CN103146575B - 一种带液路和电气接口的小型二氧化碳细胞培养箱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型二氧化碳细胞培养箱，包括细胞箱体、传感器、细胞培养架、电路控制系统、液路接口、电气接口及人机界面，并且细胞箱体通过第一隔断板和第二隔断板分别依次分隔为发热区、细胞培养区和缓冲区3个区；发热区内安装了发热片和风扇，第一隔断板上设置了通风口；细胞培养区为细胞培养和操控的区域；缓冲区放置了气体过滤装置和超声雾化加湿器，过滤后的二氧化碳气体和超声雾化水汽分别通过管路与细胞培养区相连；缓冲区设置有液路接口和电气接口并通过缓冲区分别与细胞培养区和培养箱外部连通；本发明细胞培养箱体积小，结构紧凑，带液路和电气接口，适合于一些新兴的细胞分析技术所需的操控和检测设备相集成。

Description

一种带液路和电气接口的小型二氧化碳细胞培养箱

技术领域

本发明涉及一种细胞培养箱，具体涉及一种带液路和电气接口的小型二氧化碳细胞培养箱。

背景技术

细胞是生命体组成的最基本的功能单位，对生命体各种复杂的生理、病理现象和机制的研究都离不开对细胞及分子水平学的研究，因此，细胞培养技术已成为当今生命科学各研究领域最核心、最基础的技术。在体外对细胞功能、代谢及分子学机制的研究离不开适合保持细胞存活状态和维持细胞正常代谢水平的环境条件。常规的二氧化碳细胞培养箱就是这样一种能够使细胞保持正常代谢水平和生长的科学实验装置。细胞培养箱能够精确地提供细胞培养所需的温度、湿度和气体组成等环境参数，目前这类商品化细胞培养箱性能稳定、响应迅速、可靠性高，且能有效防范细胞培养的污染。

随着细胞生物学研究的深入，一些新兴的细胞培养、分析技术得到长足发展，典型的两类技术是基于微流控芯片的细胞培养分析技术以及细胞传感技术。微流控芯片是微流控技术实现的主要平台，其装置主要特征是其容纳流体的有效结构（通道、反应室及其它某些功能部件）在微米级尺度，具有液体流动可控，消耗试样和试剂极少，分析速度提高等特点，微流控芯片在细胞学研究方面具有巨大优势：1）微流控芯片通道尺寸与单个细胞大小相近，便于对细胞进行操控；2）微流控芯片的多维网络结构形成相对封闭的环境，更接近细胞在体的生理状态；3）微流控芯片能够满足高通量、高内涵细胞分析的需要；4）在微流控芯片上同时实现细胞进样、培养、捕获、裂解和分离检测等步骤；由于微流控芯片为在单细胞和多细胞水平上的研究优势，已成为国内外细胞生物学基础和应用研究的热点。细胞传感器（cell-basedsensor）是分析科学和生物科学交叉学科中的研究热点，它利用活细胞作为探测单元，测量待分析物的功能性信息；利用细胞传感器可以连续检测和分析细胞在外界刺激下的生理功能，从生物学角度来看，能够探求细胞的状态、功能和基本生命活动信息；从被分析物的角度来看，能够研究和评价分析物的对细胞的功能效益。由于细胞传感器具有敏感性高、选择性好、响应迅速，目前在生物医学和环境监测、药物开发中有着广泛应用。

微流控芯片技术和细胞传感技术等新兴细胞分析技术在实际应用过程中常需要两个条件：一是在实验过程中能够较长时间维持细胞的存活状态和正常的生理代谢功能，二是能够和外部流体泵送设备或电气检测装置的有效集成。目前常规的细胞培养箱虽然能够实现各项参数的精确控制且可靠性高，但设备尺寸和质量均较大，更重要的是细胞培养腔内结构封闭，不适用与外部细胞操控、分析设备的集成，一定程度上限制了这些新兴技术的实际操作和应用。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术的不足，提供一种小型化二氧化碳细胞培养箱，该细胞培养箱带有液路和电气接口。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种小型二氧化碳细胞培养箱，包括以下组件：根据细胞培养功能的需求，由第一隔断板和第二隔断板分别依次将细胞箱体内区域分为发热区、细胞培养区和缓冲区3个区；发热区内安装了发热片（PTC加热器）和风扇，发热片主要用来加热培养箱内温度，风扇使空气产生对流，有利于培养箱内温度均匀分布，第一隔断板上设置了通风口，使加热区与细胞培养区能够进行热量传导；培养区放置了由不锈钢制成的细胞培养架以及温度、湿度和二氧化碳浓度传感器；细胞培养架由耐腐蚀且便于清洗不锈钢制成，能够放置细胞培养皿（培养瓶）、微流控芯片、细胞传感器等装置，传感器用于实时监测培养区内的环境参数；缓冲区放置了气体过滤装置和超声雾化器，分别用于过滤二氧化碳气体和加湿细胞培养区的空气，过滤后的二氧化碳气体和水汽通过管路与细胞培养区相连；缓冲区还设计了外部液路和电气接口，通过缓冲区与细胞培养区相连，使培养区与培养箱外环境进行了缓冲隔离；培养箱通过培养箱盖闭合形成密闭空间，通过硅胶圈进行密封，通过锁扣装置将培养箱盖闭合；培养箱盖上有透光观察区，便于实验过程中的观察；培养箱盖与培养箱体通过连接轴连接；整个培养箱由热塑性塑料ABS或聚碳酸酯PC加工而成；细胞培养箱通过电缆与电路控制系统及人机界面相连接。

所述培养箱的电路控制系统主要用于控制培养区的环境参数，通过传感器采集培养区内的环境参数值，包括温度、湿度和二氧化碳浓度，与预设定的参数值进行比较，通过特定的技术算法计算出控制量控制执行单元，使环境参数达到预设值。在实际应用中，温度控制算法可采用模糊逻辑PID调节算法，湿度、二氧化碳浓度的控制可采用位式调节方式。温度传感器可采用热电偶、热电阻或数字温度传感器，湿度传感器可采用电阻式或电容式湿敏元件；二氧化碳传感器可采用红外吸收式、电化学式、半导体陶瓷式或固体电解式。二氧化碳浓度通过控制电磁阀执行单元的通断实现、温度通过控制加热器工作/停止实现、湿度通过控制超声雾化器的开断实现；培养箱电路控制系统采用微控制器作为控制核心，其电路控制原理如图2。

培养箱设置了缓冲区，用于将箱体外设备的液路和电路与培养箱内培养区的细胞加载装置相连接。在培养箱箱体上设计了易于拔插的外置液路接口和电气接口，通过外置液路接口和外置电气接口与外部设备相连接；在外置液路接口缓冲区端和外置电气接口缓冲区端分别通过液体连接管路和连接电路与内置液路接口缓冲区端和内置电气接口缓冲区端相连，内置液路接口和内置电气接口的培养区端与细胞加载装置的液路和电气接口相连，从而实现培养箱培养区内的细胞加载装置与外部装置的液路和电气连通。细胞培养箱的液路接口和电气接口如图3和图4所示。

在一较佳实施方式中，液路接口和电气接口直接设置于细胞培养区。

本发明的优点是：该培养箱能够体积小，结构紧凑，带液路和电气接口，适合于一些新兴的细胞分析技术所需的操控和检测设备相集成。

附图说明

图1为培养箱整体结构设计框图；

图2为培养箱电路控制原理图；

图3为细胞培养箱液路接口；

图4为细胞培养箱电气接口。

具体实施方式

图1为本具体实施方式的小型二氧化碳细胞培养箱，由以下部分构成：硅胶圈1，发热区2，第一隔断3，细胞培养架4，气体过滤瓶5，气体管路6，单向阀7，电隔阀8，超声雾化器9，连接轴10，培养箱盖11，第一锁扣12，观察窗13，人机界面14，通讯线缆15，缓冲区16，电气接口17，液路接口18，第二隔断19，湿度、温度和二氧化碳传感器20，细胞培养区21，风扇22，发热片23，第二锁扣24。

由第一隔断3和第二隔断19分别将细胞箱体内区域分为发热区2、细胞培养区21和缓冲区16；发热区2内安装了发热片23优选PTC加热器和风扇22，发热片23主要用来加热培养箱内温度，风扇22使空气产生对流，有利于培养箱内温度均匀分布，第一隔断3上设置了通风口，使发热区2与细胞培养区21能够进行热量传导；培养区21放置了由不锈钢制成的细胞培养架4以及温度、湿度和二氧化碳浓度传感器20；细胞培养架4由耐腐蚀且便于清洗不锈钢制成，能够放置细胞培养皿（培养瓶）、微流控芯片、细胞传感器等装置，传感器用于实时监测培养区内的环境参数；缓冲区16放置了气体过滤装置5-8和超声雾化器9，分别用于过滤二氧化碳气体和加湿细胞培养区的空气，过滤后的二氧化碳气体和水汽通过管路与细胞培养区相连；缓冲区还设计了外部液路接口18和电气接口17，通过缓冲区与细胞培养区相连，使培养区与培养箱外环境进行了缓冲隔离；培养箱通过培养箱盖闭合形成密闭空间，通过硅胶圈进行密封，通过锁扣装置将培养箱盖闭合；培养箱盖上有透光观察区，便于实验过程中的观察；培养箱盖与培养箱体通过连接轴连接；整个培养箱由热塑性塑料ABS或聚碳酸酯PC加工而成；细胞培养箱通过电缆15与电路控制系统及人机界面14连接。

图2为本具体实施方式的细胞培养箱电路控制原理图。

图3为本具体实施方式的细胞培养箱液路接口18的局部放大图，液路接口18由培养箱箱壁25，第二隔断19，外置液路接口26，外置液路接口缓冲区端28，内置液路接口缓冲区端27，液体连接管路29和内置液路接口30构成。

图4为本具体实施方式的细胞培养箱电气接口17的局部放大图，电气接口17由培养箱箱壁25，第二隔断19，外置电气接口缓冲区端35，内置电气接口缓冲区端34，外置电气接口32，连接电路33和内置电气接口31构成。

本具体实施方式的细胞培养箱可通过以下方法进行操作：

1）、基于微流控的灌注式细胞培养芯片

第一步：打开培养箱箱盖，将细胞培养箱箱体在紫外灯照射30分消毒；

第二步：将外部二氧化碳气瓶与培养箱二氧化碳管路相连，在超声雾化器内加入适量的高温消毒后的蒸馏水；

第三步：在超净工作台手动将细胞悬液加载到微流控芯片上，然后将微流控灌注式细胞培养芯片放置在培养箱培养区的细胞培养架上，用液体管将微流控芯片与内置液路接口培养区端接口联通，关闭细胞培养箱盖，通过锁扣锁住；

第四步：打开培养箱电源，通过人机截面输入培养区的环境参数，设置温度为37℃，湿度为90%RH，二氧化碳浓度设置为5%；

第五步：用液体管将外置液路接口外部端与液体泵送设备（注射泵）联通，启动液体泵送设备（注射泵），将细胞培养液通过培养箱上的接口输送到微流控芯片上，同时也可将液体从培养区内通过液路接口输送到培养箱外部，这样实现了细胞培养设备与外部细胞操控设备的液体连接。

2）、电化学细胞传感器

第一步：打开培养箱箱盖，将细胞培养箱箱体在紫外灯照射30分消毒；

第二步：将外部二氧化碳气瓶与培养箱二氧化碳管路相连，在超声雾化器内加入适量的高温消毒后的蒸馏水；

第三步：将制作好的电化学细胞传感器放置在培养箱培养区的细胞培养架上，用电线将将电化学细胞传感器电极与内置电气接口培养区端接口联通，在传感器反应区滴加活细胞悬液，关闭细胞培养箱盖，通过锁扣关闭；

第四步：打开培养箱电源，通过人机截面输入培养区的环境参数，设置温度为37℃，湿度为90%RH，二氧化碳浓度设置为5%；

第五步：用屏蔽线将外置电气接口外部端与外部电化学工作站或电信号监控设备，启动电化学工作站，实现对培养过程中的细胞进行。

Claims (4)

1.一种小型二氧化碳细胞培养箱，包括细胞箱体、传感器、细胞培养架、电路控制系统和人机界面，其特征在于，细胞箱体通过第一隔断板和第二隔断板被分别依次分隔为发热区、细胞培养区和缓冲区3个区域；发热区内安装了发热片和风扇，第一隔断板上设置了通风口；细胞培养区为细胞培养和操控的区域；缓冲区放置了气体过滤装置和超声雾化加湿器，过滤后的二氧化碳气体和超声雾化水汽分别通过管路与细胞培养区相连；缓冲区或细胞培养区设置有液路接口和电气接口使细胞培养区与培养箱外部连通。

2.如权利要求1所述的细胞培养箱，其中，所述缓冲区的液路接口分别设置于缓冲区的培养箱箱壁和第二隔断板上，所述电气接口分别设置于缓冲区的培养箱箱壁和第二隔断板上；并将箱体外设备的液路和电路与培养箱内细胞培养区的细胞加载装置相连接。

3.如权利要求2所述的细胞培养箱，其中，在缓冲区箱壁上设置了易于拔插的外置液路接口和外置电气接口，通过外置液路接口和外置电气接口分别与外部设备相连接；外置液路接口缓冲区端和外置电气接口缓冲区端分别通过液体连接管路和连接电路与缓冲区第二隔断板上的内置液路接口缓冲区端和内置电气接口缓冲区端相连，内置液路接口和内置电气接口的培养区端与细胞加载装置的液路和电气接口相连，从而实现培养箱培养区内的细胞加载装置与外部装置的液路和电气连通。

4.如权利要求1-3任一所述的细胞培养箱，其中，培养箱盖上有透光观察区。