CN106367344B - 一种细胞微尺度加热培养控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种细胞微尺度加热培养控制装置，包括细胞微尺度加热培养装置、加热控制系统和加热电源，所述细胞微尺度加热培养装置用于培养细胞，所述加热控制系统用于实现对细胞微尺度加热培养装置上的细胞培养温度的微尺度控制，所述加热电源用于对加热控制系统进行供电，所述细胞微尺度加热培养装置包括细胞培养皿、PDMS硅橡胶、加热微电极、微型温度传感器、培养皿，所述加热微电极采用具有生物兼容性的ITO材料并通过微流控技术制成。本发明设计的培养系统不仅具备生物兼容性，实现细胞的培养，而且还能实现同一培养环境下，微小区域内细胞的不同加热培养，并能在显微镜下同时观察不同加热条件下，细胞的生长变化过程。

Description

一种细胞微尺度加热培养控制装置
技术领域
本发明属于生物医学工程领域，尤其涉及一种细胞微尺度加热培养控制装置。
背景技术
热物理治疗方法可以通过改变温度来实现对病变细胞及组织的消除，被广泛应用于肿瘤治疗中。然而，目前这一应用的基础理论研究主要集中在通过对细胞进行加热以观察温热对细胞生长的抑制作用。常用的加热方法主要有金属模块加热，培养基加热，烘箱加热及水浴锅加热等，但是这些加热方法均有其局限性。Koji Orihara等通过将细胞置于高于常规温度的培养箱中来观察长期温热作用对细胞的影响，但是采用长期温热作用的方法不太适合于短期的治疗；Masao Hamuro等通过水浴加热的方式对细胞进行加热。但是这种加热方式下，细胞受热不均匀，且由于水浴锅内温度分布亦不均匀，其对加热温度控制的准确性也会有所欠缺，从而导致实验结果出现跳动。
以上方法均是对全部细胞在宏观尺度上进行加热，通过上述加热方法可以观察到温热处理对细胞产生的直接影响，这些影响包括细胞形态改变，细胞凋亡，坏死，对细胞增殖的抑制，影响细胞周期及一些细胞因子的表达。而随着分子生物学的深入发展，对单个细胞的微尺度的物理刺激，可以达到单细胞水平的生物调控。然而，Takatoki Yamamoto等设计的加热与细胞培养分离的微反应阵列，可进行一系列蛋白质相关的实验。但是由于实验对操作及环境的要求较高，以及系统微型化也会带来一些局限性，导致反应阵列对其表面物理及化学性质的变化十分敏感。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种细胞微尺度加热培养控制装置，用以解决上述问题，实现通过微尺度对局部细胞进行加热，进而实现在其它条件相同的情况下对加热细胞和不加热细胞的生长进行研究。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种细胞微尺度加热培养控制装置，包括细胞微尺度加热培养装置、加热控制系统和加热电源，所述细胞微尺度加热培养装置用于培养细胞，所述加热控制系统用于实现对细胞微尺度加热培养装置上的细胞培养温度的微尺度控制，所述加热电源用于对加热控制系统进行供电，其特征在于，所述细胞微尺度加热培养装置包括电极层，所述电极层用以对培养的细胞根据需要进行加热，并且所述电极层采用了具有生物兼容性的透明ITO导电玻璃材料。
优选地，所述细胞微尺度加热培养装置还包括培养皿、热电偶、PDMS硅橡胶层、培养皿底座，在所述培养皿内从下刀上依次为电极层、PDMS硅橡胶层，待培养的细胞放置在PDMS硅橡胶层上，所述热电偶设置在电极层下面并与电极层有一定距离用以检测电极层上的加热微电极的加热温度进而反应出PDMS硅橡胶层上细胞的培养温度，所述培养皿放置在培养皿底座上，并在所述加热微电极下侧设置有接线端。
优选地，在所述培养皿底座上刻录有电极引线和温度传感器引线，并且电极引线和温度传感器引线汇集到培养皿底座一侧的接线口，当培养皿放在培养皿底座上时，所述接线端和热电偶将分别与电极引线和温度传感器引线自动连接。
优选地，所述电极层上有多个加热微电极，每个加热微电极的加热直径小于0.5mm的范围，而该范围之外的温度保持不变；并且在每个加热微电极周围的热电偶为多个。
优选地，所述加热控制系统包括微处理器控制电路、数据采集电路、电压电流反馈电路、可控恒流源电路，所述数据采集电路用以采集热电偶反馈的加热微电极的加热温度以及电压电流反馈电路反馈的实时的加热电压和加热电流，所述微处理器控制电路用以根据数据采集电路采集的加热温度、加热电压和加热电流进行控制算法处理后输出控制信号以控制可控恒流源电路输出的电压和电流，从而控制加热微电极的加热温度，使PDMS硅橡胶层上细胞的培养温度恒定或者使培养温度根据需要而变化。
优选地，所述可控恒流源电路包括多路独立可控的恒流源，微处理器控制电路能够对任一路恒流源进行控制或者对多路恒流源同时进行相同或者不同的控制，进而在同一个细胞微尺度加热培养装置中能够实现同时在不同温度下对细胞的培养。
优选地，所述加热控制系统还包括显示控制模块，所述显示控制模块用于设置对哪个或者哪几个加热微电极进行控制、该加热微电极的目标温度、加热速率以及加热时间，并实时显示该加热微电极的加热温度、加热电压、加热电流。
优选地，所述加热控制系统还包括通信电路，所述微处理器控制电路能够通过通信电路将实时的参数发送到PC端。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)细胞微尺度加热培养装置采用了透明ITO材料制成的多个微小加热微电极，能够在同一培养条件下，实现微小区域内细胞的不同加热培养，同时，非常方便的实现在其他同等环境下，研究不同加热条件与不同的培养温度对于细胞生长的影响。
(2)采用上述方法设计的培养系统与加热微电极能够使得在在加热目标区域内，加热更加均匀，且加热可控性好；以及加热微电极采用的是透明的ITO材料，能够实现在细胞生长环境内培养的同时，在显微镜下观察不同加热条件下，细胞的生长过程。
(3)同时在细胞微尺度加热培养装置上设置有微小热电偶，加热控制系统能够根据热电偶反馈的温度调节加热微电极的电压和电流进行实时控制，保证加热过程的稳定性与可靠性；
(4)加热控制系统还包括显示控制模块，操作者能够方便地根据需要输入相应的参数，同时也能够实现地显示相应的参数。
附图说明
图1是本发明的一个优选实施例的结构原理图
图2是本发明的一个优选实施例的细胞微尺度加热培养装置的结构示意图
图3是本发明的一个优选实施例的一区域内多个有效的加热微电极排布阵列
图4是本发明的对不同的加热微电极进行不同的控制的微尺度加热云图
图5是常规培养皿和本发明的培养装置中乳腺癌细胞的生长情况
图6是本发明对细胞加热培养前后的细胞生长对比图
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
如图1所示的一种细胞微尺度加热培养控制装置，包括细胞微尺度加热培养装置1、加热控制系统2和加热电源3，细胞微尺度加热培养装置1和加热控制系统2电连接，加热电源3为细胞微尺度加热培养装置1和加热控制系统2供电。
如图2所示，细胞微尺度加热培养装置1包括培养皿11、电极层12、热电偶13、PDMS硅橡胶层14、培养皿底座15，在培养皿11内从下到上依次设置有热电偶13、电极层12、PDMS硅橡胶层14，电极层12用以对PDMS硅橡胶层14进行加热，PDMS硅橡胶层14用于放置待培养的细胞，在培养皿11的下表面设置有接线端122。热电偶13的一部分位于培养皿11下表面，在电极层12的下面且距离一定位置处，热电偶13用以检测电极层12的加热温度进而确定PDMS硅橡胶层14上的细胞的培养温度。
培养皿11放置在培养皿底座15上。在培养皿底座15上面刻录有电极引线和温度传感器引线，在培养皿11放置在培养皿底座15上后，接线端122和热电偶13分别与电极引线和温度传感器引线连接，电极引线和温度传感器引线以及其它的引线汇集到位于培养皿底座15上的接线口151。
电极层12由多个微小的加热微电极，在每个加热微电极的下面都布置有多个热电偶，用以使获取的温度更加准确。
电极层12采用ITO导电玻璃，其通过微流控制技术将ITO材料溅射到具有良好导热性能的玻璃上制成，每个ITO导电玻璃上有多个微小的加热微电极，图3示出了一区域内的多个有效的加热微电极的排布阵列。采用ITO导电玻璃一方面保证每个加热微电极都很小，使得每个加热微电极的加热直径小于0.5mm且此范围外的温度保持不变，同时，采用透明玻璃能够在培养细胞的同时对细胞进行观察。
如图1所示，加热控制系统2包括微处理器控制电路21、数据采集电路22、电压电流反馈电路23、可控恒流源电路24、显示控制模块25。数据采集电路用以采集热电偶13反馈的每一个加热微电极的加热温度以及电压电流反馈电路23反馈的实时加热的电压和电流(也可以为功率)，微处理器控制电路21用以根据数据采集电路采集的加热温度、电压和电流进行控制算法处理后输出控制信号以控制可控恒流源电路24输出的电压和电流，从而控制加热微电极进而控制PDMS硅橡胶层14上细胞的培养温度，使培养温度恒定或者使培养温度根据需要而变化。
可控恒流源电路24包括多个独立的恒流源，微处理器控制电路21可以对每个恒流源输出的电流和电压进行单独控制，进而能够对每个加热微电极进行单独控制，从而能够实现对单个加热微电极进行控制或者同时对多个加热微电极进行不同的控制。
显示控制模块25用于设置对哪个或者哪几个加热微电极进行控制、该加热微电极的目标温度、加热速率以及加热时间等，同时还可以实时显示该加热微电极的温度和加热电压、电流、功率、阻抗等相关信息。
进一步，显示控制模块25包括触摸屏，触摸屏输入和显示相应的参数，触摸屏可以为电阻屏也可以为电容屏。
加热控制系统2还包括通信电路，通信电路可以通过无线或有线的方式将实时采集的加热数据传输到PC机上用于后期的数据分析。
将细胞微尺度加热培养装置1的接线口151通过数据线与加热控制系统2相连就可以实现对细胞的微尺度加热培养。采用细胞微尺度加热培养装置1进行加热后，采用热红外摄像仪(IR)拍摄的微尺度加热云图如图4所示。从图4中可以看出本发明所提供的系统能够分别控制不同电极的加热范围与加热温度云图，并且加热比较集中，对周围环境温度的影响比较小。
为验证本发明的一种细胞微尺度加热培养控制装置的可行性，分别进行了一下两个测试：
测试一
将人体乳腺癌细胞(MDA-MB-231)分别在涂敷有本发明的培养皿和常规培养皿中进行培养，对比观察了传代72小时的生长情况，从图5中可以看出细胞在两种培养皿中的生长状态无论从细胞形态还是细胞数量上，都没有显著差异。因此，本研究所设计的培养皿可以取代传统培养皿
测试二
由于在测试一的结果中可知，本发明的培养皿适用于细胞的培养，在这基础上，进行了温热对细胞培养的影响的测试，分别记录了细胞在加热前与加热培养后一天的生长情况，如图6所示。将细胞加热前后的图片进行二值化，结果如图6的b1、b2所示，然后计算出白色区域的尺寸，即为细胞密度。从而得出加热前后的细胞密度为加热前0.2783，加热后0.2072，因此，可以看出温热能够抑制细胞的生长。
综上所述，在本发明中，细胞微尺度加热培养装置1中设置了多个微小的加热微电极，每个加热微电极的加热直径小于0.5mm而不影响范围之外的细胞培养温度，实现了微尺度细胞加热培养，进而能够控制不同的加热微电极来根据需要同时对不同温度的细胞进行观察，这样能够保证除了温度之外其他的培养环境完全一样，能够保证研究数据的有效性。
同时加热控制系统2能够获取细胞微尺度加热培养装置1的实时温度以及加热微电极的实时电压和电流，并且对获取的数据进行分析，根据分析结果发出相应的控制信号，进而实现了闭环控制，保证了细胞微尺度加热培养装置1中培养温度的稳定性，保证研究数据的真实可靠。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (3)

1.一种细胞微尺度加热培养控制装置，包括细胞微尺度加热培养装置、加热控制系统和加热电源，所述细胞微尺度加热培养装置用于培养细胞，所述加热控制系统用于实现对细胞微尺度加热培养装置上的细胞培养温度的微尺度控制，所述加热电源用于对加热控制系统进行供电，其特征在于，所述细胞微尺度加热培养装置包括电极层，所述电极层用以对培养的细胞根据需要进行微尺度加热，并且所述电极层采用了具有生物兼容性的透明ITO导电玻璃材料；
所述细胞微尺度加热培养装置还包括培养皿、热电偶、PDMS硅橡胶层、培养皿底座，在所述培养皿内从下到上依次为热电偶、电极层、PDMS硅橡胶层，待培养的细胞放置在PDMS硅橡胶层上，所述热电偶设置在电极层下面并与电极层有一定距离用以检测电极层上的加热微电极的加热温度进而反映出PDMS硅橡胶层上细胞的培养温度，所述培养皿放置在培养皿底座上，并在所述加热微电极下侧设置有接线端；
在所述培养皿底座上刻录有电极引线和温度传感器引线，并且电极引线和温度传感器引线汇集到培养皿底座一侧的接线口，当培养皿放在培养皿底座上时，所述接线端和热电偶将分别与电极引线和温度传感器引线自动连接；
所述电极层上有多个加热微电极，每个加热微电极的加热范围为直径小于0.5mm的范围，而该范围之外的温度保持不变；并且在每个加热微电极周围的热电偶为多个；
所述加热控制系统包括微处理器控制电路、数据采集电路、电压电流反馈电路、可控恒流源电路，所述数据采集电路用以采集热电偶反馈的加热微电极的加热温度以及电压电流反馈电路反馈的实时的加热电压和加热电流，所述微处理器控制电路用以根据数据采集电路采集的加热温度、加热电压和加热电流进行控制算法处理后输出控制信号以控制可控恒流源电路输出的电压和电流，从而控制加热微电极的加热温度，使PDMS硅橡胶层上细胞的培养温度恒定或者使培养温度根据需要而变化；
所述可控恒流源电路包括多路独立可控的恒流源，微处理器控制电路能够对任一路恒流源进行控制或者对多路恒流源进行不同的控制，进而在同一个细胞微尺度加热培养装置中能够实现同时在不同温度下对细胞的培养。
2.如权利要求1所述的一种细胞微尺度加热培养控制装置，其特征在于，所述加热控制系统还包括显示控制模块，所述显示控制模块用于设置对哪个或者哪几个加热微电极进行控制、该加热微电极的目标温度、加热速率以及加热时间，并实时显示该加热微电极的加热温度、加热电压、加热电流。
3.如权利要求1的一种细胞微尺度加热培养控制装置，其特征在于，所述加热控制系统还包括通信电路，所述微处理器控制电路能够通过通信电路将实时的参数发送到PC端。
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