CN107904171A - 用于模拟微重力‑压向应力联合刺激的细胞培养装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于模拟微重力‑压向应力联合刺激的细胞培养装置及方法，包括细胞培养单元、压力监测单元、微重力模拟单元和控制单元，所述压力监测单元和微重力模拟单元设于细胞培养单元上，压力监测单元和微重力模拟单元与控制单元电连接，该发明通过控制培养瓶内的压力和培养瓶旋转微重力，用于细胞在常压、高压或低压等不同压向应力与模拟微重力联合作用的情况下进行细胞培养研究，还可用于常压力、高压力、低压力或模拟微重力单独作用时的力学效应细胞学研究。
Description
技术领域
本发明涉及细胞培养装置，具体涉及一种用于模拟微重力-压向应力联合刺激的细胞培养装置及方法。
背景技术
人体各生理系统的形态、结构和功能都已适应了地球正常重力条件，当航天员进入太空后，微重力则是一种全新的力学环境，长时间的重力消失将会引起人体心血管系统、骨骼肌肉系统等发生一系列改变，严重危害航天员的健康和妨碍航天任务的完成。因此，开展相关研究探讨微重力对人体的生物学影响及进程，特别是在细胞水平和分子水平深入研究其发生机制，进而提出针对性的防护措施十分必要。然而，由于载人航天的限制，采用太空搭载细胞学样本的方法大规模开展相关研究不现实，且航天飞行中还存在辐射等难以获得单纯的微重力环境实验条件。因此，利用地面模拟微重力设备开展细胞学研究作为航天搭载实验的补充已被广泛采用。
目前国内外广泛采用回转器在地面上模拟细胞水平的微重力效应。以回转器对细胞行模拟微重力效应时，虽然整个系统仍然处于地球重力场中，但由于重力始终指向地心，且回转器连同贴壁细胞处于不间断的水平转动体系中，因此，对于每个细胞而言，其单位时间内各个方向上重力的矢量和为零，细胞无法对某一方向上的重力做出反应，从而模拟了在太空飞行情况下细胞的微重力生物学效应。然而，目前这种回转器仅能实现常压状态下的细胞模拟微重力，无法模拟航天飞行条件下机体不同部位的细胞复杂压力变化的真实状态，限制了其应用范围。
人体在地面正常重力和航天微重力环境下，以心血管系统为例，其血液动力学的主要区别是血液柱流体静压的改变。在地球正常1G重力环境中，由于血液柱的重量会使血液产生流体静压，且其方向指向地心，因此，机体直立位的流体静压值为由头向足呈现梯度性增大，即直立状态下机体头部血压低于足部血压。然而，当人体进入太空后，微重力环境会引起血液柱流体静压的消失，表现为机体头部和足部的流体静压值大小相等，从而引起机体心血管系统中血液分布的改变：主要表现为血液向机体上半身转移并且淤积，引起机体上半身血管充盈，此时血管内皮细胞及平滑肌细胞处于高压力状态，出现类似“血压增高”的效应；而下半身血液分布则相对减少，血管内皮细胞及平滑肌细胞处于低压力状态，出现类似“血压降低”的效应。
人体进入太空微重力环境后，机体组织器官的力学微环境也会随着重力的消失及血液重新分布而发生改变，进而引起组织器官的组成细胞所处压力环境与地面正常重力环境有所区别。由此可见，人体在太空微重力条件下机体细胞所处的压力环境并不是一成不变的，不同的组织细胞压力会出现较地面相比增高或降低的变化。然而，现有的回转器仅仅能够单一的模拟微重力环境，而无法实现在细胞水平模拟微重力复合压力的变化这一微环境。
发明内容
本发明的目的是克服现有的回转器仅仅能够单一的模拟微重力环境，而无法在细胞水平实现模拟微重力复合压力的变化这一微环境的技术问题，提供一种用于模拟微重力-压向应力联合刺激的细胞培养装置及方法。
本发明的技术方案是提供了一种用于模拟微重力-压向应力联合刺激的细胞培养装置，包括细胞培养单元、压力监测单元、微重力模拟单元和控制单元，所述压力监测单元和微重力模拟单元设于细胞培养单元上，压力监测单元和微重力模拟单元与控制单元电连接。
所述细胞培养单元包括培养箱，所述培养箱内设有培养瓶和储液罐，所述培养瓶分别通过注液泵和排液泵与储液罐连接进行注液和排液；
所述压力监测单元包括压力传感器，所述压力传感器设于培养瓶的内壁上；
所述微重力模拟单元包括固定架和电机，所述固定架设于培养箱内壁上，培养瓶固定于固定架上，固定架通过旋转轴与电机连接；
所述控制单元包括设于培养箱外部的控制器，所述注液泵和排液泵、压力传感器和电机都电连接于控制器。
所述控制器用于提供电源，同时接收信号并作出分析和控制。
所述培养箱内壁上设有保温层，所述恒温控制装置包括保温层，保温层内设有加热丝和冷凝器，保温层上还设有温度传感器，所述加热丝、冷凝器和温度传感器都电连接于控制器。
所述保温层上还设有超温保护器，该超温保护器电连接于控制器。
所述于培养箱内还设有照明灯和紫外消毒灯，照明灯和紫外消毒灯设于培养瓶上方，所述照明灯和紫外消毒灯电连接于控制器。
所述固定架上设有多个连接培养瓶的卡爪。
所述培养瓶的瓶颈和瓶身的连接处为可弯折结构，且瓶颈和瓶身之间的夹角能在90°~180°之间变换。
所述培养箱上设有可视窗口。
本发明还提供了一种用于模拟微重力-压向应力联合刺激的细胞培养方法，包括如下步骤：
步骤1、将贴壁细胞贴于培养瓶 的内壁上；
步骤2、在控制器上设定好注液泵和排液泵的流量、保温层的温度、电机的转速；
步骤3、控制器根据温度传感器传递的温度信息和设定温度值进行比较，控制加热丝加热或冷凝器降温，使得培养箱内的温度保持设定温度；
步骤4、控制器根据设定值通过电机控制培养瓶旋转，使得贴壁细胞处于微重力模拟状态；
步骤5、在控制器上变换注液泵和排液泵的流量，将储液罐内的液体通过注液泵或排液泵注入或者排出培养瓶，增大或减小培养瓶内的压力，使得贴壁细胞在不同压力和微重力状态下进行培养；
步骤6、培养完毕，取出贴壁细胞进行观察和研究。
本发明的有益效果：
本发明的这种用于模拟微重力-压向应力联合刺激的细胞培养装置及方法通过控制培养瓶内的压力和培养瓶旋转微重力，用于细胞在常压、高压或低压等不同压向应力与模拟微重力联合作用的情况下进行胞培养研究，还可用于常压力、高压力、低压力或模拟微重力单独作用的力学效应细胞学研究。而且该装置结构简单，操作方便，无毒性、适合贴壁细胞生长，所有部件均可清洗消毒后重复使用，并且培养的细胞量大，可供大样本实验，通控制器的自动控制便于操作，也保证压力和温度的精确。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明用于模拟微重力-压向应力联合刺激的细胞培养装置的结构示意图；
图2是本发明的电连接关系示意图。
附图标记说明：1、培养瓶；2a、注液泵；2b、排液泵；3、储液罐；4、培养箱；5、压力传感器；6、固定架；7、电机；8、控制器；9、保温层；10、加热丝；11、冷凝器；12、温度传感器；13、照明灯；14、紫外消毒灯。
具体实施方式
实施例1：
为了克服现有的回转器仅仅能够单一的模拟微重力环境，而无法在细胞水平实现模拟微重力复合压力的变化这一符合航天微环境的技术问题，本实施例提供了一种如图1所示的用于模拟微重力-压向应力联合刺激的细胞培养装置，包括细胞培养单元、压力监测单元、微重力模拟单元和控制单元，所述压力监测单元和微重力模拟单元设于细胞培养单元上，压力监测单元和微重力模拟单元与控制单元电连接。
进一步的，所述细胞培养单元包括培养箱4，所述培养箱4内设有培养瓶1和储液罐3，所述培养瓶1通过注液泵2a和排液泵2b与储液罐3连接进行注液和排液；
所述压力监测单元包括压力传感器5，所述压力传感器5设于培养瓶1的内壁上；
所述微重力模拟单元包括固定架6和电机7，所述固定架6设于培养箱4内壁上，培养瓶1固定于固定架6上，固定架6通过旋转轴与电机7连接，所述电机7可以设于培养箱4外部；
所述控制单元包括设于培养箱4外部的控制器8，所述注液泵2a和排液泵2b、压力传感器5和电机7都电连接于控制器8。
所述控制器8用于提供电源，同时接收信号并作出分析和控制。
将贴壁细胞贴于培养瓶1 的内壁上，控制器8通过控制电机7使培养瓶1旋转处于微重力状态，同时控制器8控制注液泵2a和排液泵2b实现培养液的注入和排出，实现培养瓶1内压力的平衡，本发明的这种用于模拟微重力-压向应力联合刺激的细胞培养装置通过控制培养瓶内的压力和培养瓶旋转微重力，用于细胞在常压、高压或低压等不同压向应力与模拟微重力联合作用的情况下进行细胞培养研究，还可用于常压力、高压力、低压力或模拟微重力单独作用时的力学效应细胞学研究。而且该装置结构简单，操作方便，无毒性、适合贴壁细胞生长，所有部件均可清洗消毒后重复使用，并且培养的细胞量大，可供大样本实验。
实施例2：
在实施例1的基础上，本实施例提供了一种用于模拟微重力-压向应力联合刺激的细胞培养装置，进一步的，所述培养箱4内壁上设有保温层9，所述保温层9内设有加热丝10和冷凝器11，保温层9上还设有温度传感器12，所述加热丝10、冷凝器11和温度传感器12都电连接于控制器8。温度传感器12实时监测温度并将信号传递给控制器8，当温度过低时，控制器8控制加热丝10进行加热升温，当温度过高或需要降温时，控制器8控制冷凝器11进行降温。
进一步的，为了防止温度过高，所述保温层9上还设有超温保护器，超温保护器电连接于控制器8，当温度传感器12检测到温度过高时，控制器8控制超温保护器工作，保持培养箱4内的温度。
实施例3：
在实施例1的基础上，本实施例提供了一种用于模拟微重力-压向应力联合刺激的细胞培养装置，所述于培养箱4内还设有照明灯13和紫外消毒灯14，照明灯13和紫外消毒灯14设于培养瓶1上方，所述照明灯13和紫外消毒灯14电连接于控制器8。照明灯13可以在不开启装置门的情况下观察培养箱4内的运行情况，紫外消毒灯14可以通过紫外线照射的方法，定期对整个培养箱4内进行消毒。
进一步的，为了便于观察，所述培养箱4上设有可视窗口。避免打开培养箱4后细菌进去影响细胞培养。
实施例4：
在实施例1的基础上，本实施例提供了一种用于模拟微重力-压向应力联合刺激的细胞培养装置，所述固定架6上设有多个连接培养瓶1的卡爪。设置多个卡爪，可同时装多个培养瓶，便于批量培养细胞。
实施例5：
在实施例1的基础上，本实施例提供了一种用于模拟微重力-压向应力联合刺激的细胞培养装置，所述培养瓶1的瓶颈和瓶身的连接处为可弯折结构，且瓶颈和瓶身之间的夹角能在90°~180°之间变换。
向培养瓶1内放置或取出细胞时，将培养瓶1的瓶颈和瓶身之间的夹角调节为180°，便于操作，当细胞培养完毕，倒出培养液时避免残留，方便清洁。当细胞培养过程中，将培养瓶1的瓶颈倾斜设置，夹角可在90°~180°之间变换，避免液体露出。
进一步的，为了保证密封效果，所述培养瓶1的瓶盖与瓶体的连接处设有硅胶垫。为了便于排出瓶体内的气泡，还可以在培养瓶1的瓶盖上还设有排气孔，可通过插入针头即可排气。
实施例6：
本实施例提供了一种用于模拟微重力-压向应力联合刺激的细胞培养方法，包括如下步骤：
步骤1、将贴壁细胞贴于培养瓶1 的内壁上；
步骤2、在控制器8上设定好注液泵2a和排液泵2b的流量、保温层9的温度、电机7的转速；
步骤3、控制器8根据温度传感器12传递的温度信息和设定温度值进行比较，控制加热丝10加热或冷凝器11降温，使得培养箱4内的温度保持设定温度；
步骤4、控制器8根据设定值通过电机7控制培养瓶1旋转，使得贴壁细胞处于微重力模拟状态；
步骤5、在控制器8上变换注液泵2a和排液泵2b的流量，将储液罐3内的液体通过注液泵2a或排液泵2b注入或者排出培养瓶1，增大或减小培养瓶1内的压力，使得贴壁细胞在不同压力和微重力状态下进行培养；
步骤6、培养完毕，取出贴壁细胞进行观察和研究。
另外，控制器8上设有显示模块，实时显示培养瓶内压力、培养箱内温度和电机转速等参数。
本发明的这种用于模拟微重力-压向应力联合刺激的细胞培养方法通过通过控制培养瓶内的压力和培养瓶旋转微重力，使得细胞在常压、高压或低压等不同压向应力与模拟微重力联合作用的情况下进行胞培养研究，克服现有的回转器仅仅能够单一的模拟微重力环境，而无法在细胞水平实现模拟微重力复合压力的变化这一符合航天微环境的技术问题，同时该方法还可用于常压力、高压力、低压力或模拟微重力单独作用的力学效应细胞学研究。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于模拟微重力-压向应力联合刺激的细胞培养装置，其特征在于：包括细胞培养单元、压力监测单元、微重力模拟单元和控制单元，所述压力监测单元和微重力模拟单元设于细胞培养单元上，压力监测单元和微重力模拟单元与控制单元电连接。
2.如权利要求1所述的用于模拟微重力-压向应力联合刺激的细胞培养装置，其特征在于：所述细胞培养单元包括培养箱（4），所述培养箱（4）内设有培养瓶（1）和储液罐（3），所述培养瓶（1）分别通过注液泵（2a）和排液泵（2b）与储液罐（3）连接进行注液和排液；
所述压力监测单元包括压力传感器（5），所述压力传感器（5）设于培养瓶（1）的内壁上；
所述微重力模拟单元包括固定架（6）和电机（7），所述固定架（6）设于培养箱（4）内壁上，培养瓶（1）固定于固定架（6）上，固定架（6）通过旋转轴与电机（7）连接；
所述控制单元包括设于培养箱（4）外部的控制器（8），所述注液泵（2a）和排液泵（2b）、压力传感器（5）和电机（7）都电连接于控制器（8）。
3.如权利要求2所述的用于模拟微重力-压向应力联合刺激的细胞培养装置，其特征在于：所述控制器（8）用于提供电源，同时接收信号并作出分析和控制。
4.如权利要求2所述的用于模拟微重力-压向应力联合刺激的细胞培养装置，其特征在于：所述培养箱（4）内壁上设有保温层（9），所述恒温控制装置包括保温层（9），保温层（9）内设有加热丝（10）和冷凝器（11），保温层（9）上还设有温度传感器（12），所述加热丝（10）、冷凝器（11）和温度传感器（12）都电连接于控制器（8）。
5.如权利要求4所述的用于模拟微重力-压向应力联合刺激的细胞培养装置，其特征在于：所述保温层（9）上还设有超温保护器，该超温保护器电连接于控制器（8）。
6.如权利要求2所述的用于模拟微重力-压向应力联合刺激的细胞培养装置，其特征在于：所述于培养箱（4）内还设有照明灯（13）和紫外消毒灯（14），照明灯（13）和紫外消毒灯（14）设于培养瓶（1）上方，所述照明灯（13）和紫外消毒灯（14）电连接于控制器（8）。
7.如权利要求2所述的用于模拟微重力-压向应力联合刺激的细胞培养装置，其特征在于：所述固定架（6）上设有多个连接培养瓶（1）的卡爪。
8.如权利要求2所述的用于模拟微重力-压向应力联合刺激的细胞培养装置，其特征在于：所述培养瓶（1）的瓶颈和瓶身的连接处为可弯折结构，且瓶颈和瓶身之间的夹角能在90°~180°之间变换。
9.如权利要求2所述的用于模拟微重力-压向应力联合刺激的细胞培养装置，其特征在于：所述培养箱（4）上设有可视窗口。
10.一种用于模拟微重力-压向应力联合刺激的细胞培养方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、将贴壁细胞贴于培养瓶1 的内壁上；
步骤2、在控制器（8）上设定好注液泵（2a）和排液泵（2b）的流量、保温层（9）的温度、电机（7）的转速；
步骤3、控制器（8）根据温度传感器（12）传递的温度信息和设定温度值进行比较，控制加热丝（10）加热或冷凝器（11）降温，使得培养箱（4）内的温度保持设定温度；
步骤4、控制器（8）根据设定值通过电机（7）控制培养瓶（1）旋转，使得贴壁细胞处于微重力模拟状态；
步骤5、在控制器（8）上变换注液泵（2a）和排液泵（2b）的流量，将储液罐（3）内的液体通过注液泵（2a）或排液泵（2b）注入或者排出培养瓶（1），增大或减小培养瓶（1）内的压力，使得贴壁细胞在不同压力和微重力状态下进行培养；
步骤6、培养完毕，取出贴壁细胞进行观察和研究。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2017
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