CN106479890B - 细胞三维培养自动化发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种细胞三维培养自动化发生装置，包括机壳，其内隔离设置有工作室和贮藏室，所述机壳上端设置有触控屏，所述贮藏室中设置有可编程的高压电源；负极板，承载盐溶液的培养皿放置在所述负极板上；第一机械臂，其上绝缘设置有针卡，所述针卡中安装有注射针头；第二机械臂，其前侧设置有注射器，所述注射器的推进端与所述第二机械臂的活动端接触，所述注射器通过导管与所述注射针头连接；其中，所述针卡与所述高压电源导电连接，所述第一机械臂、第二机械臂以及高压电源受所述触控屏控制。本发明提供一种安全可靠、高效便捷、可满足不同领域研究人员的细胞三维培养自动发生装置。

Description

细胞三维培养自动化发生装置

技术领域

本发明涉及细胞生物学、组织工程与生物材料及生物技术领域，具体涉及一种用于细胞三维培养的自动化发生装置。

背景技术

众所周知细胞三维培养技术相对于传统的二维培养存在着诸多的优势，研究人员从代谢组学、蛋白表达、核酸水平上都证实了这一结论，但在组织工程、生物材料及细胞生物学等生物技术领域，常使用细胞的三维培养技术，而生物学研究人员常由于缺乏生物材料方面的知识仍采用传统的二维细胞培养模型进行研究，或者借助于市场上的水凝胶等简单的三维细胞培养产品进行，不仅价格昂贵还存在诸多弊端。

因此组织工程和生物材料研究者采用价格便宜生物相容性较好具有诸多优势的海藻酸盐基水凝胶进行三维培养，但往往缺乏专业的工具，三维培养支架的尺度过大造成三维支架中心的细胞和支架边沿的细胞由于传质不均匀因素造成研究模型的不科学。

发现问题后先进的研究团队开始自行搭建三维培养发生装置，但往往由于缺乏专业知识，装置的搭建采用半自动开放式拼凑，费时费力，而且涉及高压电源，具有一定的危险性。因此有必要研发一种安全的自动化的三维培养发生装置。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种安全可靠、高效便捷、可满足不同领域研究人员的细胞三维培养自动发生装置。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种细胞三维培养自动化发生装置，包括：

机壳，其内隔离设置有工作室和贮藏室，所述机壳上端设置有触控屏，所述贮藏室中设置有可编程的高压电源；

负极板，其设置在所述工作室的底部，承载盐溶液的培养皿放置在所述负极板上；

第一机械臂，其纵向设置在所述工作室的侧壁上，所述第一机械臂的活动端上绝缘设置有针卡，所述针卡中安装有注射针头；以及

第二机械臂，其横向设置在所述工作室上端的所述贮藏室中，所述第二机械臂前侧设置有卡槽板，所述卡槽板上设置有承载有生物材料和细胞的注射器，所述注射器的推进端与所述第二机械臂的活动端接触，所述注射器通过导管与所述注射针头连接；

其中，所述针卡与所述高压电源导电连接，所述第一机械臂、第二机械臂以及高压电源受所述触控屏控制。

优选的，所述贮藏室内设置有开关电源、单片机以及电机驱动器，所述触控屏、电机驱动器、第一机械臂、第二机械臂以及高压电源分别与所述单片机连接，所述开关电源分别与所述电机驱动器、单片机、触控屏连接。

优选的，所述机壳上端设置有斜面，所述触控屏设置在所述斜面上，所述机壳的前门由透明绝缘材料制成，所述前门的内侧壁上横向设置一导电的支持板，当前门关闭后，所述支持板位于所述负极板上端，所述支持板上表面带有不同尺寸的培养皿凹槽，所述培养皿放置在所述支持板上。

优选的，所述负极板通过一绝缘板设置在所述工作室底部，所述负极板与地线连接。

优选的，所述工作室上端设置有紫外杀菌灯，所述紫外杀菌灯分别与所述开关电源和单片机连接。

优选的，所述第一机械臂包括：

第一导轨支架，其纵向设置在所述工作室侧壁上，所述第一导轨支架上纵向设置有第一螺杆；

第一电机，其设置在所述第一导轨支架的上端，所述第一电机与所述电机驱动器电连接，所述第一电机的输出轴与所述第一螺杆连接；以及

悬臂支架，其螺纹套设在所述第一螺杆上，所述悬臂支架通过第一滑块设置在所述第一导轨支架的导轨上。

优选的，所述针卡通过一绝缘片横向连接在所述悬臂支架上，所述针卡上设置有一旋紧机构，所述注射针头通过所述旋紧机构固定在所述针卡上。

优选的，所述第二机械臂包括：

第二导轨支架，其横向设置在所述第一机械臂上端，所述第二导轨支架上横向设置有第二螺杆；

第二电机，其设置在所述第二导轨支架一侧，所述第二电机与所述电机驱动器电连接，所述第二电机的输出轴与所述第二螺杆连接；以及

推动板，其螺纹套设在所述第二螺杆上，所述推动板通过第二滑块设置在所述第二导轨支架的导轨上。

优选的，所述卡槽板上横向开设有一弧形凹槽，所述弧形凹槽的一端纵向设置有一卡槽，所述注射器针筒设置在所述弧形凹槽内，所述注射器的针筒座卡设在所述卡槽中，所述注射器的活塞柄抵靠在所述推动板上。

优选的，所述弧形凹槽外侧的卡槽板上旋转设置有一用于将所述针筒固定在所述弧形凹槽内的拨片。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明提供的用于细胞三维培养自动化发生装置，通过单片机控制高压电源电压和步进电机实现对高压静电场的控制进而控制三维培养生物材料尺度，通过将工作室封闭在隔离空间内并在实验进行前进行程序控制的紫外杀菌进一步确保实验过程的无菌程度，通过单片机控制步进电机以设定的速度进行推进，实验前只需将装有生物材料和细胞混合液的注射器放置并固定、设定实验参数就可以自动化完成三维培养发生，实现了自动化培养过程，避免三维培养支架的尺度过大造成三维支架中心的细胞和支架边沿的细胞由于传质不均匀因素造成研究模型的不科学，整个实验过程安全可靠、高效便捷，可满足不同领域研究人员三维培养的需求，符合生物材料学和细胞生物学的发展方向。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是本发明所述用于细胞三维培养自动发生装置的外部结构示意图；

图2是本发明所述用于细胞三维培养自动发生装置的内部结构示意图；

图3是本发明所述用于细胞三维培养自动发生装置的三维培养发生工作室的结构示意图；

图4是本发明所述用于细胞三维培养自动发生装置的针头升降系统的结构示意图；

图5是本发明所述用于细胞三维培养自动发生装置的注射器推进系统的结构示意图；

图6是本发明所述用于细胞三维培养自动发生装置的负极分层结构示意图；

图中：01触控屏；02第二电机；03第一导轨支架；04培养皿；05底座脚；06高压电源；07开关电源；08单片机；09紫外杀菌灯；10电机驱动器；11电源开关；12拨片；13悬臂支架；14支持板；15绝缘板；16注射针头；17卡槽板；18推动板；19仪器上盖板；20第一导轨；21第一螺杆；22绝缘片；23注射针头固定栓；24针卡；25负极板；26侧壁板；27拉手；28透明前门；29第一电机；30第二导轨支架；31第二导轨；32第二螺杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

实施例一

如图1-6所示，本发明提供一种细胞三维培养自动化发生装置，包括内部隔离设置有工作室和贮藏室的机壳，机壳由仪器上盖板19、侧壁板26、后面板、底板以及前门28构成，底板下端通过底座脚05支撑，前门上设置有拉手27，所述仪器上盖板19设置有斜面，具体的，仪器上盖板19成折线状，所带斜面处带有触摸屏01放置的槽，方便触摸显示屏放置，复合人体工程学，触控屏01设置在斜面上的槽中，方便观察操作，机壳的前门28由透明绝缘材料制成，以加强绝缘强度，同时方面操作人员观察到工作室内的实验情况。

工作室内设置有用于调节注射针头16高度的第一机械臂，工作室上端的贮藏室内设置有用于控制注射器推进速度、位移的第二机械臂，工作室底部设置有放置培养皿04的负极板25。

贮藏室内设置有开关电源07、单片机08、电机驱动器10以及可编程的高压电源06，触控屏01、电机驱动器10、第一机械臂、第二机械臂以及高压电源06分别与单片机08连接，开关电源07分别与电机驱动器10、单片机08、触控屏01连接，提供电源，机壳前侧设置有与开关电源07的电源开关11，操作时，打开电源开关11，装置上电，在触控屏01上分别对电机驱动器10、第一机械臂、第二机械臂以及高压电源06进行控制，以实现自动化操作，为操作者提供便捷。

第一机械臂纵向设置在侧壁板26内侧壁上，第一机械臂包括：第一导轨支架03、第一电机29、悬臂支架13，第一导轨支架03纵向设置在工作室侧壁上，第一导轨支架03上纵向设置有第一导轨20和第一螺杆21，第一电机29设置在第一导轨支架03的上端，第一电机29与电机驱动器10电连接，单片机08通过电机驱动器10来控制第一电机29的运行状态，第一电机29为步进电机，第一电机29的输出轴与第一螺杆21连接；悬臂支架13螺纹套设在第一螺杆21上，悬臂支架13通过第一滑块设置在第一导轨20，第一电机29驱动悬臂支架13在第一导轨20上纵向移动。悬臂支架13上横向连接有一绝缘片22，绝缘片22末端设置有针卡24，针卡24上设置有一注射针头固定栓23，针卡24中纵向设置有一钢制的注射针头16，注射针头16通过注射针头固定栓23固定在针卡24中，针卡24与高压电源06导电连接，为针卡24及注射针头16提供高电压，第一电机29控制注射针头16与负极板25之间的距离。

第二机械臂横向设置在工作室上端的贮藏室中，第二机械臂前侧设置有卡槽板17，卡槽板17上设置有承载有生物材料和细胞的注射器，注射器的推进端与第二机械臂的活动端接触，注射器通过导管与注射针头连接，第二机械臂将注射器中的细胞推送到带有高压的注射针头16中，进而滴入到培养皿04中进行细胞的三维培养。

第二机械臂包括：第二导轨支架30、第二电机02、推动板18，第二导轨支架30横向设置在第一机械臂上端的贮藏室中，第二导轨支架30上横向设置有第二导轨31和第二螺杆32；第二电机02设置在第二导轨支架30一侧，第二电机02与电机驱动器10电连接，第二电机02为步进电机，单片机08通过电机驱动器10来控制第二电机02的运行状态，第二电机02的输出轴与第二螺杆32连接；推动板18螺纹套设在第二螺杆32上，推动板18通过第二滑块设置在第二导轨31，第二电机02驱动推动板18在第二导轨31上左右移动。

卡槽板17上横向开设有一弧形凹槽，弧形凹槽的一端纵向设置有一卡槽，注射器的针筒设置在弧形凹槽内，注射器的针筒座卡设在所述卡槽中，限制针筒的左右移动，弧形凹槽应用于不同型号的针筒，将针筒放置在弧形凹槽中，限制针筒的上下移动，同时在弧形凹槽外侧的卡槽板17上旋转设置有一用于将针筒固定在弧形凹槽内的拨片12，拨片将注射器主体位置固定，拨片后方采用弹簧具有一定的前后移动性，方便不同规格的注射器放置固定。当装载有生物材料和细胞的注射器针筒放置在弧形凹槽，且把针筒座卡设在所述卡槽中后，旋转拨片12，将针筒位置锁定在卡槽板17上，所述注射器的活塞柄抵靠在所述推动板18上，推动板18推动活塞柄移动，以控制注射器的推进速度、位移。

工作时，将承载盐溶液的培养皿放置在负极板上，注射器通过导管与注射针头连通，关闭前门，在触控屏上设定实验的参数值，具体设置第二电机的推进速度，运行距离，高压电源的电压值，设置第一电机的初始位置，单片机根据设定的参数值自动调整高压电源的电压值、注射针头的高度值、注射器的推进速度和位移，然后启动，第一电机根据设定的参数值以及高压电源的电压值，自动调整悬臂支架连带注射针头的上下高度，具体控制注射针头下端距离负极板的高度以及控制注射针头下端距离培养皿中盐溶液液面的高度，协同控制注射针头到负极板之间的静电场场强，可选择不用尺寸精度的注射器和注射针头，配合电场的控制来实现不同尺寸三维培养微囊的尺寸及产生速度，同时，第二电机根据设定的参数值以及高压电源的电压值，自动调整承载有生物材料和细胞混合液注射器的推进速度、位移，使得形成的细胞三维支架尺寸满足需求，避免了现有半自动或手动细胞三维培养装置培养的三维培养支架的尺度过大造成三维支架中心的细胞和支架边沿的细胞由于传质不均匀因素造成研究模型的不科学。本发明提供的用于细胞三维培养自动发生装置，安全可靠、高效便捷，可满足不同细胞与不同生物材料组合进行微米级三维培养发生需求，符合生物材料学和细胞生物学的发展方向。

实施例二

在实施例一的基础上，如图6所示，在前门的内侧壁上横向设置一导电的支持板14，当前门关闭后，支持板14正好位于负极板25上端，支持板14上表面带有不同尺寸的培养皿凹槽，培养皿放置在支持板上，通过开关门实现培养皿的放置和取出，支持板带有不同规格培养皿凹槽，保证培养皿不会滑落。负极板14通过一绝缘板15设置在工作室底部，以加强绝缘强度，同时负极板25与地线连接，增加安全性。

实施例三

在实施例一的基础上，如图2所示，工作室上端设置有紫外杀菌灯09，紫外杀菌灯分别与开关电源和单片机连接，开机时，紫外杀菌灯自动进入杀菌程序，减少工作室内的污染源，杀菌程序自动结束，机器进入待工作状态，通过控制触控屏进行自动化的细胞三维培养过程。

细胞三维培养自动化发生装置包括：机壳，其内部呈中空状；紫外杀菌灯，置于操作空间内，开机后，紫外杀菌灯自动进入杀菌程序，自动结束，机器进入待工作状态；步进电机，本产品设有两个步进电机，上方水平放置的第二电机通过编程控制注射器注入速度，竖直放置的第二电机可以调节高压注射针头悬臂的高度；单片机，写有控制软件，可通过触摸显示屏输入高压电源电压，步进电机运动位移及速度，协同形成高压静电场，可以控制注射器推进速度，位移。三维培养基于海藻酸盐基水凝胶进行，复合的材料包括透明质酸，胶原、明胶、壳聚糖、多肽、抗体等。三维培养自动发生装置基于高压静电场、表面张力和注射泵推动作用下完成微米级水凝胶微球的制备，生物材料和细胞的混合液置于注射器中，并通过步进电机程序控制推进，加到高压静电场中进行。

细胞三维培养自动化发生装置配有隔离工作室，工作室实验情况可通过装置透明前门进行观察，工作室有自动杀菌功能，尽可能的保证实验区的洁净。

三维培养自动化发生装置基于STM32F407系列芯片实现了硬件平台的嵌入式控制系统设计，主要包括硬件的电气控制和交互式的图形用户界面两部分。本产品涉及到的硬件主要有紫外线杀菌灯、步进电机、高压电源和电容式触摸液晶显示屏，通过程序可以控制高压电源电压，紫外灯，步进电机协同进行操作。在设备启动的初始设定时间内，会自动开启和关闭紫外线灯进行杀菌；在电机的控制方面，通过PWM脉宽调制来产生步进电机的脉冲信号，控制其脉冲信号的频率和个数来精确控制电机的转速和位移；为了抑制共模干扰的影响，高压电源的通讯方式则采用了能够平衡发送和差分接收的RS-485串行总线标准，保证了输出高压的稳定性；在软件的用户界面方面，为了实现用户对于电机的转速、位移以及高压输出的控制和读取，设计了人性化的交互式用户界面，用户可以通过触摸式液晶显示屏方便快捷地对相关参数进行设置，并能够对客户的设置实时进行响应，因此本产品具有较好的实时性。

由上所述，本发明提供的用于细胞三维培养自动化发生装置，通过单片机控制高压电源电压和步进电机实现对高压静电场的控制进而控制三维培养生物材料尺度，通过将工作室封闭在隔离空间内并在实验进行前进行程序控制的紫外杀菌进一步确保实验过程的无菌程度，通过单片机控制步进电机以设定的速度进行推进，实验前只需将装有生物材料和细胞混合液的注射器放置并固定、设定实验参数就可以自动化完成三维培养发生，实现了自动化培养过程，避免三维培养支架的尺度过大造成三维支架中心的细胞和支架边沿的细胞由于传质不均匀因素造成研究模型的不科学，整个实验过程安全可靠、高效便捷，可满足不同领域研究人员三维培养的需求，符合生物材料学和细胞生物学的发展方向。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种细胞三维培养自动化发生装置，其特征在于，包括：

机壳，其内隔离设置有工作室和贮藏室，所述机壳上端设置有触控屏，所述贮藏室中设置有可编程的高压电源；

负极板，其设置在所述工作室的底部，承载盐溶液的培养皿放置在所述负极板上；

第一机械臂，其纵向设置在所述工作室的侧壁上，所述第一机械臂的活动端上绝缘设置有针卡，所述针卡中安装有注射针头；以及

第二机械臂，其横向设置在所述工作室上端的所述贮藏室中，所述第二机械臂前侧设置有卡槽板，所述卡槽板上设置有承载有生物材料和细胞的注射器，所述注射器的推进端与所述第二机械臂的活动端接触，所述注射器通过导管与所述注射针头连接；

其中，所述针卡与所述高压电源导电连接，所述第一机械臂、第二机械臂以及高压电源受所述触控屏控制；

其中，所述第一机械臂包括：

第一导轨支架，其纵向设置在所述工作室侧壁上，所述第一导轨支架上纵向设置有第一螺杆；

第一电机，其设置在所述第一导轨支架的上端，所述第一电机与所述电机驱动器电连接，所述第一电机的输出轴与所述第一螺杆连接；以及

悬臂支架，其螺纹套设在所述第一螺杆上，所述悬臂支架通过第一滑块设置在所述第一导轨支架的导轨上；

所述第二机械臂包括：

第二导轨支架，其横向设置在所述第一机械臂上端，所述第二导轨支架上横向设置有第二螺杆；

第二电机，其设置在所述第二导轨支架一侧，所述第二电机与所述电机驱动器电连接，所述第二电机的输出轴与所述第二螺杆连接；以及推动板，其螺纹套设在所述第二螺杆上，所述推动板通过第二滑块设置在所述第二导轨支架的导轨上。

2.如权利要求1所述的细胞三维培养自动化发生装置，其特征在于，所述贮藏室内设置有开关电源、单片机以及电机驱动器，所述触控屏、电机驱动器、第一机械臂、第二机械臂以及高压电源分别与所述单片机连接，所述开关电源分别与所述电机驱动器、单片机、触控屏连接。

3.如权利要求2所述的细胞三维培养自动化发生装置，其特征在于，所述工作室内设置有受所述单片机控制的紫外杀菌灯，所述紫外杀菌灯与所述开关电源连接。

4.如权利要求3所述的细胞三维培养自动化发生装置，其特征在于，所述机壳上端设置有斜面，所述触控屏设置在所述斜面上，所述机壳的前门由透明绝缘材料制成，所述前门的内侧壁上横向设置一导电的支持板，当前门关闭后，所述支持板位于所述负极板上端，所述支持板上表面带有不同尺寸的培养皿凹槽，所述培养皿放置在所述支持板上。

5.如权利要求4所述的细胞三维培养自动化发生装置，其特征在于，所述负极板通过一绝缘板设置在所述工作室底部，所述负极板与地线连接。

6.如权利要求5所述的细胞三维培养自动化发生装置，其特征在于，所述针卡通过一绝缘片横向连接在所述悬臂支架上，所述针卡上设置有一旋紧机构，所述注射针头通过所述旋紧机构固定在所述针卡上。

7.如权利要求6所述的细胞三维培养自动化发生装置，其特征在于，所述卡槽板上横向开设有一弧形凹槽，所述弧形凹槽的一端纵向设置有一卡槽，所述注射器针筒设置在所述弧形凹槽内，所述注射器的针筒座卡设在所述卡槽中，所述注射器的活塞柄抵靠在所述推动板上。

8.如权利要求7所述的细胞三维培养自动化发生装置，其特征在于，所述弧形凹槽外侧的卡槽板上旋转设置有一用于将所述针筒固定在所述弧形凹槽内的拨片。