CN104031836B - 培养液可更换型长时程细胞微重力回转系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及培养液可更换型长时程细胞微重力回转系统，其特征是：至少包括：细胞培养液单元、细胞培养液置换单元和控制单元；控制单元首先记录细胞置换液排出口或细胞置换液排入口的初始位置，控制单元控制细胞培养液单元中的第一电机以某一频率f转动在模拟微重力工作状态下，通过输出步长记录细胞置换液排出口或细胞置换液排入口的工作实时位置。本发明能在回转器持续回转、保持微重力状态下，自动更换细胞培养液，保证长时程细胞回转时细胞拥有足够养分、免受代谢产物干扰的培养液可更换型长时程的细胞微重力回转系统。

Description

培养液可更换型长时程细胞微重力回转系统
技术领域
本发明涉及一种生物医学实验设备，特别是具有细胞培养液循环更换能力的培养液可更换型长时程细胞微重力回转系统。
背景技术
生活在地球上的人类无时无刻不在受到重力的作用。在长期的进化过程中，人类已经适应了地球表面的1G重力环境。然而在航天失重环境下，流体静压消失，体液头向分布，引发机体各生理系统出现一系列的适应性变化，对心血管系统、肌肉骨骼系统、前庭神经系统、血液系统、免疫系统等产生不良影响，严重影响航天飞行人员空间工作能力和飞行任务的完成，同时返回地面后出现立位耐力下降、运动能力下降等再适应不良的症状。随着世界各国深空探测项目展开，星际间长时程旅行逐渐成为现实，开展微重力环境对生物体状态的影响等相关研究，具有重要意义。
细胞回转器（Clinostat）是近年开发的一种可进行细胞培养的模拟微重力装置。通常情况下，细胞回转器由数个回转舱及相关控制系统组成。回转舱可经控制系统控制按照一定速度围绕水平轴匀速旋转，舱中可固定数枚特制载玻片，并可盛入细胞培养液。进行细胞模拟失重研究时，首先在细胞培养瓶中培养细胞，使得细胞爬满载玻片，然后将载玻片固定在含有新鲜配置的细胞培养液的回转舱中，按照固定速度旋转回转舱。在旋转过程中，保持回转舱被细胞培养液完全充满，不能含有任何气泡，防止旋转过程中气泡对载玻片表面细胞的冲击。持续旋转过程中，重力向量不断变化，细胞不能持续感受同一个方向的重力向量。一般认为该状态与微重力状态产生相同的生物学效应。这也是采用回转器作为模拟失重装置的理论依据。在空间站或者宇宙飞船上，重力强度约为10-4g，细胞回转器在30转/分旋转时，可以产生10-3g。这足以进行重力细胞生物学的相关研究，探讨生物体在微重力环境下的生理病理改变及其相关机制，为长时程空间飞行提供防护策略。
持续旋转过程中，回转舱是一个密闭的充满细胞培养液的完整体。按照研究需要，经常需要持续24h至48h回转，为了研究长时程微重力状态对生理机能的影响，甚至需要72h或者更长时间的持续回转。培养细胞在培养液中吸取蛋白质、氨基酸、葡萄糖、生长因子等营养养分，同时释放代谢产物到培养液中，使得培养液的成分和pH值等发生变化。正常情况下1-2天就要更换细胞培养液，以保持培养细胞拥有足够的养分，保证细胞状态免受代谢产物干扰。在开展相关研究时，遇到的一个棘手问题是：细胞回转状态下为了保持微重力状态，同时防止气体进入培养液，无法进行培养液的更换。在观察长时程微重力状态（72h或者更长）对生物体机能的影响时，培养细胞既不能及时得到必须的养分，又将受到自身代谢产物的影响，这必将干扰实验结果的解读。
发明内容
本发明的目的是提供一种在回转器持续回转、保持微重力状态下，能够自动更换细胞培养液，保证长时程细胞回转时细胞拥有足够养分、免受代谢产物干扰的培养液可更换型长时程细胞微重力回转系统。
本发明的目的通过以下方式实现：培养液可更换型长时程细胞微重力回转系统，其特征是：至少包括：细胞培养液单元、细胞培养液置换单元和控制单元；控制单元首先记录细胞置换液排出口或细胞置换液排入口的初始位置，控制单元控制细胞培养液单元中的第一电机以某一频率f转动在模拟微重力工作状态下，通过输出步长记录细胞置换液排出口或细胞置换液排入口的工作实时位置；
更换细胞培养液时，控制单元记录细胞培养液置换单元中细胞置换液出管和细胞置换液入管的初始位置；控制单元控制细胞培养液置换单元中第二电机以加速度转动，通过调速使细胞置换液排出口、细胞置换液出管，细胞置换液排入口和细胞置换液入管进行精确对位，对位精度取决于步长设计，使细胞置换液排出口和细胞置换液出管同心，细胞置换液排入口和细胞置换液入管同心，同时在模拟微重力工作状态下工作；
控制单元通过无线控制液压系统工作，通过第一油压泵吸入第一贮油腔的油向液压缸下腔注油，通过缸体上移使细胞置换液出管插入细胞置换液排出口，使细胞置换液入管插入细胞置换液排入口；由细胞置换液油压泵将细胞置换液从细胞置换液腔置入细胞培养液单元，并将时间长的细胞培养液置出至置出细胞置换液腔，直至更换完时间长的细胞培养液，然后，细胞培养液置换单元脱离细胞培养液单元。
所述的细胞培养液单元包括：第一电机、细胞培养液壳体、细胞放置架、细胞培养液、细胞置换液排出口、细胞置换液排入口、第一电机轴；细胞培养液壳体一端固定第一电机，第一电机的第一电机轴伸向细胞培养液壳体内，第一电机轴套接有细胞放置架，细胞放置架放置有细胞标本，细胞标本侵入在细胞培养液内，细胞培养液壳体下端有细胞置换液排出口和细胞置换液排入口，细胞置换液排入口用于输入细胞置换液，细胞置换液排出口用于排出时间长的细胞培养液，第一电机采用步进电机，转动时由控制单元通过步长记录、存贮细胞置换液排出口或细胞置换液排入口的位置，以供细胞培养液置换单元同步工作时使用。
所述的细胞放置架同时有多个放置细胞标本的细胞架，细胞架在细胞培养液中，第一电机轴工作时，细胞架和细胞放置架一同转动。
所述的细胞培养液置换单元包括：细胞置换液壳体、液压缸下腔、油压泵、第一贮油腔、第二电机轴、第二电机、第二贮油腔、外滑道、液压缸上腔、置出细胞置换液腔、细胞置换液腔、内滑道、细胞置换液出管、细胞置换液排出口、细胞置换液入管、细胞置换液排入口、第一电机轴；细胞置换液壳体被限位在外滑道和内滑道内，细胞置换液壳体有对称的置出细胞置换液腔和细胞置换液腔，细胞置换液腔上端固定细胞置换液油压泵，细胞置换液油压泵出口连接细胞置换液入管；置出细胞置换液腔上端有细胞置换液出管；细胞置换液出管和细胞置换液入管绕第二电机轴对称分布。
置出细胞置换液腔和细胞置换液腔下端有一个液压系统，液压系统中的液压缸下腔和液压缸上腔分别通过第一油压泵、第二油压泵与第一贮油腔和第二贮油腔相通，通过液压缸下腔和液压缸上腔注油和卸油，使置出细胞置换液腔和细胞置换液腔沿外滑道和内滑道上下移动，保持置出细胞置换液腔和细胞置换液腔平稳更换细胞培养液。
所述的液压缸下腔和液压缸上腔，第一贮油腔和第二贮油腔，液压缸下腔和液压缸上腔靠近第二电机轴。
所述的细胞置换液腔的细胞置换液是细胞培养液的2倍以上，以使培养液更换完全。
本发明的优点是：由于具有循环更换能力的细胞培养液系统包括：细胞培养液单元、细胞培养液置换单元和控制单元；细胞培养液单元通过控制单元控制驱动第一电机绕轴转动；细胞培养液置换单元通过控制单元控制第二电机绕轴与第一电机同轴同频同位相转动；当第二电机绕轴与第一电机同轴同频同位相转动时，使细胞置换液出管和细胞置换液入管同时对准细胞置换液排入口和细胞置换液排出口，在液压单元驱动下，使细胞置换液出管和细胞置换液入管同时插入细胞置换液排入口和细胞置换液排出口，由细胞置换液油压泵将细胞置换液从细胞置换液腔置入细胞培养液单元，并将时间长的细胞培养液置出至置出细胞置换液腔，直至更换完时间长的细胞培养液，然后，细胞培养液置换单元脱离细胞培养液单元。它能在回转器持续回转、保持微重力状态下，能够自动更换细胞培养液，保证长时程细胞回转时细胞拥有足够养分、免受代谢产物干扰的细胞模拟微重力回转系统。
附图说明
下面结合实施例对本发明进行具体说明：
图1是本发明实施例原理图；
图2是图1的液压缸结构图。
图中，1、壳体；2、第一电机；3、细胞培养液壳体；4、细胞放置架；5、细胞培养液；6、细胞置换液油压泵；7、细胞置换液壳体；8、液压缸下腔；9、第一油压泵；10、第一贮油腔；11、第二电机轴；12、第二电机；13、第二贮油腔；14、第二油压泵；15、外滑道；16、液压缸上腔；17、置出细胞置换液腔；18、细胞置换液腔；19、内滑道；20、细胞置换液出管；21、细胞置换液排出口；22、细胞置换液入管；23；细胞置换液排入口；24、第一电机轴；25、控制单元。
具体实施方式
如图1所示，具有循环更换能力的细胞培养液系统，其特征是：至少包括：细胞培养液单元、细胞培养液置换单元和控制单元25；控制单元25首先记录细胞置换液排出口21或细胞置换液排入口23的初始位置，控制单元25控制细胞培养液单元中的第一电机以某一频率f转动在模拟微重力工作状态下，通过输出步长记录细胞置换液排出口21或细胞置换液排入口23的工作实时位置；
更换细胞培养液时，控制单元25记录细胞培养液置换单元中细胞置换液出管20和细胞置换液入管22的初始位置；控制单元25控制细胞培养液置换单元中第二电机12以加速度转动，通过调速使细胞置换液排出口21、细胞置换液出管20，细胞置换液排入口23和细胞置换液入管22进行精确对位，对位精度取决于步长设计，使细胞置换液排出口21和细胞置换液出管20同心，细胞置换液排入口23和细胞置换液入管22同心，同时在模拟微重力工作状态下工作；
控制单元25通过无线控制液压系统工作，通过第一油压泵9吸入第一贮油腔10的油向液压缸下腔8注油，通过缸体上移使细胞置换液出管20插入细胞置换液排出口21，使细胞置换液入管22插入细胞置换液排入口23；由细胞置换液油压泵6将细胞置换液从细胞置换液腔18置入细胞培养液单元，并将时间长的细胞培养液5置出至置出细胞置换液腔17，直至更换完时间长的细胞培养液，然后，细胞培养液置换单元脱离细胞培养液单元。控制单元为公知技术，这里就不做详细描述。
细胞培养液单元包括：第一电机2、细胞培养液壳体3、细胞放置架4、细胞培养液5、细胞置换液排出口21、细胞置换液排入口23、第一电机轴24；细胞培养液壳体3一端固定第一电机2，第一电机2的第一电机轴24伸向细胞培养液壳体3内，第一电机轴24套接有细胞放置架4，细胞放置架4放置有细胞标本，细胞标本侵入在细胞培养液5内，细胞培养液壳体3下端有细胞置换液排出口21和细胞置换液排入口23，细胞置换液排入口23用于输入细胞置换液，细胞置换液排出口21用于排出时间长的细胞培养液5，第一电机2采用步进电机，转动时由控制单元25通过步长记录、存贮细胞置换液排出口21或细胞置换液排入口23的位置，以供细胞培养液置换单元同步工作时使用。
细胞放置架4同时有多个放置细胞标本的细胞架，细胞架在细胞培养液5中，细胞培养液单元工作时，细胞架和细胞放置架4一同转动。
细胞置换液油压泵6工作时，产生有压力，压力使细胞培养液不会产生泡沫。
细胞培养液置换单元包括：细胞置换液壳体7、液压缸下腔8、油压泵9、第一贮油腔10、第二电机轴11、第二电机12、第二贮油腔13、外滑道15、液压缸上腔16、置出细胞置换液腔17、细胞置换液腔18、内滑道19、细胞置换液出管20、细胞置换液排出口21、细胞置换液入管22、细胞置换液排入口23、第一电机轴24；细胞置换液壳体7被限位在外滑道15和内滑道19内，细胞置换液壳体7有对称的置出细胞置换液腔17和细胞置换液腔18，细胞置换液腔18上端固定细胞置换液油压泵6，细胞置换液油压泵6出口连接细胞置换液入管22；置出细胞置换液腔17上端有细胞置换液出管20；细胞置换液出管20和细胞置换液入管22绕第二电机轴11对称分布。
如图2所示，置出细胞置换液腔17和细胞置换液腔18下端有一个液压系统，液压系统中的液压缸下腔8和液压缸上腔16分别通过第一油压泵9、第二油压泵14与第一贮油腔10和第二贮油腔13相通，通过液压缸下腔8和液压缸上腔16注油和卸油，使置出细胞置换液腔17和细胞置换液腔18沿外滑道15和内滑道19上下移动，保持置出细胞置换液腔17和细胞置换液腔18平稳更换细胞培养液。
为了使其细胞置换液壳体7转动平稳，液压缸下腔8和液压缸上腔16，第一贮油腔10和第二贮油腔13，靠近第二电机轴11。
细胞培养液置换单元由壳体1内的电池供电，细胞培养液置换单元与控制单元25通过无线电电连接进行通信，使细胞培养液置换单元工作时独立，物理状态不受其它结构影响。
细胞置换液腔18的细胞置换液是细胞培养液5的2倍以上，以使培养液更换完全。
更换时间可通过位移检测或工作时间控制。
液压缸分布在第二电机轴周围，使细胞培养液置换时平稳。
本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (7)

1.培养液可更换型长时程细胞微重力回转系统，其特征是：至少包括：细胞培养液单元、细胞培养液置换单元和控制单元；控制单元首先记录细胞置换液排出口或细胞置换液排入口的初始位置，控制单元控制细胞培养液单元中的第一电机以某一频率f转动在模拟微重力工作状态下，通过输出步长记录细胞置换液排出口或细胞置换液排入口的工作实时位置；
更换细胞培养液时，控制单元记录细胞培养液置换单元中细胞置换液出管和细胞置换液入管的初始位置；控制单元控制细胞培养液置换单元中第二电机以加速度转动，通过调速使细胞置换液排出口、细胞置换液出管，细胞置换液排入口和细胞置换液入管进行精确对位，对位精度取决于步长设计，使细胞置换液排出口和细胞置换液出管同心，细胞置换液排入口和细胞置换液入管同心，同时在模拟微重力工作状态下工作；
控制单元通过无线控制液压系统工作，通过第一油压泵吸入第一贮油腔的油向液压缸下腔注油，通过缸体上移使细胞置换液出管插入细胞置换液排出口，使细胞置换液入管插入细胞置换液排入口；由细胞置换液油压泵将细胞置换液从细胞置换液腔置入细胞培养液单元，并将时间长的细胞培养液置出至置出细胞置换液腔，直至更换完时间长的细胞培养液，然后，细胞培养液置换单元脱离细胞培养液单元。
2.根据权利要求1所述的培养液可更换型长时程细胞微重力回转系统，其特征是：所述的细胞培养液单元包括：第一电机、细胞培养液壳体、细胞放置架、细胞培养液、细胞置换液排出口、细胞置换液排入口、第一电机轴；细胞培养液壳体一端固定第一电机，第一电机的第一电机轴伸向细胞培养液壳体内，第一电机轴套接有细胞放置架，细胞放置架放置有细胞标本，细胞标本侵入在细胞培养液内，细胞培养液壳体下端有细胞置换液排出口和细胞置换液排入口，细胞置换液排入口用于输入细胞置换液，细胞置换液排出口用于排出时间长的细胞培养液，第一电机采用步进电机，转动时由控制单元通过步长记录、存贮细胞置换液排出口或细胞置换液排入口的位置，以供细胞培养液置换单元同步工作时使用。
3.根据权利要求2所述的培养液可更换型长时程细胞微重力回转系统，其特征是：所述的细胞放置架同时有多个放置细胞标本的细胞架，细胞架在细胞培养液中，第一电机轴工作时，细胞架和细胞放置架一同转动。
4.根据权利要求1所述的培养液可更换型长时程细胞微重力回转系统，其特征是：所述的细胞培养液置换单元包括：细胞置换液壳体、液压缸下腔、第一油压泵、第一贮油腔、第二电机轴、第二电机、第二贮油腔、外滑道、液压缸上腔、置出细胞置换液腔、细胞置换液腔、内滑道、细胞置换液出管、细胞置换液排出口、细胞置换液入管、细胞置换液排入口、第一电机轴；细胞置换液壳体被限位在外滑道和内滑道内，细胞置换液壳体有对称的置出细胞置换液腔和细胞置换液腔，细胞置换液腔上端固定细胞置换液油压泵，细胞置换液油压泵出口连接细胞置换液入管；置出细胞置换液腔上端有细胞置换液出管；细胞置换液出管和细胞置换液入管绕第二电机轴对称分布。
5.根据权利要求4所述的培养液可更换型长时程细胞微重力回转系统，其特征是：置出细胞置换液腔和细胞置换液腔下端有一个液压系统，液压系统中的液压缸下腔和液压缸上腔分别通过第一油压泵、第二油压泵与第一贮油腔和第二贮油腔相通，通过液压缸下腔和液压缸上腔注油和卸油，使置出细胞置换液腔和细胞置换液腔沿外滑道和内滑道上下移动，保持置出细胞置换液腔和细胞置换液腔平稳更换细胞培养液。
6.根据权利要求5所述的培养液可更换型长时程细胞微重力回转系统，其特征是：所述的液压缸下腔和液压缸上腔，第一贮油腔和第二贮油腔，靠近第二电机轴。
7.根据权利要求1所述的培养液可更换型长时程细胞微重力回转系统，其特征是：所述的细胞置换液腔的细胞置换液是细胞培养液的2倍以上，以使培养液更换完全。
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