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研究生:林堃傑
研究生(外文):Kum-Chieh Lin
論文名稱:細胞體外培植之流體剪應力刺激儀自動監控系統之研究
論文名稱(外文):The Study of An Automatic Monitoring System of Fluid Shear Stress Stimulator for Cell Culture In Vitro
指導教授:連振昌連振昌引用關係艾群
指導教授(外文):Cheng-Chang LienChyung Ay
學位類別:碩士
校院名稱:國立嘉義大學
系所名稱:生物機電工程學系研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
中文關鍵詞:流體剪應力細胞生長刺激儀細胞貼附力
外文關鍵詞:fluid shear stresscell growth stimulatorcell adhesion force
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流體剪應力對人體組織細胞的生長影響很大,諸如心肌細胞、膀胱細胞、軟骨細胞、內皮細胞等,而一些病症的發生與血管流動剪應力有很大的相關性;本研究設計一套可精確操控不同的流量以達到精確的流體剪應力控制,與可在體外培養細胞於恆溫流體腔體中之自動監控系統。
恆溫流體剪應力刺激細胞生長系統由流體腔、蠕動式幫浦、緩衝瓶、集液瓶、恆溫水槽與流量計構成一流體迴路,主要動力來源為蠕動式幫浦,將培養液推動送至緩衝瓶流經一恆溫控制之流體腔內對活體細胞進行剪應力刺激後,經流量計回到恆溫之集液瓶內。此流體剪應力系統搭配溫度感測器與流量計擷取訊號,經通訊傳輸與電腦連接,再藉由LabVIEW軟體控制流體之溫度與流量來達到指定的流體剪應力刺激細胞,此系統可操控流體剪應力的大小與作用的時間,同時監控細胞培養之溫度與流體剪應力。
此系統設計之細胞培植恆溫流體腔經由實驗結果,系統溫度可精確的控制在約37℃ ± 0.4℃,且系統可提供流體剪應力範圍為0 ~30.72 dyne/cm2,適合生物細胞培植的流體剪應力範圍。
本研究試將人類軟骨細胞sw-1353培養於恆溫流體腔內細胞培養之基材上,其基材為聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)之可降解的高分子生物材料,再施以大小剪應力刺激細胞培養後,探討其細胞貼附基材與細胞生長狀況之研究;靜置培養12 hr後未受剪應力刺激時貼附力為2.39 nNt,培養12 hr以2 dyne/cm2與20 dyne/cm2兩種剪應力各別刺激,在小剪應力2 dyne/cm2刺激隨時間作用有下降的趨勢,剪應力刺激20 min貼附力為2.07 nNt,剪應力刺激2 hr後下降為1.28 nNt;受大剪應力 20 dyne/cm2作用時,20 min貼附力為1.55 nNt,受2hr刺激後剪應力刺激貼附力反而增加至2.13 nNt,可見流體剪應力對細胞生長具有關連性。

誌謝 i
摘要 ii
Abstract iv
目錄 v
圖目錄 x
表目錄 xvi
符號說明 xvii
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2研究動機 3
1.3研究目的 5
第二章 文獻探討 6
2.1剪應力應用於細胞生長 6
2.1.1內皮細胞之應用 6
2.1.2骨髓間質細胞(Bone marrow-derived mesenchymal stem cells)之應用 10
2.1.3骨細胞方面應用 11
2.1.4其他細胞應用如:軟骨細胞sw-1353、平滑肌細胞、滋養層細胞 12
2.2流體剪應力系統設計與應用 14
第三章 理論基礎 22
3.1細胞貼附機制與細胞外基質 22
3.2血管內部細胞所承受之剪應力 25
3.3介電泳(Dielectrophoresis, DEP)理論 26
3.4感測器與電腦連接之串列通訊 31
3.4.1通訊形式 31
3.4.2串列通訊分類 33
3.4.3 RS-232 DB-9型通訊接線方法 35
3.4.4 RS-232 DB-9型通訊埠之初始化參數的介紹 36
第四章 恆溫流體腔系統設計 38
4.1設計理念與設計重點 38
4.1.1系統設計理念 38
4.1.2系統設計重點 39
4.2硬體設計 41
4.2.1恆溫流體腔系統 41
4.2.2流體腔設計 42
4.2.3流體剪應力計算 45
4.2.4可供顯微鏡觀察之細胞培養基材 47
4.2.5流體剪應力之細胞生長刺激儀系統 48
4.2.6蠕動式幫浦作用原理 51
4.2.7超音波流量計(Ultrasonic Flowmeters)原理 52
4.3軟硬體之信號通訊 54
4.3.1溫度控制器通訊 54
4.3.2流量計通訊 55
4.3.3蠕動式幫浦通訊 57
4.4人機介面監控軟體 57
4.4.1 LabVIEW 通訊 57
4.4.2串列傳輸 RS-232 與LabVIEW程式連結 59
4.4.3溫度控制器與擷取 61
4.4.4流量計通訊 63
4.4.5蠕動式幫浦控制 64
4.4.6程式軟體設計流程圖 66
4.4.7程式介面與說明 67
4.4.8倒數計時功能設計 69
4.4.9存檔功能設計 70
4.5細胞實驗前置準備 71
4.5.1細胞繼代培養─軟骨細胞sw-1353 71
4.5.2生物性材料製作─PDMS灌膜 74
4.5.3細胞樣本前處理 76
4.5.4應用於介電泳力之鋁電極製作 77
4.6細胞實驗 80
4.6.1實驗規劃 80
4.6.2培養液配置方式 82
4.6.3貼附力量測系統 82
4.6.4 COMSOL數值模擬 87
第五章 結果與討論 88
5.1恆溫流體腔系統 88
5.2流體流動型態 90
5.2.1計算雷諾數與相關參數 91
5.2.2計算流體黏度 91
5.2.3流場分布之完全形成區進口長度計算 92
5.3流體腔內流體剪應力計算 94
5.4流體腔系統恆溫測試 95
5.5流體腔系統流量校正 96
5.6細胞實驗結果 101
第六章 結論 106
第七章 建議 108
參考文獻 109
附錄 console求解電場梯度方程式步驟 115

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