CN105602846A - 一种小型化空间实验用细胞培养装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种小型化空间实验用细胞培养装置，能够在空间及同等恶劣环境下自主控制细胞培养过程及在线观测。包括高强度承载机构、环境参数测控单元、在线观测单元和细胞培养芯片单元；其中：所述高强度承载机构为细胞培养芯片单元提供支持结构和保温环境；所述环境参数测控单元对细胞培养环境的温度、湿度、CO2气体浓度进行检测，并将检测信息发送给测控组件，实现环境参数反馈调节；所述细胞培养芯片单元为微流控芯片或其它微型培养器件提供支持结构和气液流路接口；所述在线观测单元为细胞培养过程的实时观测提供照明调节、适用于光学显微镜观测的窗口结构。

Description

一种小型化空间实验用细胞培养装置
技术领域
本发明属于微全分析系统的空间生物实验技术领域，涉及自主控制细胞体外培养和观测过程的微流控芯片、动态培养装置及方法，特别涉及一种小型化空间实验用细胞培养装置。
背景技术
细胞体外培养技术是细胞生物学研究的基础，在生物技术研究领域占有十分重要的位置。常规的细胞培养使用细胞培养瓶、CO2培养箱等装置来培养细胞，不能精确重现体内的微环境，且不适用于细胞长时间的在线观测。九十年代以年来微流控技术的发展为细胞培养提供了新的思路和方法。微流控芯片的通道尺寸一般在几十至几百微米，和细胞的尺寸大致相当，能够从空间和时间上对流体进行精确地控制，节省大量的试剂和细胞，具有传统细胞培养技术无可比拟的优势。微流控芯片上的细胞培养技术已经在细胞迁移、药物筛选、细胞分化等领域得到广泛应用。
针对芯片上的细胞培养，长时间和高通量是两个基本的要求，此外还有可控性、可观察性等多方面的要求。在培养过程中进行实时的形态观察，生化检测、微环境调控等操作时往往都会有污染的风险，同时也不利于保证实验的重复性和平行性，为实验带来了难度和风险。自动化的培养能够大大降低这些风险和难度，国内外一些基于微芯片的自动化细胞培养装置大多体积庞大、功耗高、价格昂贵，并受加工要求高等条件限制，很难满足空间搭载等实验环境对小型化、低功耗、高可靠性等要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种小型化空间实验用细胞培养装置，能够在空间及同等恶劣环境下自主控制细胞培养过程及在线观测。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种小型化空间实验用细胞培养装置，包括高强度承载机构、环境参数测控单元、在线观测单元和细胞培养芯片单元；其中：
所述高强度承载机构为细胞培养芯片单元提供支持结构和保温环境；
所述环境参数测控单元对细胞培养环境的温度、湿度、CO2气体浓度进行检测，并将检测信息发送给测控组件，实现环境参数反馈调节；
所述细胞培养芯片单元为微流控芯片或其它微型培养器件提供支持结构和气液流路接口；
所述在线观测单元为细胞培养过程的实时观测提供照明调节、适用于光学显微镜观测的窗口结构。
进一步地，所述高强度承载机构采用铝合金作为结构材料，为内外胆双层结构形式，外层结构起到整体支撑和良好散热的作用，能够满足空间搭载实验环境苛刻的力学要求；内层结构为细胞培养芯片提供稳定的培养环境，并支持对培养过程进行实时观测。
进一步地，内外层结构之间填充隔热材料，以提高内部环境的热稳定性，有效降低热控功耗。
进一步地，所述环境参数测控单元采用半导体加热制冷片结合温度传感器实现对装置内部微环境温度的反馈调节。
进一步地，小型化的湿度传感器和CO2传感器对装置内的湿度和CO2气体浓度进行检测，为参数调节提供反馈信号。
进一步地，所述细胞培养芯片单元为承载机构内部的上层支架，为微流控芯片或其它微型培养器件的放置提供空间和加固结构
进一步地，在细胞培养芯片单元进出液方向的承载机构侧壁上设置有气液流路的开孔，实现细胞培养液及培养所需气体的持续交换。
进一步地，所述在线观测单元包括在线观测所需的照明LED和适用于光学显微镜头的观测窗口，照明LED放置在细胞培养芯片下方合适的位置，观测窗口利用适宜放大倍率的物镜结合CCD成像组件即可实现对所培养细胞的调焦和长时间在线观测记录。
本发明的有益效果：
1、本发明从结构上将半导体加热制冷片、细胞培养芯片和电路系统与金属盒体形成可靠的机械式固定连接，其结构设计和稳定性符合空间搭载环境的相关要求；此外，电路系统的元器件选取以及密闭式的金属承载机构符合搭载环境对本发明的力学性能和电磁兼容性能的相关要求。
2、本发明采用内外胆双层结构，可以高效实现内部培养环境的温度稳定性，有效降低长时间培养过程的功耗需求。此外，加热装置与细胞培养芯片分离放置的方式可以更好地维持培养环境的温度均一性，并充分利用装置内部空间，支持培养过程的在线观测。
3、本发明试验及操作的综合成本低、物理尺寸合适，加工方便且灭菌简单，能够实现培养过程中细胞生长状况和活动情况的连续观测，有效避免对实验引入污染的相关因素。
附图说明
图1为本发明的结构剖面正视示意图；
图2为本发明环境参数测控单元原理框图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
(1)高强度承载机构
高强度承载机构采用硬铝(2A12-H112)作为结构材料，为内外胆双层结构形式。外层结构起到整体支撑和良好散热的作用，同时能够满足空间搭载实验环境苛刻的力学要求；内层结构为细胞培养芯片提供稳定的培养环境，并支持对培养过程进行实时观测。内外层结构之间填充隔热材料，以提高内部环境的热稳定性，有效降低热控功耗。
半导体加热制冷片采用贴壁导热方式与承载机构的外层结构连接。其余器件安装在内层结构内，包括风扇、照明LED、温度传感器、湿度传感器、CO2传感器以及细胞培养芯片。上述器件均加装减震固定机构。所有电气线缆通过安装在承载机构外层结构上的宇航级电连接器外接到测控组件。所有的气液管路通过承载机构上的通孔外接到泵阀组件。承载机构顶盖留有供光学显微镜头探入的观测窗口，并在竖直方向考虑调焦的伸缩余量。
(2)环境参数测控单元
温控系统利用半导体加热制冷片结合PT1000铂电阻温度传感器实现对装置内部微环境温度的反馈调节，以稳定维持适宜细胞生长的温度。位于内层结构底部的微型风扇将半导体加热制冷片产生的热量向上层扩散，调整结构内部上下层温度的均一性。温度传感器放置在细胞培养芯片附近。测控组件采用MSP430F5系列单片机作为低功耗温度控制算法处理单元。
此外，湿度传感器和CO2传感器的输出信号也直接反馈到单片机进行参数记录或供环境参数调节使用。测控单元根据传感器反馈的环境参数信息控制泵阀组件，实现培养装置内的环境调节。
(3)细胞培养芯片单元
细胞培养芯片单元为承载机构内部的上层支架，为微流控芯片或其它微型培养器件的放置提供空间和加固结构。此部分结构的物理尺寸和加固方式可根据实际使用的培养芯片形式进行设计。为了保证细胞培养芯片处于适宜的温度环境中，支架边沿采用镂空设计，使下层的热量可以顺利扩散到结构上层。同时，为了实现对培养芯片的在线观测，支架和加固结构的设计需要避免在照明光路和观测光路上产生遮挡。
此外，在细胞培养芯片进出液方向的承载机构侧壁上设置有气液流路的开孔，结合外部泵阀控制组件实现细胞培养液及培养所需气体的持续交换。
(4)在线观测单元
在线观测单元包括在线观测所需的照明LED和适用于光学显微镜头的观测窗口。照明LED放置在细胞培养芯片下方合适的位置，由环境参数测控单元根据实验需求控制LED的开启和关闭。观测窗口利用适宜放大倍率的物镜结合CCD成像组件即可实现对所培养细胞的调焦和长时间在线观测记录。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种小型化空间实验用细胞培养装置，其特征在于，包括高强度承载机构、环境参数测控单元、在线观测单元和细胞培养芯片单元；其中：
所述高强度承载机构为细胞培养芯片单元提供支持结构和保温环境；
所述环境参数测控单元对细胞培养环境的温度、湿度、CO2气体浓度进行检测，并将检测信息发送给测控组件，实现环境参数反馈调节；
所述细胞培养芯片单元为微流控芯片或其它微型培养器件提供支持结构和气液流路接口；
所述在线观测单元为细胞培养过程的实时观测提供照明调节、适用于光学显微镜观测的窗口结构。
2.如权利要求1所述的一种小型化空间实验用细胞培养装置，其特征在于，进一步地，所述高强度承载机构采用铝合金作为结构材料，为内外胆双层结构形式，外层结构起到整体支撑和良好散热的作用，能够满足空间搭载实验环境苛刻的力学要求；内层结构为细胞培养芯片提供稳定的培养环境，并支持对培养过程进行实时观测。
3.如权利要求2所述的一种小型化空间实验用细胞培养装置，其特征在于，进一步地，内外层结构之间填充隔热材料，以提高内部环境的热稳定性，有效降低热控功耗。
4.如权利要求1所述的一种小型化空间实验用细胞培养装置，其特征在于，进一步地，所述环境参数测控单元采用半导体加热制冷片结合温度传感器实现对装置内部微环境温度的反馈调节。
5.如权利要求4所述的一种小型化空间实验用细胞培养装置，其特征在于，进一步地，小型化的湿度传感器和CO2传感器对装置内的湿度和CO2气体浓度进行检测，为参数调节提供反馈信号。
6.如权利要求1所述的一种小型化空间实验用细胞培养装置，其特征在于，进一步地，所述细胞培养芯片单元为承载机构内部的上层支架，为微流控芯片或其它微型培养器件的放置提供空间和加固结构。
7.如权利要求6所述的一种小型化空间实验用细胞培养装置，其特征在于，进一步地，在细胞培养芯片单元进出液方向的承载机构侧壁上设置有气液流路的开孔，实现细胞培养液及培养所需气体的持续交换。
8.如权利要求1所述的一种小型化空间实验用细胞培养装置，其特征在于，进一步地，所述在线观测单元包括在线观测所需的照明LED和适用于光学显微镜头的观测窗口，照明LED放置在细胞培养芯片下方合适的位置，观测窗口利用适宜放大倍率的物镜结合CCD成像组件即可实现对所培养细胞的调焦和长时间在线观测记录。
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