CN102911865B - 细胞磁标仪 - Google Patents

Abstract

本发明以进一步提高磁性纳米颗粒对细胞磁标记和磁转染的效率为目的，设计构建了一种新型的细胞磁标仪，其是一种对称旋转磁场系统，即将条形永磁体(钕铁硼)上下对称放置，使得磁场系统变为双层构造，中间为细胞培养板插槽，上下两层磁场相互作用，可以通过磁力吸引由下磁场带动上磁场转动，强化、均匀了作用磁场，形成的旋转磁场在变化的空间和时间上增强了磁性纳米颗粒对细胞的作用，解决了目前磁标记和磁转染设备效率低的难题。

Description

细胞磁标仪

技术领域

本发明涉及一种用于细胞磁标记和基因磁转染的细胞磁标仪，属于纳米生物技术及生物医学领域。

背景技术

磁性纳米材料(主要是颗粒材料，如Fe₃O₄、γ-Fe₂O₃纳米颗粒)因其丰富的磁学特性和良好的生物相容性，在磁共振成像对比剂、细胞磁标记示踪、基因转染和磁靶向药物载体、细胞与生物分子分离、生物传感与检测、以及磁感应肿瘤热疗等生物医学领域有广泛的应用。

随着磁性纳米颗粒做为磁共振造影剂的临床应用，许多研究者开始采用磁性纳米颗粒对一些干细胞、肿瘤细胞、免疫细胞等进行磁标记，并采用磁共振进行示踪，以研究干细胞移植后的迁移分化、肿瘤细胞的转移和浸润、免疫细胞的生物分布和靶器官等生物学行为，以指导临床治疗或奠定基础。磁性纳米颗粒标记细胞的原理是基于培养环境中磁性纳米颗粒对细胞的吸附和被细胞内化以及通过胞吞、胞饮等方式进入细胞，并动态累积。标记的效率取决于纳米颗粒的尺寸、表面包覆分子种类、表面电荷、聚集态等纳米特性，也取决于细胞种类以及细胞培养液环境等。为了提高磁标记效率，除了进一步提高纳米颗粒本身的性能外，另一个重要的手段是通过利用外磁场对磁性纳米颗粒施加磁场力和机械扰动，以增强纳米颗粒与细胞的相互作用，加速纳米颗粒进入细胞。

基因的有效转染和输送是基因功能研究和肿瘤等疾病治疗的关键技术，一直以来也是制约基因治疗成功开展的重要问题。基因传递系统分为病毒载体和非病毒载体。因为病毒载体在免疫原性、细胞毒性、潜在致瘤性等方面的限制，非病毒载体，如阳离子聚合物和脂质体的衍生物，获得了快速的发展，但是仍然存在着转染效率低、细胞毒性等问题。无机纳米颗粒因其生物相容性和多功能性已经发展为一类新的基因载体，尤其是磁性纳米颗粒，具有磁共振示踪、磁靶向输送以及磁场增强的基因转染等功能，在基因传递和治疗中越来越显示出重要的作用。与细胞磁标记类似，为了提高负载基因的磁性纳米颗粒转染细胞的效率，各种磁场，如静磁场、振荡的永磁体阵列以及脉冲磁场等，已经被用于增强磁性纳米颗粒携带基因进入细胞。静磁场是基于放在细胞培养板下面的永磁铁(一般是钕铁硼磁体)对磁性纳米颗粒施加向下的磁力，增强其与贴壁培养细胞的作用从而提高转染效率；振荡的永磁体阵列除了如上所述的磁力作用外，还进行水平方向的振荡(可有不同频率)，从而进一步增加磁性纳米颗粒与细胞的作用。脉冲磁场则是由绕制的线圈提供的具有一定波形的磁场，设计构造较复杂，成本较高，由于细胞培养空间的限制和本身热效应问题，形成的磁场强度较弱，在细胞转染上不如静磁场。静磁场虽然能提供较强的磁力作用，但是随之带来的问题则是导致磁性纳米颗粒过多沉降，覆盖在贴壁细胞上，虽然转染效率提高了，但是导致细胞活性降低和毒性；另一方面，对于一些悬浮培养的血液肿瘤细胞以及免疫细胞等，这种沉降甚至降低细胞转染效率。因此，如何进一步设计构造更合理的、适用于细胞磁标记和磁转染的磁场系统成为迫切的需求。

发明内容

针对目前脉冲磁场强度较弱、静磁场导致磁性纳米颗粒沉降，从而影响磁标记和磁转染效率的技术问题，本发明提出将静磁场上下对称放置，提高磁场均一性，以降低磁性纳米颗粒沉降，同时以旋转的方式提供交变的作用，形成空间和时间上对磁性纳米颗粒的作用，不仅适用于贴壁培养细胞，亦适用于悬浮培养细胞。本发明以进一步提高磁性纳米颗粒对细胞磁标记和磁转染的效率为目的，设计构建了一种新型的细胞磁标仪，其是一种对称旋转磁场系统，即将条形永磁体(钕铁硼)上下对称放置，使得磁场系统变为双层构造，中间为细胞培养板插槽，上下两层磁场相互作用，可以通过磁力吸引由下磁场带动上磁场转动，强化、均匀了作用磁场，形成的旋转磁场在变化的空间和时间上增强了磁性纳米颗粒对细胞的作用，解决了目前磁标记和磁转染设备效率低的难题。

具体技术方案如下：

一种用于增强磁性纳米颗粒对细胞磁标记和基因磁转染的细胞磁标仪，其特征在于，该细胞磁标仪包括三层结构：位于下部的下磁场盒、位于上部的上磁场盒，以及位于上磁场盒和下磁场盒作用空间内的中间层，该中间层为细胞培养板；下磁场盒为驱动和控制部分，磁条固定于转台上，由电机带动产生旋转磁场；上磁场盒为从动磁场部分，由固定在转轴上的磁条组成，与下磁场完全对齐，能在下磁场驱动下同步旋转；下磁场盒和上磁场盒中间包括适于放置细胞培养板的插槽。

进一步地，下磁场盒的驱动部分为转速可调电机，控制部分由单片机控制电路板、速度传感器、液晶屏、按钮组成，可实现转速调节和计时功能。

进一步地，在于采用上下对称放置的永磁体产生旋转磁场，永磁体为钕铁硼磁条，磁条长度能覆盖整个细胞培养板，能提供较强的均一作用磁场空间。

进一步地，驱动电机带动下磁场旋转，下磁场通过磁力作用带动上磁场同步旋转。

进一步地，上下磁场中间设置细胞培养板插槽，适用于6、24、96孔细胞培养板放置。

进一步地，细胞磁标仪采用一体化密封设计。

进一步地，置于细胞培养箱中的装置供电使用12V开关电源，进入细胞培养箱的导线部分采用柔性线路板连接。

进一步地，旋转磁场速度可调范围为100-2000r/min。

本发明具有以下有益效果：

采用上下对称磁场结构，下部旋转磁场带动上部从动磁场同步旋转，形成的作用磁场均匀，每扫描一周即可受到一次相反磁极的作用，保证了细胞培养板中的磁性纳米颗粒受到均一的磁扰动，不易沉淀，对细胞的作用显著增强，可有效增强细胞磁标记和磁转染的效率。由于效率的提高，可以降低磁性纳米颗粒标记或转染细胞时的使用剂量或减小作用时间，这对体内安全和快速递送基因特别重要。

上下磁场中间插槽设计，适用于6、24、96孔细胞培养板放置，整机外表平整，适合灭菌消毒。下部电机驱动的旋转磁场带动上部磁场同步转动，使得驱动装置大为简化，节省空间，使设备更为小型化，便于放置在细胞培养箱中进行实验。

设备采用1602数显，简洁明了，傻瓜式操作。大范围转速调节(100-2000r/min)，方便的计时功能，便于细胞磁标记和磁转染控制，便于研究不同时间和旋转速度对磁性纳米颗粒作用细胞的影响。

附图说明

图1为细胞磁标仪的正视图。图2为细胞磁标仪的立体示意图。

图3为细胞磁标仪的内部设计构造示意图。图中1为上磁场盒，2为下磁场盒，3为培养板插槽，4为开机键，5为设置键，6为大调节键，7为小调节键，8为转速显示，9为时间显示，10为可调电机，11为磁条，12为转台，13为上转台固定支架，14为下电机固定支架，15为单片机控制电路板，16为速度传感器，17为连接导线。

具体实施方式

本专利设计构建了一种新型的细胞磁标仪，利用对称旋转磁场系统，强化、均匀了作用磁场，同时形成的旋转磁场在变化的空间和时间上增强了磁性纳米颗粒对细胞的作用，从而有效提高了细胞磁标记和磁转染的效率。

具体实施方案是：

整机采用一体化外壳设计，使用塑料材质，无电磁效应，密封性好，外壳的一体化密封设计便于采用紫外辐照及酒精擦拭等方式进行消毒灭菌，以符合细胞培养无菌要求。

整机分为三层结构，如附图1、2和3所示。图1和图2分别为细胞磁标仪的正视图和立体示意图。图中1为上磁场盒，2为下磁场盒，3为培养板插槽，4为开机键，5为设置键，6，7为大小调节键，8为转速显示，9为时间显示。

图3为细胞磁标仪的内部设计构造示意图。图中1为上磁场盒，2为下磁场盒，3为培养板插槽，4为开机键，5为设置键，6，7为大小调节键，8为转速显示，9为时间显示，10为可调电机，11为磁条，12为转台，13为上转台固定支架，14为下电机固定支架，15为单片机控制电路板，16为速度传感器，17为连接导线。下磁场盒为细胞磁标仪的驱动和控制部分：驱动部分为转速可调电机，磁条固定于转台上，由电机带动转台转动，进而产生旋转磁场；控制部分由单片机控制电路板、速度传感器、液晶屏、按钮组成，可实现转速调节(100-2000r/min)和计时功能。电源输入、速度传感器输入、驱动马达输出、键盘及显示屏输出集成在控制电路板上。上磁场盒为从动磁场部分，由固定在转轴上的磁条组成，与下磁场完全对齐，能在下磁场驱动下同步旋转。中间层处于上下磁场作用的空间内，为适合细胞培养板放置的插槽式结构，适用于6孔板、24孔板和96孔板，方便不同的细胞培养需要。

采用上下对称旋转磁场的结构设计，上下磁场采用条形钕铁硼磁条，对称放置，磁条长度能覆盖整个细胞培养板。下磁场通过磁力作用带动上磁场旋转，一方面提供了均一的作用磁场空间，并以时空周期性变化的方式作用于培养板各孔中的磁性纳米颗粒，进而与细胞作用，另一方面，上磁场无需电极驱动，节省了空间和能耗，使设备更加小型化，便于放置在细胞培养箱中工作。

液晶显示分为速度显示和计时显示。按钮包括开机键、设置键和大小调节键，能对旋转速度和计时进行设置和调节。细胞磁标仪供电使用12V开关电源，进入细胞培养箱的导线部分采用柔性线路板连接。

Claims (9)

1.一种用于增强磁性纳米颗粒对细胞磁标记和基因磁转染的细胞磁标仪，其特征在于，该细胞磁标仪包括三层结构：位于下部的下磁场盒、位于上部的上磁场盒，以及位于上磁场盒和下磁场盒作用空间内的中间层，该中间层为细胞培养板；下磁场盒为驱动和控制部分，磁条固定于转台上，由电机带动产生旋转磁场；上磁场盒为从动磁场部分，由固定在转轴上的磁条组成，与下磁场完全对齐，能在下磁场驱动下同步旋转；下磁场盒和上磁场盒中间包括适于放置细胞培养板的插槽。

2.根据权利要求1所述的一种细胞磁标仪，其特征在于：下磁场盒的驱动部分为转速可调电机，控制部分由单片机控制电路板、速度传感器、液晶屏、按钮组成，可实现转速调节和计时功能。

3.根据权利要求1所述的一种细胞磁标仪，其特征在于采用上下对称放置的永磁体产生旋转磁场。

4.根据权利要求3所述的一种细胞磁标仪，所述永磁体为钕铁硼磁条，磁条长度能覆盖整个细胞培养板，能提供较强的均一作用磁场空间。

5.根据权利要求1所述的一种细胞磁标仪，其特征在于驱动电机带动下磁场旋转，下磁场通过磁力作用带动上磁场同步旋转。

6.根据权利要求1所述的一种细胞磁标仪，其特征在于上下磁场中间设置细胞培养板插槽，适用于6、24、96孔细胞培养板放置。

7.根据权利要求1所述的一种细胞磁标仪，其特征在于细胞磁标仪采用一体化密封设计。

8.根据权利要5所述的一种细胞磁标仪，其特征在于置于细胞培养箱中的所述细胞磁标仪供电使用12V开关电源，进入细胞培养箱的导线部分采用柔性线路板连接。

9.根据权利要求2所述的一种细胞磁标仪，其特征在于旋转磁场速度可调范围为100-2000r/min。

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