CN105039159A - 一种具有多工作模式的生物培养皿 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有多工作模式的生物培养皿，包括底部为电致变形基底的皿体、为电致变形基底提供驱动电压的驱动电路，以及通过控制驱动电路输出的驱动电压的幅值和频率以进行工作模式切换的控制模块，所述生物培养皿具有正常工作模式、振动工作模式和拉伸工作模式。本发明的培养皿利用电驱动的电致变形基底对培养物质进行振动搅拌，根据需要对培养物质进行不同模式的振动搅拌，且通过电控制，结构简单，制作容易，成本很低，可以一次性使用，同时可以提供多种搅拌功能。

Description

一种具有多工作模式的生物培养皿

技术领域

本发明涉及微生物及细胞培养技术领域，具体涉及一种具有多工作模式的生物培养皿。

背景技术

培养皿是一种用于微生物或细胞培养的实验室器皿，由一个平面圆盘状的底和一个盖组成，一般用玻璃或塑料制成。

传统的培养皿多为简单的玻璃或塑料器皿，主要在生物学领域中用于细胞培养，其不具有振动和搅拌功能。

近年来为满足各种培养需要，出现了新型的减震培养皿，如公开号为202671544U的实用新型专利申请公开了一种减震培养皿，包括皿体和皿盖，皿体的底部设有减震层，减震层与皿体之间设有胶水层，减震层为泡沫塑料层。该减震培养皿可在培养细胞等操作时，避免培养皿在搬运过程中剧烈振动，减小振动对培养皿内培养物的生长造成不利影响。

在此基础上，公开号为203048939U的实用新型专利申请公开了一种密封式防振动的新型培养皿，属于微生物实验用器皿，包括培养皿本体，以及设在培养皿本体上方的压盖，压盖内壁上设有卡槽，培养皿本体的底部设有减震层，且减震层上端设有保温层，保温层上设有培养区，培养皿本体外壁上设有与盖体上卡槽相配合的凸台，培养皿本体下端设有底座。卡槽和凸台可以使培养皿本体与压盖相互卡紧，成为一个基本密闭的空间。减震层可避免培养皿在搬运过程中有剧烈振感，减小振动对培养皿内培养物的生长造成不利影响。

而对于生物实验，除了减震的需要，对于某些特殊应用，需要创造振动，对培养皿中的培养液进行振动搅拌。由于细胞等培养物质一般比较脆弱，容易损坏，因此不能使用传统的搅拌方式(如搅拌棒)进行搅拌，只能通过其他方式进行搅拌。

现有的可振动培养皿大多通过超声波振动来实现振动，其虽然可以实现对培养皿中培养物质的振动，但是不能控制振动的方向和位置，同时超声波振动技术还有成本较高，使用价格较为昂贵的缺点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种具有多工作模式的生物培养皿，能够实现振动方向和位置的控制，且成本低廉。

一种具有多工作模式的生物培养皿，包括底部为电致变形基底的皿体、为电致变形基底提供驱动电压的驱动电路，以及通过控制驱动电路输出的驱动电压的幅值和频率以进行工作模式切换的控制模块，

所述生物培养皿具有正常工作模式、振动工作模式和拉伸工作模式。

皿体(除底部外)的材质可以玻璃或塑料等，为便于加工本发明中的材质为塑料。为避免对培养皿内的培养液造成损失，采用的塑料必须为生物级别的塑料。

在微生物或细胞的培养过程中，有时候需要观察微生物或细胞的实时生长情况，为便于观察，所述电致变形基底透明。这样可以在培养皿放置显微镜进行对培养皿内的情况进行观察。进一步优选，整个皿体均为透明，即皿体的侧壁和底部(电致变形基底)均透明。

所述电致变形基底包括具有预拉伸的介电弹性体薄膜，所述介电弹性体薄膜的下表面设有柔性电极，所述驱动电路的正向输出端与柔性电极连接，接地端以培养液为导电媒介与介电弹性体薄膜的上表面相连。

培养皿在使用时需要加入培养液，本发明利用生物培养液的导电特性，直接以培养液为导电媒介(实际上为导电电极)使驱动电路的接地端与介电弹性体薄膜的上表面相连，进而直接将培养液作为介电弹性体薄膜的上表面的电极，而无需在介电弹性体薄膜的上表面设置电极，有利于降低制备成本。

另外，为避免以培养液为导电媒介时培养液为高压进产生触电的隐患，本发明中使驱动电路的接地端以培养液为导电媒介与介电弹性体薄膜的上表面相连，这样，在培养过程中，由于培养液与接地端连接，电势为零，只要实验者不直接与正向输出端连接，则不会构导电回路而引发触电事故。

作为优选，所述皿体内侧壁上设有延伸至介电弹性体薄膜上表面的导电件，所述驱动电路的接地端与该导电件相连。通过导电件便于固定接地端的连接位置。进一步，可通过合理设置导电件距离侧壁顶面的高度，保证使用时培养液不没过导电件顶端，使用时，使接地端与导电件顶端连接，这样可以在培养液和接地端不直接接触的情况下正常供电，避免了直接将接地端至于培养液中而导致培养液污染的问题。

本发明中的导电件优选医用不锈钢片，为医用材料，与培养液接触时不会对培养物质(培养液)产生影响，且在通电时也不会产生电离，避免对培养液产生影响。

进一步作为优选，所述柔性电极外设置柔性绝缘保护层，防止漏电。进一步优选，所述驱动电路的正向输出端与柔性电极固定连接，且电气连接点被柔性绝缘保护层覆盖。一方面可以防止漏电、另一方面还可以避免将正向输出端和接地端弄反而引发安全事故。最优的，所述柔性绝缘保护层为透明的。

所述柔性电极的边缘与介电弹性体薄膜的边缘的最小距离大于2cm。

一方面防止高压作用下介电弹性体薄膜边缘处击穿，实现电气隔离；另一方面为介电弹性体薄膜预留一定的形变空间。

为保证能够得到最佳的振动效果，所述介电弹性体薄膜的厚度为1mm。该厚度为介电弹性体薄膜未拉伸前的厚度，所述柔性电极的厚度为0.1mm。

控制模块控制驱动电路输出的驱动电压的幅值在0～5KV范围内连续可调。当生物培养皿工作于正常工作模式时，驱动电压的幅值为零；

当生物培养皿工作于拉伸工作模式时，驱动电压的幅值不为零，频率为零；

当生物培养皿工作于振动工作模式时，驱动电压的幅值不为零(且要求幅值大于0.5KV)，频率大于零。

所述振动工作模式包括上下振动模式和水平伸缩模式，当生物培养皿工作于上下振动模式时，驱动电压的频率为20Hz～1000Hz，时，当生物培养皿工作于水平伸缩模式时，驱动电压的频率为小于20HZ时。

与现有技术相比，本发明的智能培养皿利用电致变形基底对培养物质进行振动搅拌，且通过电控制，结构简单，制作容易，成本很低，可以一次性使用，同时可以提供多种搅拌模式。

附图说明

图1为本实施例的智能培养皿的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

一种具有多工作模式的生物培养皿，如图1所示，包括皿体1，皿体1底部为电致变形基底2，为电致变形基底2提供驱动电压的驱动电路3，以及控制驱动电路输出的驱动电压的幅值和频率的控制模块4。

电致变形基底2包括具有预拉伸的介电弹性体薄膜21，介电弹性体薄膜的下表面依次设有柔性电极22和柔性绝缘层23，柔性绝缘层23位于柔性电极外22，其中，介电弹性体薄膜具体为3M-VHB4910材料，在各个方向上的预拉伸值为3倍，预拉伸之前厚度为1mm。

柔性电极由导电凝胶等透明导电材料制备而成。本实施例中为银纳米线，厚度为0.1mm。为保证下表面的柔性电极层与培养液之间的电隔离，并保证介电弹性体薄膜具有一定的形变空间，下表面的柔性电极的边缘距离驱动层的边缘的最小距离为2mm。

驱动电路的正向输出端与柔性电极连接，接地端以培养液为导电媒介与介电弹性体薄膜的上表面相连，以为介电弹性体薄膜提供电压使其发生形变而振动。

本实施例中皿体1的内侧壁上设有延伸至介电弹性体薄膜上表面的导电件，驱动电路的接地端与该导电件5相连，该导电件5为医用不锈钢片。

本实施例的智具有多工作模式的生物培养皿制备方法如下：

首先将普通圆形培养皿去底，只留下培养皿壁面，即为皿体1，然后将经过预拉伸的介电弹性体薄膜21贴在培养皿壁面作为底部进而得到皿体1，在介电弹性体薄膜外表面的中间部位涂上柔性电极22，通过导线将柔性电极22与驱动电路3一极相连(正向输出端)，在柔性电极22外侧再贴一层柔性绝缘层23，以避免电极与外部直接接触。在皿体1的内侧壁上安装延伸至介电弹性体薄膜上表面的导电件5，用导线与驱动电路3的另一极(接地端)相连，控制模块4通过导线与驱动电路3相连，用以对驱动电压和频率进行控制。

培养皿在使用前需要首先加入培养液，使得培养液与导电件5接触，由于培养液一般都为离子导电型液体，因此在通电时，培养液本身起到了导电电极的作用，因此通过导电件5使培养液与接地端点连接，进而在介电弹性体薄膜上、下表面形成高压。

根据电驱动的电致变形基底的变形原理可知，驱动电路所提供的驱动电压的大小直接控制整个培养皿的振动幅度和振动频率。

驱动电路所输出的驱动电压的幅值在0～5KV范围内连续可调，频率为0～1KHz内连续可调，相应的，振动频率为0～1KHz。

在本实施例的培养皿底部柔性电极为圆形时，且直径(即原长)为5.85cm时，驱动电压(即电压)与形变量的关系如表1所示，其中线长为相应电压下的直径大小(cm)，线应变为线长相对于原长的变化率。

表1

电压(kV)	原长	现长	线应变(％)
				0	5.85	5.85	0
0.5		5.85	0
				1		5.9	0.85
1.5		5.95	1.71
				2		6	2.56
2.5		6.1	4.27
				3		6.2	5.98
3.5		6.4	9.4
				4		6.65	13.68
4.5		6.9	17.95
				5		7.1	21.37

驱动电路输出驱动电压的幅值和频率调节受控于控制模块，本实施例中驱动电路和控制模块基于集成于一体的高压电源和信号发生器实现，由信号发生器产生交变波形并通过接口传输给高压电源，再通过高压电源驱动培养皿。

本实施例的生物培养皿具有正常工作模式、振动工作模式和拉伸工作模式。当生物培养皿工作于正常工作模式时，驱动电压的幅值为零，培养皿不振动；

当生物培养皿工作于拉伸工作模式时，驱动电压的幅值不为零，频率为零，此时介电弹性体薄膜在驱动电压作用下，柔性电极的对应区域面积增大，出，因此，培养皿处于拉伸工作；

当生物培养皿工作于振动工作模式时，驱动电压的幅值不为零，频率大于零。此时培养皿中的柔性电极区域会按照驱动电压的频率进行扩大与缩小的往复运动，从而使整个培养皿中的培养物质产生振动。

根据驱动电压的频率变化范围，当驱动电压的频率为20Hz～1000Hz时，由于振动频率较高，培养皿中的培养液会发生上下振动，因此，此时振动工作模式实际为上下振动模式，当驱动电压的频率小于20Hz(大于0Hz)时，由于振动频率相对较低，培养皿中的培养液表现为水平振动，因此，此时振动工作模式为水平伸缩模式。

在使用时，若需要对培养液中的培养物质进行拉伸或使其进行水平伸缩。在使用前需要进行特殊处理，使培养液中的培养物质(细胞、微生物等)能够贴附在基底上(介电弹性体薄膜的上表面)，这样在基底振动形变时，贴附在其表面的培养物质也可以同步形变。

对于基底而言，仅柔性电极对应区域会发生形变，因此，实际上仅贴附在柔性电极对应区域的培养物质会发生形变。

本实施例中在培养液中加入胶原Ⅰ蛋白，使培养液中的培养物质(细胞、微生物等)能够贴附在基底。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有多工作模式的生物培养皿，其特征在于，包括底部为电致变形基底的皿体、为电致变形基底提供驱动电压的驱动电路，以及通过控制驱动电路输出的驱动电压的幅值和频率以进行工作模式切换的控制模块，

所述生物培养皿具有正常工作模式、振动工作模式和拉伸工作模式。

2.如权利要求1所述的具有多工作模式的生物培养皿，其特征在于，所述电致变形基底包括具有预拉伸的介电弹性体薄膜，所述介电弹性体薄膜的下表面设有柔性电极，所述驱动电路的正向输出端与柔性电极连接，接地端以培养液为导电媒介与介电弹性体薄膜的上表面相连。

3.如权利要求2所述的具有多工作模式的生物培养皿，其特征在于，所述皿体内侧壁上设有延伸至介电弹性体薄膜上表面的导电件，所述驱动电路的接地端与该导电件相连。

4.如权利要求2所述的具有多工作模式的生物培养皿，其特征在于，所述柔性电极外设置柔性绝缘保护层。

5.如权利要求2所述的具有多工作模式的生物培养皿，其特征在于，所述柔性电极的边缘与介电弹性体薄膜的边缘的最小距离大于2cm。

6.如权利要求2所述的具有多工作模式的生物培养皿，其特征在于，所述介电弹性体薄膜的厚度为1mm。

7.如权利要求6所述的具有多工作模式的生物培养皿，其特征在于，所述柔性电极的厚度为0.1mm。

8.如权利要求1～7中任意一项所述的具有多工作模式的生物培养皿，其特征在于，控制模块控制驱动电路输出的驱动电压的幅值在0～4KV范围内连续可调。

9.如权利要求8所述的具有多工作模式的生物培养皿，其特征在于，当生物培养皿工作于正常工作模式时，驱动电压的幅值为零；当生物培养皿工作于拉伸工作模式时，驱动电压的幅值不为零，频率为零；当生物培养皿工作于振动工作模式时，驱动电压的幅值不为零，频率大于零。

10.如权利要求9所述的具有多工作模式的生物培养皿，其特征在于，所述振动工作模式包括上下振动模式和水平伸缩模式，当生物培养皿工作于上下振动模式时，驱动电压的频率为20Hz～1000Hz，时，当生物培养皿工作于水平伸缩模式时，驱动电压的频率为小于20HZ时。