螺纹部分再安装一个 O 型圈，固定公对母 mini-USB 电缆的母端。&#160;</li>
	<li>用通用胶带密封聚碳酸酯外壳侧壁上剩余的孔。组装完成的系统如图 2所示。&#160;</li>
</ol>
6. 上层甲板安装板（可选）
<ol>
	<li>使用四枚 M2 × 8 不锈钢螺丝和四枚 M2 不锈钢螺母，将两个流量传感器安装夹具固定在定制的丙烯酸上层甲板安装板上。&#160;</li>
	<li>使用四枚 M3 × 12 不锈钢螺丝和四枚 M3 不锈钢螺母，将两个定制的无方向依赖性气泡捕集器支架固定在定制的丙烯酸上层甲板安装板上。&#160;</li>
	<li>使用钳子将一根 M4 钢制螺纹杆切割成四段，每段长约 110 mm。将这四段螺纹杆作为四个立柱，用于将上层甲板安装板固定在聚碳酸酯外壳上方。&#160;</li>
	<li>使用剪刀裁剪四段长度为 40 mm 的聚氨酯管（外径 6.35 mm）。将 M4 钢制螺纹杆段穿过这些管段，以确保上层甲板安装板与聚碳酸酯外壳盖之间有足够的间隙。&#160;</li>
	<li>将定制的无方向依赖性气泡捕集器支架和安装夹具朝上放置，将四段 M4 螺纹杆中的每一段分别从定制丙烯酸上层甲板安装板的四个角中间穿过一半。在每段螺纹杆的顶部，依次固定一个 M4 翼形螺母、一个 M4 螺母和一个垫圈。&#160;</li>
	<li>将每段 M4 螺纹杆依次穿过一个 6 mm 黑色尼龙圆形垫片（内径 3.2 mm）和一段 40 mm 长的聚氨酯管。最后，在每段 M4 螺纹杆的底部固定一个 M4 翼形螺母。组件的排列顺序如下：M4 钢制翼形螺母、M4 不锈钢螺母、M4 不锈钢垫圈、上层甲板安装板、黑色尼龙圆形垫片、聚氨酯管，以及另一个 M4 钢制翼形螺母。&#160;</li>
	<li>使用通用胶带将两块 75 mm 长 × 25 mm 宽的丙烯酸空白板面对面粘合，使两块丙烯酸板的长度方向相互平行。&#160;</li>
	<li>使用剪刀裁剪一段 75 mm 长的双面泡沫胶带（25 mm 宽 × 1.6 mm 厚）。将该双面泡沫胶带的一侧粘贴到一块 75 mm 长 × 25 mm 宽的丙烯酸空白板上，使泡沫胶带的长度方向与丙烯酸板的长度方向平行。&#160;</li>
	<li>将此带有泡沫胶带的丙烯酸空白板用作缓冲垫，放置在微流控芯片的弯头鲁尔接头上，以防止在模拟微重力实验过程中接头松动。使用定制的微流控芯片支架将该带有泡沫胶带的丙烯酸缓冲垫与微流控芯片固定在一起。</li>
</ol>
7. 在随机定位机（RPM）上安装
<ol>
	<li>使用双面泡沫胶带将所有流体系统组件固定在 RPM 的安装板上。避免将胶带直接贴在细胞培养微通道下方，以确保实验过程中细胞的气体交换。确保微载片固定在安装板的中心位置，从而使微载片在实验期间保持在 RPM 的旋转轴上。&#160;</li>
	<li>将安装板插入 RPM U 形架的最高槽口中，并使用 RPM 配套的螺丝和垫圈将安装板固定到 RPM U 形架上。&#160;</li>
	<li>使用预先正确接线的 DB15 分线连接器，将计算机工作站直接连接至 RPM，然后通过另一个预先接线的 DB15 分线连接器将 RPM 连接到微控制器和液体流量传感器。&#160; 
	注意：RPM 滑环连接两个 DB15 连接器，从而将计算机工作站有效连接至微控制器和流量传感器。</li>
	<li>连接微控制器和流量传感器的电源线，并使用扎带固定松散的电缆长度。电缆应牢固固定，但需确保电气连接不受过度应力。组装完成的系统如图3所示。&#160;</li>
</ol>
8. 流式数据采集
<ol>
	<li>打开计算机工作站上的流量传感器软件，以监测流速。&#160;</li>
	<li>使用微控制器的计算机应用程序调节泵的电压，直至流量传感器显示所需的流速。</li>
	<li>流速设定后，开始记录流量数据，持续 24 小时。</li>
</ol>

<ol>
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</ol>

全向气泡捕获装置受美国专利申请号 US 18634723 保护。不存在其他利益冲突。

已开发出一种闭环、与方向无关的微流控系统，该系统能够在无重力条件下运行，并已证明可在生理流动条件下用于内皮细胞的培养。该系统的关键组件包括微控制器、微泵、液体流量传感器、细胞培养微流控载片以及定制的3D打印、与方向无关的气泡捕获装置。
本研究中使用的气泡捕获装置由立体光刻树脂制成15，此类树脂若未经未聚合单体的预浸出处理，通常细胞相容性较低，即使为生物医学级树脂亦是如此17,18。因此，在将气泡捕获装置集成到系统之前，有必要评估自行制备的气泡捕获装置材料是否可能因化学浸出物而影响细胞活力。
除生物相容性材料的选择外，在实验装置的操作流程中，最关键的步骤包括气泡捕集器的密封、微流控载玻片的浸没式预润湿，以及使用模拟微重力装置时的电缆管理。当观察到预润湿后的流体系统无气泡时，必须使用聚四氟乙烯胶带和鲁尔接头堵头对气泡捕集器的顶部接口进行严密密封，以防止泄漏。由于立体光...

目前已有充分证据表明，通过正在研究的机制，机械力在细胞功能以及维持健康与疾病之间的精细平衡中发挥着关键作用1。在所有环境应力中，引力具有独特性，在绝大多数生物医学研究中被合理地视为一种恒定且不可改变的矢量。然而，太空飞行提供了一种独特的微重力环境，生物体在其中的行为可能与在地球上的表现不同。涉及动物和人类受试者的太空飞行实验显示出生理上的显著变化，凸显了引力在细胞和机体稳态中的重要作用2。
近年来，美国国家航空航天局（NASA）及其他私营机构对开发用于太空任务的组织芯片（或称器官芯片）表现出极大兴趣3组织芯片旨在模拟 体内 结构，使他们能够高保真地模拟微重力和空间辐射的生理效应与作用机制4利用供体来源的细胞，器官芯片还可用于研究宇航员对微重力和空间辐射的敏感性，并开发预防性对抗措施5在过去五年中，已利用组织芯片对包括大脑、肝脏、肠道、血管、心脏、肾脏和肺在内的多个器官系统进行建模，并将其送入国际空间站（ISS）开展研究。6. 在体，器官通过血管系统的灌注程度各不相同，这决定了其生理特性——例如，肝脏具有高度血管化，而软骨的血管化程度则低得多。因此，为了在体外准确模拟器官功能，在器官芯片系统的开发中，一个重要的考虑因素是将流体流动整合到组织和细胞中。
微流控技术已被用于器官芯片系统中细胞和组织的灌注7,8。适当的流体流动不仅能够支持营养物质进入系统以及代谢废物从系统中排出，还能维持细胞所经历的生理剪切应力。然而，在微小尺度下，气泡在相界面处始终是一个严峻挑战，会导致测量不准确、损伤和堵塞9。为缓解这一问题，已采用主动式（例如真空脱气或声场、热场等外加场）和被动式（例如依赖表面特性的半透膜）设计的气泡捕获装置10,11。然而，这些微流控除泡器设计增加了器件制造的复杂性，可能损害样品完整性，并导致堵塞和屏障破裂。在太空环境中，这些问题更加突出，因为成核和气泡形成现象更为显著，而在地球上有效的气泡抑制策略在太空中大多失效12。地面模拟微重力环境可通过旋转壁式生物反应器（RWV）或随机定位装置（RPM）等设备实现13,14。值得注意的是，在RPM中，重力矢量持续重新定向，从而使样品所受的时间平均净重力刺激接近于零。我们近期报道了一种用于在RPM模拟微重力条件下内皮细胞灌注培养的、与方向无关的气泡捕获装置的设计、制造与应用15。本文中，我们详细描述了使用该与方向无关气泡捕获装置构建闭环灌注系统的分步组装与操作流程，并展示了其在人脐静脉内皮细胞培养中的适用性，作为模拟微重力条件下连续细胞培养的模型系统。
闭环系统由一个带有电机驱动器的微控制器组成，用于频率和电压控制的微型泵运行，还包括液体流量传感器、气泡捕集器15，以及含有贴壁内皮细胞的微流控通道。具体组件详见材料表。以下方案描述了系统电子元件的组装（步骤1）、流体系统的组装（步骤2）、灭菌和灌注（步骤3和4）、微流控细胞培养的整合（步骤4）、微型泵与控制器的组装（步骤5），以及整个系统在封闭外壳中的集成（步骤6）。该闭环流动系统被安装在RPM上方，通过定制的外壳模拟微重力环境（步骤7）。

<table><tbody><tr><td>100% 乙醇</td><td>Fisher Scientific</td><td>A4094&amp;nbsp;</td><td>用于配制70%乙醇溶液，以进行系统灭菌（最少需要35 mL）</td></tr><tr><td>6 mm 黑色尼龙圆形垫圈，7 mm 外径，3.2 mm 内径</td><td>Exqutoo</td><td>ZH-0050</td><td>将顶部安装件固定到外壳上（最少需要 4 个）</td></tr><tr><td>丙烯酸板，75 mm 长 × 25 mm 宽</td><td>Polymersan</td><td>ACRCS</td><td>将肘型鲁尔接头固定到微通道载玻片上（最少需要1个）</td></tr><tr><td>A型公头至 mini-B 型母头 USB 2.0 电缆</td><td>Ugreen 集团有限公司</td><td>10355</td><td>用于连接计算机与微控制器（最少需要1个）</td></tr><tr><td>气泡捕集器</td><td>（定制）</td><td></td><td>为防止气泡进入显微载片（最少需要1个）</td></tr><tr><td>气泡捕集器支架</td><td>自定义</td><td></td><td>用于固定气泡捕获装置的3D打印支架（最少需要2个）</td></tr><tr><td>细胞培养级水</td><td>Fisher Scientific</td><td>MT25055CI</td><td>用于灭菌后冲洗掉所有乙醇残留（最少需要30 mL）</td></tr><tr><td>控制器、泵和外壳安装架（内部安装）</td><td>自定义</td><td></td><td>防护罩内安装板（最少需要1个）</td></tr><tr><td>横杆安装座</td><td>自定义</td><td></td><td>安装横杆并连接外壳安装板（至少需要1个）</td></tr><tr><td>DB15 分线盒公头 + 母头连接器</td><td>ANMBEST</td><td>ANMBEST_MDDB15</td><td>用于将计算机连接至随机定位机，再连接至微控制器（最少需要1个）</td></tr><tr><td>肘型鲁尔接头转接至宝塔接头</td><td>ibidi</td><td>10802</td><td>将微载玻片连接至流路系统（最少需要2个）</td></tr><tr><td>双面泡沫胶带</td><td>3M</td><td>4026</td><td>用于压缩微通道载玻片上的肘型鲁尔接头（最少需要 1 个）</td></tr><tr><td>外壳（60 mm × 140 mm × 140 mm）</td><td>哈蒙德</td><td>1554Q2GYCL</td><td>容纳微控制器和微泵（最少需要1个）</td></tr><tr><td>封闭式安装（底部安装）</td><td>自定义</td><td></td><td>外壳下方的安装板（最少需要1个）</td></tr><tr><td>雌-雌型鲁尔接头</td><td>博鳌</td><td>宝奥-注射器-WAD2354</td><td>用于连接注射器与肘型鲁尔接头，以进行细胞培养基预灌注（最少需要1个）</td></tr><tr><td>Gibco RPMI 1640 细胞培养基</td><td>赛默飞世尔科技</td><td>11875093</td><td>用于内皮细胞培养（最少需要 50 mL）</td></tr><tr><td>铆钉，9/16&quot; 孔径和1/8&quot; 厚度，1/8&quot; ID</td><td>McMaster-Carr</td><td>9307K863</td><td>用于管道进出机箱（最少需要8个）</td></tr><tr><td>IDEX P-646 接头，1/16&quot; 1/4-28 牙螺纹</td><td>IDEX</td><td>P-646</td><td>将流量传感器连接至流量回路（最少需要2个）</td></tr><tr><td>液体流量传感器</td><td>Sensirion</td><td>SLF3-1300F</td><td>用于流式数据采集（最低需求 1）</td></tr><tr><td>液体流量传感器安装夹具</td><td>Sensirion</td><td>SLF3x 安装夹具</td><td>SLF3x 安装座（最少需要 2 个）</td></tr><tr><td>鲁尔锁扣注射器（12 mL）</td><td>McKesson</td><td>414624</td><td>用于真空引物（最少需要1个）</td></tr><tr><td>鲁尔接头堵头</td><td>Cole-Parmer</td><td>UX-50110-33</td><td>用于密封无需特定方向的气泡捕获装置（最低需求 1）</td></tr><tr><td>M2 不锈钢螺母</td><td>VIGRUE</td><td>B07PJQC7T6</td><td>将液体流量传感器固定到顶部安装座（最少需要 4 个）</td></tr><tr><td>M2&amp;times;8个不锈钢螺钉</td><td>VIGRUE</td><td>B07PJQC7T6</td><td>将液体流量传感器固定到顶部安装座（最少需要4个）</td></tr><tr><td>M3 阴-阳尼龙六角间隔柱</td><td>Meijubol</td><td>B0GC6GN9S7</td><td>将 mp-Multiboard 固定到内侧安装位置（最少需要 4 个）</td></tr><tr><td>M3 尼龙垫圈</td><td>Sutemribor</td><td>7.81573E+11</td><td>将外壳固定到底部安装座（最少需要16个）</td></tr><tr><td>M3 不锈钢螺母</td><td>VIGRUE</td><td>B07PJQC7T6</td><td>将 enclosure 固定到底部安装座，横杆固定到底部安装座，泵支架固定到内部安装座（最少需要 16 个）</td></tr><tr><td>M3 不锈钢垫圈</td><td>VIGRUE</td><td>B07PJQC7T6</td><td>将横杆固定到底部安装座，外壳固定到底部和内部安装座，内部安装座固定到泵支架（最少需要12个）</td></tr><tr><td>M3&amp;times;12个不锈钢圆头螺丝</td><td>VIGRUE</td><td>B07PJQC7T6</td><td>将外壳固定到底部安装座（至少需要4个）</td></tr><tr><td>M3&amp;times;12个不锈钢内六角圆柱头螺钉</td><td>Fgruh</td><td>FG001-3</td><td>将气泡捕集器支架固定在上层甲板安装座上（最少需要 2 个）</td></tr><tr><td>M3&amp;times;6 个 Phillips 平头螺钉</td><td>美菊波尔</td><td>B0GC6GN9S7</td><td>将 mp-Multiboard 固定至内侧安装位置（最少需要 4 个）</td></tr><tr><td>M3&amp;times;8个不锈钢螺丝</td><td>VIGRUE</td><td>B07PJQC7T6</td><td>将横杆固定到底部安装座，将外壳固定到内部安装座，将泵支架固定到内部安装座（最少需要8个）</td></tr><tr><td>M4 不锈钢螺母</td><td>VIGRUE</td><td>B07PJQC7T6</td><td>将顶部安装件固定到外壳上（最少需要 4 个）</td></tr><tr><td>M4不锈钢垫圈</td><td>VIGRUE</td><td>B07PJQC7T6</td><td>将顶部安装件固定到外壳上（最少需要 4 个）</td></tr><tr><td>M4-0.7 钢制螺纹杆</td><td>Arwnnklo</td><td>AR01</td><td>剪成约6英寸长（至少需要4段）</td></tr><tr><td>公对母迷你USB数据线</td><td>Plinkwirekb</td><td>PCM-0725-L</td><td>用于连接计算机与微控制器（最少需要1个）</td></tr><tr><td>公对母微型USB直角连接器</td><td>UCEC</td><td>4326453558</td><td>用于连接计算机与微控制器（可选）（最少需要 1 个）</td></tr><tr><td>微通道支架</td><td>自定义</td><td></td><td>3D打印支架，用于保持微通道居中（最少需要1个）</td></tr><tr><td>微通道载玻片， &amp;micro;-载玻片 VI 0.4</td><td>ibidi</td><td>80606</td><td>用于流动条件下的细胞实验（最低需求 1）</td></tr><tr><td>微泵</td><td>Bartels</td><td>MP6-HYB</td><td>用于产生流动（最低需求 1）</td></tr><tr><td>微型泵固定架</td><td>定制</td><td></td><td>用于固定微泵的安装夹具（最少需要1个）</td></tr><tr><td>mp-Multiboard 配 mp-Highdriver4</td><td>Bartels</td><td>BM-E-0005</td><td>用于控制微泵的频率和电压设置（最少需要1个）</td></tr><tr><td>mp-pump 电缆</td><td>Bartels</td><td>BM-A-0055</td><td>用于将 mp-Multiboard 与微泵进行电气连接（最少需要 1 个）</td></tr><tr><td>尼龙圆形垫片，7 mm 外径，3.2 mm 内径</td><td>Harfington</td><td>2037015</td><td>用于将管路固定至微泵（最少需要 2 个）</td></tr><tr><td>O形环</td><td>ZDBB</td><td>7.17327E+11</td><td>将公对母 mini USB 数据线固定到外壳上（可选）&amp;nbsp; （最少需要 3 个）</td></tr><tr><td>塑料容器</td><td>Herdusa</td><td>HDS10 塑料盒</td><td>用作细胞培养基的开放式储液槽（最少需要 1 个）</td></tr><tr><td>聚氨酯管，1/8&quot; I.D.，1/4&quot; O.D.</td><td>PARKER</td><td>95U-4-062-BLU-0100</td><td>将顶部安装件固定到外壳上（最小需要 1.6 cm）</td></tr><tr><td>随机定位仪</td><td>AIRBUS</td><td></td><td>随机定位机 2.0（最少需 1 台）</td></tr><tr><td>SCC1-USB 电缆</td><td>Sensirion</td><td>SCC1-USB 2M</td><td>连接液体流量传感器至计算机（最少需要1个）</td></tr><tr><td>自立式离心管</td><td>PEKYBIO</td><td>B0C13GZVD6</td><td>用于盛放细胞培养用水/70%乙醇（至少需要2个）</td></tr><tr><td>间隔管，8 mm 外径，20 mm 长，铝制</td><td>McMaster-Carr</td><td>94669A062</td><td>最低需求 4</td></tr><tr><td>Tygon PVC 1/16&quot; ID x 1/8&quot; 光密度</td><td>Saint-Gobain</td><td>B-44-3</td><td>连接所有流路组件（最少需要 40 cm）</td></tr><tr><td>上层甲板安装座</td><td>自定义</td><td></td><td>连接液体流量传感器和气泡捕获装置的安装板（最少需要1个）</td></tr><tr><td>M4 × 0.7 mm 镀锌钢翼形螺母</td><td>Siptenk</td><td>S-TH-DLM-002</td><td>将顶部安装件固定到外壳（至少需要4个）</td></tr><tr><td>扎带</td><td>HAVE ME TD</td><td>7.32073E+11</td><td>安装系统至RPM时固定线缆（最少需要4个）</td></tr></tbody></table>

一种在模拟微重力与生理流体条件下持续培养内皮细胞的平台

A Platform for the Continuous Culture of Endothelial Cells Under Physiological Flow Conditions in Simulated Microgravity

微生理系统（MPS）具有重要价值 体外 重建人体组织结构与功能的模型。具体而言，结合微流控技术的组织芯片或器官芯片能够模拟体内机械和生化环境，同时实现对细胞生长与发育的实时监测。这些系统在航天研究中具有重要应用价值，可被送入太空（例如国际空间站，ISS），用于探究太空飞行对人体的影响。微生理系统（MPS）成功应用的主要障碍之一是在微重力条件下气泡的形成，该现象在微重力环境中尤为显著。本文介绍了用于模拟微重力环境（例如在随机定位机或回转器上运行）的微生理细胞培养系统的设计、组装与操作方法。在流体回路中集成一种不受方向限制的气泡捕获装置，已被证明可高效去除微重力条件下的空气泡，支持内皮细胞的长期培养。这种闭环、不受方向限制的微流控系统可用于组织芯片或器官芯片在无气泡条件下运行，以模拟微重力与流体剪切力的联合作用，或适用于太空任务中的部署。

在进行下述流体或细胞培养的数据采集之前，应在组装和引液过程中的每个主要步骤检查系统完整性。通过将微控制器和液体流量传感器连接至计算机，并通过各自的应用软件与各组件通信，即可轻松检查电子连接。当管路推过带倒刺的接头并超过倒刺部分时，即可认为管路连接充分；任何存在裂纹的流体组件都应立即更换。系统引液应形成一个不仅无菌且肉眼可见无气泡的流动回路；若有可见气泡，可通过轻敲气泡所在位置将其去除。
实验装置完成后，应在24小时测试期前先运行并监测流体系统1小时，以确保系统无泄漏，且气泡捕获装置中无气泡逸出。此外，若流体系统在模拟微重力条件下运行，则模拟微重力装置在流体系统安装后必须能够自由旋转，可通过手动轻轻旋转装置以及在24小时测试期前观察装置运行其模拟微重力程序1小时来验证。
闭环灌注系统的性能
持续24小时的流量传感器输出结果如图4所示。该图比较了在有无与方向无关的气泡捕集器的情况下，...

本文介绍了一种用于在模拟微重力条件下、生理流体环境中进行内皮细胞培养的无气泡闭合回路微流控装置的设计、组装与操作方案。

微生理系统（MPS）是一种有价值的体外模型，可重建人类组织的结构与功能。具体而言，组织或……

我们开发了用于内皮细胞连续培养的微流控系统，以研究模拟微重力和生理流体流动如何影响细胞功能。现有系统在气泡控制和微重力下静脉流动研究方面存在困难。该平台能够在上述两种条件下实现无气泡的连续培养。首先将泵驱动器和泵电缆连接到微控制器，并将微型泵连接至泵电缆。将纳米控制板和液体流量传感器连接到安装有相应应用程序的计算机。在开始无菌准备之前，使用微型USB电缆将移动计算机工作站连接到微控制器，同时确保USB线和泵的导线位于防护袋外部以便操作。根据制造商的指导说明或已知的校准设置，设定每个微型泵的频率和振幅，以满足所需的泵送条件。准备四段长度为10厘米的PVC管用于连接。在干组装过程中，使气泡捕集器保持空置状态。在引液过程中，用工作流体将其填充至约80%。在灭菌和引液期间，需将气泡捕集器严密密封，以确保系统为封闭循环。将一个3毫米黑色尼龙圆形垫圈套在连接处，以固定管路。将一段已准备好的PVC管连接至微泵出口，注意遵循指示流体方向的箭头，并将该管的另一端连接至气泡捕集器的任一侧端口。使用第二段PVC管将气泡捕集器的另一侧端口连接至液体流量传感器的入口接头。再用第三段管从传感器出口引出，其箭头方向应与微泵上指示的方向一致。然后将第四段也是最后一段PVC管连接至微泵的入口，并用一个3毫米黑色尼龙圆形垫圈固定，如图所示。将该管的自由端连接至第二个弯头Luer接头，以完成整个流路管路的组装。为系统灭菌准备超净工作台。取一个50毫升自立式离心管装入70%乙醇，另一个装入无菌细胞培养用水。将微控制器放入一个小塑料袋中，同时将泵电缆微型泵及连接的微型USB线缆留在袋外。在将所有流路组件和实验材料转移至生物安全柜之前，用70%乙醇擦拭其外表面。将一个12毫升注射器连接至同一回路中的另一个弯头接头，使用雌-雌鲁尔接头连接。将连接至微型泵的弯头鲁尔接头浸入装有70%乙醇的50毫升离心管中。捏紧微型泵与弯头接头之间的PVC管路，并确认气泡捕集器顶部端口已用鲁尔塞密封。拉动注射器活塞约5毫升，使整个系统产生负压。为灭菌微型泵、气泡捕集器和流速传感器，启动微型泵。松开捏住的管路，使5毫升70%乙醇流经管路进入注射器。打开气泡捕集器顶部端口，将腔体注入约80%体积的乙醇。然后关闭泵，重新密封端口，并轻轻摇动捕集器以灭菌其内部。将进样弯头接头从乙醇中取出，运行微型泵，直至乙醇进入注射器。断开连接，并将气泡捕集器内容物排入适当的废液容器中。重新组装回路，并使用无菌细胞培养用水重复冲洗程序，使15毫升液体流经每个流路回路。灭菌后，将系统置于超净工作台中进行真空引液，将12毫升注射器重新连接至出口弯管接头，并将进口弯管接头浸入装有30毫升细胞培养基的容器中。在微型泵与弯管接头之间的PVC管路上夹上夹子。确认气泡捕集器已密封，然后将注射器活塞向外拉动约5毫升，以建立真空。松开夹子后启动微型泵，使5毫升细胞

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Research

科研

JoVE Journal

Bioengineering

生物工程

一种在具有微血管尺寸通道的微流控装置整个内部三维表面培养内皮细胞单层的方法&lt;30 μm）被描述。 这一 体外...

用于研究血液系统疾病中微血管相互作用的内皮化微流控技术

一种微通道芯片平台通过结合光刻可重铸光刻胶技术、软光刻技术和微流控技术而开发。该内皮化微通道平台可模拟三维（3D）几何结构 体内...

多深度圆形截面血管内皮化微通道芯片的制备方法

将原代人脐静脉内皮细胞（HUVECs）在微流控网络装置中培养至融合状态。展示了内皮细胞连接和F-肌动蛋白的分布，并在单细胞水平实时定量了对三磷酸腺苷（ATP）刺激响应的细胞内钙离子浓度变化和一氧化氮生成情况。...

发育与表征 体外 微血管网络及内皮细胞[Ca2+]i 和一氧化氮的产生

本文介绍了一种采用注塑成型的方法来构建具有内皮生理特性的微血管。该基于微流控的技术可生成通畅的三维血管网络，并可调节流动、细胞组成、几何结构和生化梯度等参数。文中描述了该制备工艺及若干潜在应用示例。...

三维微血管的微图形化与组装

该方案描述了如何在球状体中构建可灌注的血管网络。通过设计球状体周围的微环境，可诱导血管生成，并将球状体与微流控装置中的微通道连接。该方法实现了对球状体的灌注，这是三维培养领域长期期待的技术。...

微流控装置中具有组织模型的可灌注血管网络

本研究描述了在定义的流动条件下，通过剪切应力作用于分化的人原代内皮细胞表面产生的血管性血友病因子串，对肺炎球菌黏附进行显微监测的方法。通过应用差异免疫染色程序，该方案可进一步扩展至对特定细胞结构的详细可视化及细菌的定量分析。...

肺炎链球菌在持续流动条件下感染原代人内皮细胞

本方案介绍了一种在微重力条件下培养成釉细胞样细胞并实现其三维生长的方法，以维持细胞的细长极化形态及牙釉质特异性蛋白的表达。同时描述了牙周组织工程构建物和肺器官在微重力条件下的培养条件。...

微重力条件下牙源性和呼吸系统细胞与器官的增殖

本方案描述了一种可重构的基于膜的细胞培养平台，该平台将开放式孔板格式与流体流动功能相结合。该平台与标准操作流程兼容，能够在开放式孔板和微流控培养模式之间进行可逆转换，满足工程学与生物科学实验室的不同需求。...

将静态屏障组织模型转化为动态微生理系统

我们合成并表征了一种可调节的明胶基底质，用于在接近生理血管流动条件下培养血管内皮细胞（ECs）。该仿生表面能够模拟生理和病理环境，从而研究机械力对内皮细胞行为的影响，并推动对血管健康与疾病机制的理解。...

整合基质刚度与流体流动的体外模型用于研究内皮细胞反应

在此，我们介绍一种用于构建和运行微流控系统的方案，该系统可使内皮细胞同时暴露于振荡性高血糖和脉动性剪切应力。该方法具有生理相关性...

一种用于模拟生理脉动剪切应力与振荡性高血糖共同作用下内皮功能障碍的微流控系统

了解一种用于模拟微重力环境的微生理细胞培养平台，该系统采用闭环微流控回路和方向无关的气泡陷阱，可实现长期无气泡的内皮细胞培养，适用于地面模拟和太空飞行研究。

一种在模拟微重力与生理流体条件下持续培养内皮细胞的平台

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