CN105462833B - 一种利用蠕动泵压缩空气控制溶液流速均匀稳定的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用蠕动泵压缩空气控制溶液流速均匀稳定的方法，包括蠕动泵、软管、空气过滤器、储液瓶、瓶塞、导管、立体电极装置和流式电转染室。蠕动泵通过压缩空气，使储液瓶中产生一定的压力，通过空气的压力来推动细胞悬液进行流式电转染，不会直接挤压细胞悬液，降低了液体流动对细胞造成的损伤，为高通量持续进行流式电转染提供了条件。方法具有结构简单、零件易加工，操作安装方便，降低了设备故障率，减轻了劳动强度，提高了生产效率，制造成本显著降低，无环境污染，市场前景广阔，便于推广使用的优点。

Description

一种利用蠕动泵压缩空气控制溶液流速均匀稳定的方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制溶液流速的方法，特别是涉及一种利用蠕动泵压缩空气控制溶液流速均匀稳定的方法。

背景技术

自从二十世纪七十年代早期开始，电转染就被应用于将分子插入动物或植物细胞内。研究者证实，当细胞暴露于瞬时高压脉冲电场中时，由高压电场造成的细胞膜局部破裂会使细胞膜通透性升高，从而在细胞膜表面会形成通道，这些通道被称为电孔洞(electropore)。这些通道存在时间虽然短暂，但足以满足大分子物质如蛋白质或质粒DNA的进入或是流出。虽然细胞能够耐受在高电压下这些通道的形成，但是如果高压脉冲电压过高，或者电场持续时间过长，或者高压脉冲电场次数过多，在形成这些通道的同时，也会使细胞致死。

初期用于电转染的是用两个平行板电极，分别固定在容器内的两个壁上。将准备进行电转染的细胞悬液与希望导入到细胞内的分子混合，加入到电转染容器内，将其置于两个电极之间。为了提高细胞电转染的效果，在电极上施加一次或多次瞬时高电压脉冲，从而对电极之间的细胞悬液施以高压电场脉冲。然而由于平行板电极的间距较大，所需要的电压通常高达几百甚至数千伏，带来安全性及可靠性的问题，而且不可避免的会产生阴极效应，对细胞产生巨大伤害。后来出现的平面电极，虽然减小了电极间距，可以在较低电压下产生同等的电场强度并带来不错的电转染效果，但每次处理的细胞量小，完全不适合高通量的实验操作。

市场上也有采用立体式电极的电转染仪器，但多用于肿瘤或活体组织等临床方向。该类型的电极数量少，组合简单，有些甚至是使用两根针状作为立体式电极，符合活体组织的需要，容易刺入组织和活体，但难以使用到体外的细胞电转染，如悬浮细胞或贴壁细胞的实验操作中。

目前市场上最常见的电转染容器的容积小，期间需要多次重复操作，虽然这种重复在容器内加样进行电转染方法简单方便，但只能满足研究者进行小规模细胞电转染的要求，不适合高通量的细胞电转染。此方法是不可能保持无菌的，而且无法满足大体积的细胞电转染，重复加样也会拖长实际操作的时间，这些问题都不利于实验的完成。

在20世纪80年代，有研究者开始研究用于处理大体积细胞的流式电转染实验方法。一般来说，流式电转染采用的是改装后的平行板电极，将需要进行电转染的细胞悬液持续而稳定地流过两个电极之间，直到整个细胞悬液均进行了电转染，从而实现大体积的细胞电转染。当细胞悬液稳定流过两个电极之间时，细胞将会暴露在高电场脉冲中，脉冲持续提供且间隔固定。流式电转染方法包含带电极和细胞悬液出入口的电转染室，细胞悬液通过出入口与电转染室连接。但根据流体力学规律，流体通过平行板之间的通道时，通道中间与四周的流体有一定的速度差异，通道中间的流速要大于通道周围的流速，通道尺度越小，流速越大，这种效应也越明显。流体的这种效应会引入剪切力，会对细胞造成损伤，也是不利于电转染的实验流程。从实验通量来讲，希望平行板之间的体积越大越好，这可以通过增大电极间距实现；从施加的电压来讲，希望平行板之间的间距越小越好，可以降低脉冲电压，减小阴极效应；从流体力学的规律来讲，又不希望间距过小，需要将流体的剪切力小于足以损伤细胞的量级。因此用平行板来设计流式电转染室虽然比较简单的，但也会有诸多限制。

郑家波在“高压脉冲灭菌效应的理论与实验研究”一文中提到了一种对细胞进行电转染的同轴式处理腔，阳极的实心不锈钢电极直径为2mm，通过聚四氟乙烯的绝缘支架固定于腔体中心位置，与腔壁绝缘，腔壁为阴极。菌液从下口流入上口流出，防止腔内气泡的产生。但是，同轴电极处理腔内场强分布不均匀，不同部位场强相差明显。电场由中心向四周衰减。当菌液流过同轴处理腔时，处于处理腔内不同部位的水受到的电场强度是不同的，这就导致了灭菌效果的差异，且又有内部场强相差巨大，不能用于对灭菌效果做定量的分析。同轴式处理腔大小是固定的，无法根据试验的要求改变阴极和阳极之间的间距，限制了试验参数的选择。因此，同轴电极处理腔只是在前期验证性的实验中使用，如果要分析电场强度大小对灭菌效果的影响必须改变处理腔结构，为解决该问题，选择在后期的试验中采用平行板式处理腔。

针对上述问题，我们提出了一种流式电转染装置(CN2013105542261)，包括立体电极装置和流式电转染室，所述立体电极装置包括电极阵列和电极固定组件，所述电极阵列固定在所述电极固定组件上，所述流式电转染室包括腔体、入口、出口和开口，所述入口、所述出口和所述开口位于所述腔体上，所述电极阵列通过所述开口插入在所述腔体内。

虽然上述流式电转染装置解决了提供稳定、均匀电场强度的技术问题，但是上述流式电转染装置并没有解决液体流经电场时细胞悬液自身流体力学的影响，特别是当电转染室腔体较大时，来自于蠕动泵提供的脉冲动力，导致腔体中间的细胞悬液的流速高于墙壁附近细胞悬液的流速，形成的剪切力仍会损伤细胞。

上述脉冲动力的主要来源是蠕动泵，即蠕动泵被设置在细胞悬液与流式电转染装置之间，通过蠕动泵的脉冲，将细胞悬液压缩到流式电转染装置中，通过持续的脉冲，使液体流经电转染装置。

蠕动泵(Peristaltic Pump)又称通道泵、胶管泵等，是20世纪50年代产生和发展起来的一种新的泵类。由于被输送的流体运动缓慢，又呈脉动的方式向前流动，犹如爬行动物蠕动前行，故称蠕动泵。

蠕动泵主要由驱动器、泵头、软管和控制单元组成，靠密封的工作容积的变化进行工作，所输送的液体、气体、浆状物料等在密闭的软管内流动。软管从泵头的一端伸到另一端，在弧形压力板的作用下被挤向压辊。所有的压辊均匀地固定在转子周围，驱动器驱动转子转动，从而使压辊周期性地挤压软管外壁。

当压辊挤压软管时，将软管压扁，从而将软管中的流体挤压出去；当压辊压过软管后，软管弹性恢复，形成局部真空，将后面的流体抽吸进来，以备在下一轮挤压过程被挤压出去。只要这种挤压过程连续不断地进行，对流体的抽吸和输送也就不断地形成，从而造成一定的流体从泵头的一端吸入，由泵头的另一端送出。显然，蠕动泵的流量与压辊挤压软管的速度、软管的口径和其他结构参数有关，从而可按要求改变流量。

纵观液体流动动力源，蠕动泵类似的应用非常多，对外科设备提供稳定的流体供给的一种常用的方法包括借助于诸如蠕动泵的正位移泵，通过医用管，从诸如袋的流体源泵送流体。期望用蠕动泵有许多理由，诸如其保持流体无菌和泵清洁的能力，因为流体流过医用管而不与泵的部件接触。在使用中，管路放置在蠕动泵内，以允许其辊子循环地啮合该管路来提供期望的泵送作用。

CN2009801346822A公开了一种外壳流体操纵系统，包括可释放地啮合于管路的泵和用户界面。但是流体也是流经泵内的导管，蠕动泵被设置在液体和导管之间。

CN2015204533471公开了一种蠕动泵输液管防堵塞的供液装置，并具体公开了液料桶下部设有出液孔，该出液孔经硅胶软管输入段与机箱内蠕动泵的旋转轮连接；所述硅胶软管输出段一端与蠕动泵旋转轮上的硅胶软管输入段对接，另一端连接Y形三通的一支，该Y形三通的另外两支分别与输液管及气管连接，该气管连接外部压缩空气管道并用于向输液管中输送压缩空气，但是该装置中的蠕动泵也是设置在液体源于导管之间。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种利用蠕动泵压缩空气控制溶液流速均匀稳定的方法，该方法使用蠕动泵作为动力源，但是采用蠕动泵压缩空气的方式推动溶液的流动，克服了蠕动泵直接压缩溶液而形成的脉动动力，装置结构简单、易于加工制造。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种利用蠕动泵压缩空气控制溶液流速均匀稳定的方法，包括蠕动泵1，软管8，空气过滤器7，储液瓶，瓶塞9，导管，立体电极装置和流式电转染室；

所述瓶塞上设置有进气管3和出液管4，所述蠕动泵通过软管与瓶塞9上的进气管3相连接，所述空气过滤器7设置于软管与瓶塞上的进气管3之间，所述出液管4与流式电转染室的入口通过导管相连接，所述流式电转染室的出口与另一储液瓶通过导管相连接；

所述瓶塞9与储液瓶组合使用，储液瓶与瓶塞9能够形成密闭式的空间；

所述立体电极装置包括电极阵列和电极固定组件上，所述电极阵列固定在所述电极固定组件，所述流式电转染室包括腔体、入口10、出口11和开口，所述入口10、所述出口11和所述开口位于所述腔体上，所述电极阵列通过所述开口插入在所述腔体内。

在本发明一个较佳实施例中，另一储液瓶上设置有另一瓶塞9，所述流式电转染室的出口与另一个瓶塞9上的进气管3相连接，在另一瓶塞9上的出液管4上设置有空气过滤器；

在本发明一个较佳实施例中，瓶塞中部为向下凹陷的圆锥形，如图4所示，圆锥侧边与水平夹角大于26°，瓶塞上的出液管4与瓶塞9的凹陷圆锥顶部持平，易于将储液瓶中的溶液全部从出液管4流出；

在本发明一个较佳实施例中，瓶塞上的进气管的长度刚好能够达到储液瓶的底部；

在本发明一个较佳实施例中，储液瓶的形状可以是任意的，圆形或方形的都可以，也可以是袋状的，需要有与瓶塞相连接的瓶口；

在本发明一个较佳实施例中，瓶塞塞入储液瓶后刚好可以形成密闭式的空间；瓶塞通过螺纹6旋入储液瓶后刚好可以形成密闭式的空间；

在本发明一个较佳实施例中，装有未经过电场处理的溶液的储液瓶倒置，瓶口朝下；等待装有经过电场处理的溶液的储液瓶瓶口朝上放置；

在本发明一个较佳实施例中，使用的软管和导管都是与溶液具有生物相容性的材质；

在本发明一个较佳实施例中，蠕动泵软管和导管可以选自硅橡胶管、氟橡胶软管、丁基橡胶软管、氯丁橡胶软管、聚氯乙烯软或氟硅胶软管中任意一种；

在本发明一个较佳实施例中，所述电极阵列包括多个电极，所述多个电极为细长结构的导电材料。

在本发明一个较佳实施例中，所述电极阵列中的多个电极按正多边形排列，所述电极阵列中相邻的两个电极之间的距离相等。

在本发明一个较佳实施例中，所述电极阵列的形状为由若干等边三角形组成的正六边形，所述电极位于所述等边三角形的顶点上。

在本发明一个较佳实施例中，所述流式电转染室为圆形或多边形。

本发明的有益效果是：

对传统的蠕动泵压缩溶液流动进行了改进，创造性的将蠕动泵压缩空气推进溶液的流动引入到了流式电转染仪中；

蠕动泵通过压缩空气，使储液瓶中产生一定的压力，通过空气的压力来推动溶液(细胞悬液)进行流式电转染，不会直接挤压溶液，降低了液体流动对细胞造成的损伤，为高通量持续进行流式电转染提供了条件。并且结合流式电转染仪使用，减少电压脉冲引起的热量和阴极效应带来的影响，能够保持封闭的无菌环境，保证绝大部分溶液都被施加了最佳次数的电场脉冲。

本发明设计的储液瓶瓶塞可以轻易的将储液瓶的溶液几乎无损失的转移到流式电转染室，并且在实际的使用中，储液瓶可以根据处理的溶液的量进行调整，成本低廉。

本发明的方法采用的装置具有结构简单、零件易加工，操作安装方便，降低了设备故障率，减轻了劳动强度，提高了生产效率，制造成本显著降低，无环境污染，市场前景广阔，便于推广使用的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，

其中：

图1是传统的蠕动泵驱动细胞悬液进行电转染示意图；

图2是蠕动泵示意图；

图3是蠕动泵压缩空气驱动细胞悬液进行电转染示意图；

图4是储液瓶的瓶塞；

图5是流式电转染装置结构示意图；

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

图1是传统的蠕动泵驱动细胞悬液进行电转染示意图，细胞悬液从蠕动泵中的软管一端进入，另一端流出，由于压辊直接挤压软管中的细胞悬液，能够将软管中的流体挤压出去；当压辊压过软管后，软管弹性恢复，形成局部真空，将后面的细胞悬液抽吸进来，以备在下一轮挤压过程被挤压出去，但是由于细胞悬液不能形成连续的流动模式，瞬时的加速度以及流体力导致细胞悬液中的细胞会有较大的损伤。

图2是蠕动泵结构的示意图，蠕动泵上设置有控制开关2，能够控制蠕动泵的开启和关闭；软管8一端能够吸进气，气体在经过空气过滤器7时，空气中的杂质、颗粒、以及对细胞有害的物质被空气过滤器的滤芯阻隔。

图3是蠕动泵压缩空气驱动细胞悬液进行电转染示意图，经过净化的空气从图4中瓶塞9上的进气管3进入储液瓶，储液瓶开口朝下，瓶塞与储液瓶通过瓶塞上的螺纹6形成封闭空间，空气进入储液瓶后逐渐增加储液瓶中的压力，缓慢驱动储液瓶中的细胞悬液从瓶塞9上的出液管4中流出，并且能够根据压力的大小控制流速。

图5是立体电极装置和流式电转染室，立体电极装置包括包括电极阵列和电极固定组件，细胞悬液从流式电转染室腔体的入口10进入腔体，经过电场处理后，从出口11流出腔体，在出口处设置一导管，将经过电场处理的细胞悬液导入另一储液瓶中。

另一储液瓶上设置有另一瓶塞9，所述导管与另一瓶塞9上的进气管3相连接，在另一瓶塞9上的出液管4上设置有另一空气过滤器7。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种利用蠕动泵压缩空气控制溶液流速均匀稳定的方法，其特征在于，所述方法包括蠕动泵(1)、软管(8)、空气过滤器(7)、储液瓶、瓶塞(9)、导管、立体电极装置和流式电转染室；

所述立体电极装置包括电极阵列和电极固定组件上，所述电极阵列固定在所述电极固定组件，所述流式电转染室包括腔体、入口(10)、出口(11)和开口，所述入口(10)、所述出口(11)和所述开口位于所述腔体上，所述电极阵列通过所述开口插入在所述腔体内；

所述瓶塞(9)上设置有进气管(3)和出液管(4)，所述蠕动泵(1)通过软管(8)与瓶塞(9)上的进气管(3)相连接，所述空气过滤器(7)设置于软管(8)与瓶塞(9)上的进气管(3)之间，所述出液管(4)与流式电转染室的入口(10)通过导管相连接，所述流式电转染室的出口(11)与另一储液瓶通过导管相连接；所述瓶塞(9)与储液瓶组合使用，储液瓶与瓶塞(9)能够形成密闭式的空间。

2.根据权利要求1所述的利用蠕动泵压缩空气控制溶液流速均匀稳定的方法，其特征在于，所述流式电转染室的出口(11)与另一储液瓶通过导管相连接时，另一储液瓶上设置有另一瓶塞(9)，所述导管与另一瓶塞(9)上的进气管(3)相连接，在另一瓶塞(9)上的出液管(4)上设置有另一空气过滤器(7)。

3.根据权利要求1所述的利用蠕动泵压缩空气控制溶液流速均匀稳定的方法，其特征在于，所述瓶塞(9)的中部为向下凹陷的圆锥形，圆锥侧边与水平夹角大于26°，瓶塞上的出液管(4)与瓶塞(9)的凹陷圆锥顶部持平。

4.根据权利要求1所述的利用蠕动泵压缩空气控制溶液流速均匀稳定的方法，其特征在于，瓶塞(9)通过螺纹(6)旋入储液瓶后刚好可以形成密闭式的空间。

5.根据权利要求1所述的利用蠕动泵压缩空气控制溶液流速均匀稳定的方法，其特征在于，装有未经过电场处理的溶液的储液瓶倒置，瓶口朝下；等待装有经过电场处理的溶液的储液瓶瓶口朝上放置。

6.根据权利要求1所述的利用蠕动泵压缩空气控制溶液流速均匀稳定的方法，其特征在于，所述的导管都是与溶液具有生物相容性的材质，可以选自硅橡胶管、氟橡胶软管、丁基橡胶软管、氯丁橡胶软管、聚氯乙烯软或氟硅胶软管中任意一种。

7.根据权利要求1所述的利用蠕动泵压缩空气控制溶液流速均匀稳定的方法，其特征在于，所述电极阵列包括多个电极，所述多个电极为细长结构的导电材料。

8.根据权利要求1所述的利用蠕动泵压缩空气控制溶液流速均匀稳定的方法，其特征在于，所述电极阵列中的多个电极按正多边形排列，所述电极阵列中相邻的两个电极之间的距离相等。

9.根据权利要求1所述的利用蠕动泵压缩空气控制溶液流速均匀稳定的方法，其特征在于，所述电极阵列的形状为由若干等边三角形组成的正六边形，所述电极位于所述等边三角形的顶点上。

10.根据权利要求1所述的利用蠕动泵压缩空气控制溶液流速均匀稳定的方法，其特征在于，所述流式电转染室为圆形或多边形。