培養液可更換型長時程細胞微重力迴轉系統的製作方法
2023-05-28 10:07:16 2
培養液可更換型長時程細胞微重力迴轉系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及培養液可更換型長時程細胞微重力迴轉系統，其特徵是：至少包括：細胞培養液單元、細胞培養液置換單元和控制單元；控制單元首先記錄細胞置換液排出口或細胞置換液排入口的初始位置，控制單元控制細胞培養液單元中的第一電機以某一頻率f轉動在模擬微重力工作狀態下，通過輸出步長記錄細胞置換液排出口或細胞置換液排入口的工作實時位置。本發明能在迴轉器持續迴轉、保持微重力狀態下，自動更換細胞培養液，保證長時程細胞迴轉時細胞擁有足夠養分、免受代謝產物幹擾的培養液可更換型長時程的細胞微重力迴轉系統。
【專利說明】培養液可更換型長時程細胞微重力迴轉系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種生物醫學實驗設備，特別是具有細胞培養液循環更換能力的培養液可更換型長時程細胞微重力迴轉系統。
【背景技術】
[0002]生活在地球上的人類無時無刻不在受到重力的作用。在長期的進化過程中，人類已經適應了地球表面的IG重力環境。然而在航天失重環境下，流體靜壓消失，體液頭向分布，引發機體各生理系統出現一系列的適應性變化，對心血管系統、肌肉骨骼系統、前庭神經系統、血液系統、免疫系統等產生不良影響，嚴重影響航天飛行人員空間工作能力和飛行任務的完成，同時返回地面後出現立位耐力下降、運動能力下降等再適應不良的症狀。隨著世界各國深空探測項目展開，星際間長時程旅行逐漸成為現實，開展微重力環境對生物體狀態的影響等相關研究，具有重要意義。
[0003]細胞迴轉器(Clinostat)是近年開發的一種可進行細胞培養的模擬微重力裝置。通常情況下，細胞迴轉器由數個迴轉艙及相關控制系統組成。迴轉艙可經控制系統控制按照一定速度圍繞水平軸勻速旋轉，艙中可固定數枚特製載玻片，並可盛入細胞培養液。進行細胞模擬失重研究時，首先在細胞培養瓶中培養細胞，使得細胞爬滿載玻片，然後將載玻片固定在含有新鮮配置的細胞培養液的迴轉艙中，按照固定速度旋轉迴轉艙。在旋轉過程中，保持迴轉艙被細胞培養液完全充滿，不能含有任何氣泡，防止旋轉過程中氣泡對載玻片表面細胞的衝擊。持續旋轉過程中，重力向量不斷變化，細胞不能持續感受同一個方向的重力向量。一般認為該狀態與微重力狀態產生相同的生物學效應。這也是採用迴轉器作為模擬失重裝置的理論依據。在 空間站或者宇宙飛船上，重力強度約為10_4g，細胞迴轉器在30轉/分旋轉時，可以產生10_3g。這足以進行重力細胞生物學的相關研究，探討生物體在微重力環境下的生理病理改變及其相關機制，為長時程空間飛行提供防護策略。
[0004]持續旋轉過程中，迴轉艙是一個密閉的充滿細胞培養液的完整體。按照研究需要，經常需要持續24h至48h迴轉，為了研究長時程微重力狀態對生理機能的影響，甚至需要72h或者更長時間的持續迴轉。培養細胞在培養液中吸取蛋白質、胺基酸、葡萄糖、生長因子等營養養分，同時釋放代謝產物到培養液中，使得培養液的成分和PH值等發生變化。正常情況下1-2天就要更換細胞培養液，以保持培養細胞擁有足夠的養分，保證細胞狀態免受代謝產物幹擾。在開展相關研究時，遇到的一個棘手問題是:細胞迴轉狀態下為了保持微重力狀態，同時防止氣體進入培養液，無法進行培養液的更換。在觀察長時程微重力狀態(72h或者更長)對生物體機能的影響時，培養細胞既不能及時得到必須的養分，又將受到自身代謝產物的影響，這必將幹擾實驗結果的解讀。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種在迴轉器持續迴轉、保持微重力狀態下，能夠自動更換細胞培養液，保證長時程細胞迴轉時細胞擁有足夠養分、免受代謝產物幹擾的培養液可更換型長時程細胞微重力迴轉系統。
[0006]本發明的目的通過以下方式實現:培養液可更換型長時程細胞微重力迴轉系統，其特徵是:至少包括:細胞培養液單元、細胞培養液置換單元和控制單元；控制單元首先記錄細胞置換液排出口或細胞置換液排入口的初始位置，控制單元控制細胞培養液單元中的第一電機以某一頻率f轉動在模擬微重力工作狀態下，通過輸出步長記錄細胞置換液排出口或細胞置換液排入口的工作實時位置；
更換細胞培養液時，控制單元記錄細胞培養液置換單元中細胞置換液出管和細胞置換液入管的初始位置；控制單元控制細胞培養液置換單元中第二電機以加速度轉動，通過調速使細胞置換液排出口、細胞置換液出管，細胞置換液排入口和細胞置換液入管進行精確對位，對位精度取決於步長設計，使細胞置換液排出口和細胞置換液出管同心，細胞置換液排入口和細胞置換液入管同心，同時在模擬微重力工作狀態下工作；
控制單元通過無線控制液壓系統工作，通過第一油壓泵吸入第一貯油腔的油向液壓缸下腔注油，通過缸體上移使細胞置換液出管插入細胞置換液排出口，使細胞置換液入管插入細胞置換液排入口 ；由細胞置換液油壓泵將細胞置換液從細胞置換液腔置入細胞培養液單元，並將時間長的細胞培養液置出至置出細胞置換液腔，直至更換完時間長的細胞培養液，然後，細胞培養液置換單元脫離細胞培養液單元。
[0007]所述的細胞培養液單元包括:第一電機、細胞培養液殼體、細胞放置架、細胞培養液、細胞置換液排出口、細胞置換液排入口、第一電機軸；細胞培養液殼體一端固定第一電機，第一電機的第一電機軸伸向細胞培養液殼體內，第一電機軸套接有細胞放置架，細胞放置架放置有細胞標本，細胞標本侵入在細胞培養液內，細胞培養液殼體下端有細胞置換液排出口和細胞置換液排入口，細胞置換液排入口用於輸入細胞置換液,細胞置換液排出口用於排出時間長的細胞培養液，第一電機採用步進電機，轉動時由控制單元通過步長記錄、存貯細胞置換液排出口或細胞置換液排入口的位置，以供細胞培養液置換單元同步工作時使用。
[0008]所述的細胞放置架同時有多個放置細胞標本的細胞架，細胞架在細胞培養液中，第一電機軸工作時，細胞架和細胞放置架一同轉動。
[0009]所述的細胞培養液置換單元包括:細胞置換液殼體、液壓缸下腔、油壓泵、第一貯油腔、第二電機軸、第二電機、第二貯油腔、外滑道、液壓缸上腔、置出細胞置換液腔、細胞置換液腔、內滑道、細胞置換液出管、細胞置換液排出口、細胞置換液入管、細胞置換液排入口、第一電機軸；細胞置換液殼體被限位在外滑道和內滑道內，細胞置換液殼體有對稱的置出細胞置換液腔和細胞置換液腔，細胞置換液腔上端固定細胞置換液油壓泵，細胞置換液油壓泵出口連接細胞置換液入管；置出細胞置換液腔上端有細胞置換液出管；細胞置換液出管和細胞置換液入管繞第二電機軸對稱分布。
[0010]置出細胞置換液腔和細胞置換液腔下端有一個液壓系統，液壓系統中的液壓缸下腔和液壓缸上腔分別通過第一油壓泵、第二油壓泵與第一貯油腔和第二貯油腔相通，通過液壓缸下腔和液壓缸上腔注油和卸油，使置出細胞置換液腔和細胞置換液腔沿外滑道和內滑道上下移動，保持置出細胞置換液腔和細胞置換液腔平穩更換細胞培養液。
[0011]所述的液壓缸下腔和液壓缸上腔，第一貯油腔和第二貯油腔，液壓缸下腔和液壓缸上腔靠近第二電機軸。[0012]所述的細胞置換液腔的細胞置換液是細胞培養液的2倍以上，以使培養液更換完全。
[0013]本發明的優點是:由於具有循環更換能力的細胞培養液系統包括:細胞培養液單元、細胞培養液置換單元和控制單元；細胞培養液單元通過控制單元控制驅動第一電機繞軸轉動；細胞培養液置換單元通過控制單元控制第二電機繞軸與第一電機同軸同頻同位相轉動；當第二電機繞軸與第一電機同軸同頻同位相轉動時，使細胞置換液出管和細胞置換液入管同時對準細胞置換液排入口和細胞置換液排出口，在液壓單元驅動下，使細胞置換液出管和細胞置換液入管同時插入細胞置換液排入口和細胞置換液排出口，由細胞置換液油壓泵將細胞置換液從細胞置換液腔置入細胞培養液單元，並將時間長的細胞培養液置出至置出細胞置換液腔，直至更換完時間長的細胞培養液，然後，細胞培養液置換單元脫離細胞培養液單元。它能在迴轉器持續迴轉、保持微重力狀態下，能夠自動更換細胞培養液，保證長時程細胞迴轉時細胞擁有足夠養分、免受代謝產物幹擾的細胞模擬微重力迴轉系統。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]下面結合實施例對本發明進行具體說明:
圖1是本發明實施例原理圖；
圖2是圖1的液壓缸結構圖。
[0015]圖中，1、殼體；2、第一電機；3、細胞培養液殼體；4、細胞放置架；5、細胞培養液；6、細胞置換液油壓泵；7、細 胞置換液殼體；8、液壓缸下腔；9、第一油壓泵；10、第一貯油腔；
11、第二電機軸；12、第二電機；13、第二貯油腔；14、第二油壓泵；15、外滑道；16、液壓缸上腔；17、置出細胞置換液腔；18、細胞置換液腔；19、內滑道；20、細胞置換液出管；21、細胞置換液排出口 ；22、細胞置換液入管；23 ;細胞置換液排入口 ；24、第一電機軸；25、控制單元。
【具體實施方式】
[0016]如圖1所示，具有循環更換能力的細胞培養液系統，其特徵是:至少包括:細胞培養液單元、細胞培養液置換單元和控制單元25 ;控制單元25首先記錄細胞置換液排出口 21或細胞置換液排入口 23的初始位置，控制單元25控制細胞培養液單元中的第一電機以某一頻率f轉動在模擬微重力工作狀態下，通過輸出步長記錄細胞置換液排出口 21或細胞置換液排入口 23的工作實時位置；
更換細胞培養液時，控制單元25記錄細胞培養液置換單元中細胞置換液出管20和細胞置換液入管22的初始位置；控制單元25控制細胞培養液置換單元中第二電機12以加速度轉動，通過調速使細胞置換液排出口 21、細胞置換液出管20，細胞置換液排入口 23和細胞置換液入管22進行精確對位，對位精度取決於步長設計，使細胞置換液排出口 21和細胞置換液出管20同心，細胞置換液排入口 23和細胞置換液入管22同心，同時在模擬微重力工作狀態下工作；
控制單元25通過無線控制液壓系統工作，通過第一油壓泵9吸入第一貯油腔10的油向液壓缸下腔8注油,通過缸體上移使細胞置換液出管20插入細胞置換液排出口 21,使細胞置換液入管22插入細胞置換液排入口 23 ;由細胞置換液油壓泵6將細胞置換液從細胞置換液腔18置入細胞培養液單元，並將時間長的細胞培養液5置出至置出細胞置換液腔17，直至更換完時間長的細胞培養液，然後，細胞培養液置換單元脫離細胞培養液單元。控制單元為公知技術，這裡就不做詳細描述。
[0017]細胞培養液單元包括:第一電機2、細胞培養液殼體3、細胞放置架4、細胞培養液
5、細胞置換液排出口 21、細胞置換液排入口 23、第一電機軸24 ;細胞培養液殼體3 —端固定第一電機2,第一電機2的第一電機軸24伸向細胞培養液殼體3內，第一電機軸24套接有細胞放置架4，細胞放置架4放置有細胞標本，細胞標本侵入在細胞培養液5內，細胞培養液殼體3下端有細胞置換液排出口 21和細胞置換液排入口 23，細胞置換液排入口 23用於輸入細胞置換液，細胞置換液排出口 21用於排出時間長的細胞培養液5，第一電機2採用步進電機，轉動時由控制單元25通過步長記錄、存貯細胞置換液排出口 21或細胞置換液排入口 23的位置，以供細胞培養液置換單元同步工作時使用。
[0018]細胞放置架4同時有多個放置細胞標本的細胞架，細胞架在細胞培養液5中，細胞培養液單元工作時，細胞架和細胞放置架4 一同轉動。
[0019]細胞置換液油壓泵6工作時，產生有壓力，壓力使細胞培養液不會產生泡沫。
[0020]細胞培養液置換單元包括:細胞置換液殼體7、液壓缸下腔8、油壓泵9、第一貯油腔10、第二電機軸11、第二電機12、第二貯油腔13、外滑道15、液壓缸上腔16、置出細胞置換液腔17、細胞置換液腔18、內滑道19、細胞置換液出管20、細胞置換液排出口 21、細胞置換液入管22、細胞置換液排入口 23、第一電機軸24 ;細胞置換液殼體7被限位在外滑道15和內滑道19內，細胞置 換液殼體7有對稱的置出細胞置換液腔17和細胞置換液腔18，細胞置換液腔18上端固定細胞置換液油壓泵6,細胞置換液油壓泵6出口連接細胞置換液入管22 ;置出細胞置換液腔17上端有細胞置換液出管20 ;細胞置換液出管20和細胞置換液入管22繞第二電機軸11對稱分布。
[0021]如圖2所示,置出細胞置換液腔17和細胞置換液腔18下端有一個液壓系統,液壓系統中的液壓缸下腔8和液壓缸上腔16分別通過第一油壓泵9、第二油壓泵14與第一貯油腔10和第二貯油腔13相通，通過液壓缸下腔8和液壓缸上腔16注油和卸油，使置出細胞置換液腔17和細胞置換液腔18沿外滑道15和內滑道19上下移動，保持置出細胞置換液腔17和細胞置換液腔18平穩更換細胞培養液。
[0022]為了使其細胞置換液殼體7轉動平穩，液壓缸下腔8和液壓缸上腔16，第一貯油腔10和第二貯油腔13，靠近第二電機軸11。
[0023]細胞培養液置換單元由殼體I內的電池供電，細胞培養液置換單元與控制單元25通過無線電電連接進行通信，使細胞培養液置換單元工作時獨立，物理狀態不受其它結構影響。
[0024]細胞置換液腔18的細胞置換液是細胞培養液5的2倍以上，以使培養液更換完全。
[0025]更換時間可通過位移檢測或工作時間控制。
[0026]液壓缸分布在第二電機軸周圍，使細胞培養液置換時平穩。
[0027]本實施例沒有詳細敘述的部件和結構屬本行業的公知部件和常用結構或常用手段，這裡不一一敘述。
【權利要求】
1.培養液可更換型長時程細胞微重力迴轉系統，其特徵是:至少包括:細胞培養液單元、細胞培養液置換單元和控制單元；控制單元首先記錄細胞置換液排出口或細胞置換液排入口的初始位置，控制單元控制細胞培養液單元中的第一電機以某一頻率f轉動在模擬微重力工作狀態下，通過輸出步長記錄細胞置換液排出口或細胞置換液排入口的工作實時位置； 更換細胞培養液時，控制單元記錄細胞培養液置換單元中細胞置換液出管和細胞置換液入管的初始位置；控制單元控制細胞培養液置換單元中第二電機以加速度轉動，通過調速使細胞置換液排出口、細胞置換液出管，細胞置換液排入口和細胞置換液入管進行精確對位，對位精度取決於步長設計，使細胞置換液排出口和細胞置換液出管同心，細胞置換液排入口和細胞置換液入管同心，同時在模擬微重力工作狀態下工作； 控制單元通過無線控制液壓系統工作，通過第一油壓泵吸入第一貯油腔的油向液壓缸下腔注油，通過缸體上移使細胞置換液出管插入細胞置換液排出口，使細胞置換液入管插入細胞置換液排入口 ；由細胞置換液油壓泵將細胞置換液從細胞置換液腔置入細胞培養液單元，並將時間長的細胞培養液置出至置出細胞置換液腔，直至更換完時間長的細胞培養液，然後，細胞培養液置換單元脫離細胞培養液單元。
2.根據權利要求1所述的培養液可更換型長時程細胞微重力迴轉系統，其特徵是:所述的細胞培養液單元包括:第一電機、細胞培養液殼體、細胞放置架、細胞培養液、細胞置換液排出口、細胞置換液排入口、第一電機軸；細胞培養液殼體一端固定第一電機，第一電機的第一電機軸伸向細胞培養液殼體內，第一電機軸套接有細胞放置架，細胞放置架放置有細胞標本，細胞標本侵入在細胞培養液內，細胞培養液殼體下端有細胞置換液排出口和細胞置換液排入口，細胞置換液排入口用於輸入細胞置換液，細胞置換液排出口用於排出時間長的細胞培養液，第一電機採用步進電機，轉動時由控制單元通過步長記錄、存貯細胞置換液排出口或細胞置 換液排入口的位置，以供細胞培養液置換單元同步工作時使用。
3.根據權利要求2所述的培養液可更換型長時程細胞微重力迴轉系統，其特徵是:所述的細胞放置架同時有多個放置細胞標本的細胞架，細胞架在細胞培養液中，第一電機軸工作時，細胞架和細胞放置架一同轉動。
4.根據權利要求1所述的培養液可更換型長時程細胞微重力迴轉系統，其特徵是:所述的細胞培養液置換單元包括:細胞置換液殼體、液壓缸下腔、油壓泵、第一貯油腔、第二電機軸、第二電機、第二貯油腔、外滑道、液壓缸上腔、置出細胞置換液腔、細胞置換液腔、內滑道、細胞置換液出管、細胞置換液排出口、細胞置換液入管、細胞置換液排入口、第一電機軸；細胞置換液殼體被限位在外滑道和內滑道內，細胞置換液殼體有對稱的置出細胞置換液腔和細胞置換液腔，細胞置換液腔上端固定細胞置換液油壓泵，細胞置換液油壓泵出口連接細胞置換液入管；置出細胞置換液腔上端有細胞置換液出管；細胞置換液出管和細胞置換液入管繞第二電機軸對稱分布。
5.根據權利要求1所述的培養液可更換型長時程細胞微重力迴轉系統，其特徵是:置出細胞置換液腔和細胞置換液腔下端有一個液壓系統，液壓系統中的液壓缸下腔和液壓缸上腔分別通過第一油壓泵、第二油壓泵與第一貯油腔和第二貯油腔相通，通過液壓缸下腔和液壓缸上腔注油和卸油，使置出細胞置換液腔和細胞置換液腔沿外滑道和內滑道上下移動，保持置出細胞置換液腔和細胞置換液腔平穩更換細胞培養液。
6.根據權利要求1所述的培養液可更換型長時程細胞微重力迴轉系統，其特徵是:所述的液壓缸下腔和液壓缸上腔，第一貯油腔和第二貯油腔，靠近第二電機軸。
7.根據權利要求1所述的培養液可更換型長時程細胞微重力迴轉系統，其特徵是:所述的細胞置換液腔的細胞置換液是細胞培養液的2倍以上，以使培養液更換完全。
【文檔編號】C12M3/00GK104031836SQ201410215545
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年5月21日 優先權日:2014年5月21日
【發明者】朱超, 羅卓荊, 王哲, 梁偉, 上官磊, 閆曉東, 閆金洪 申請人:中國人民解放軍第四軍醫大學