CN108998376A - 基于介电弹性体驱动器的动态细胞培养装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于介电弹性体驱动器的动态细胞培养装置及方法，其中装置包括一容器、一支架模块和一温度控制机构；容器包括一容器本体、一盖体、一高压电源正极接口、一高压电源负极接口和一二氧化碳输入接口；内腔的底部形成一水槽；支架模块悬置固定于内腔内，支架模块包括一支架本体和一介电弹性体薄膜驱动器安装结构，介电弹性体薄膜驱动器安装结构包括一第一电极件和一第二电极件，第一电极件与高压电源正极接口电连接，第二电极件与高压电源负极接口电连接。本发明的一种基于介电弹性体驱动器的动态细胞培养装置及方法，将标准的细胞培养环境和介电弹性体驱动器技术结合起来，可实现培养过程中给细胞施加拉伸、压缩等机械刺激。
Description
技术领域
本发明涉及细胞培养装置领域，尤其涉及一种基于介电弹性体驱动器的动态细胞培养装置及方法。
背景技术
介电弹性体是一种可在高电压下发生形变的新型电敏感材料，因其柔软轻巧、有较高的机电转换效率、不易疲劳损坏等独特优点，目前已在软体机器人、软体驱动器、航空航天和医疗卫生等领域展开应用研究。基于该材料制成的促动器具有结构简单、成本低、形变能力强、动态响应快等特点，加之部分材料具有非细胞毒性、良好的生物相容性等优点，可用于给细胞提供机械刺激来对细胞的生长进行诱导，但此应用需要在标准的细胞培养条件下开展。
现有的细胞培养箱几乎都体型庞大，质量较重，便携性差，造价昂贵，且不便给予介电弹性体驱动技术需要的高电压供应，因此不能满足在培养过程中给细胞施加机械刺激的需要。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于介电弹性体驱动器的动态细胞培养装置及方法，将标准的细胞培养环境和介电弹性体驱动器技术结合起来，可实现培养过程中给细胞施加拉伸、压缩等机械刺激。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于介电弹性体驱动器的动态细胞培养装置，包括一容器、一支架模块和一温度控制机构；所述容器包括一容器本体、一盖体、一高压电源正极接口、一高压电源负极接口和一二氧化碳输入接口；所述盖体可开启地固定于所述容器本体顶部，所述高压电源正极接口、所述高压电源负极接口和所述二氧化碳输入接口固定于所述容器本体的外表面，所述二氧化碳输入接口与所述容器本体的一内腔导通，所述内腔的底部形成一水槽；所述支架模块悬置固定于所述内腔内，所述支架模块包括一支架本体和一介电弹性体薄膜驱动器安装结构，所述介电弹性体薄膜驱动器安装结构包括一第一电极件和一第二电极件，所述第一电极件与所述高压电源正极接口电连接，所述第二电极件与所述高压电源负极接口电连接。
优选地，所述支架本体采用绝缘材料且中部形成一驱动器容纳槽，所述介电弹性体薄膜驱动器安装结构包括所述驱动器容纳槽；所述第一电极件固定于所述驱动器容纳槽的内侧壁，所述第二电极件通过一弹性件固定于所述驱动器容纳槽的内侧壁并与所述第一电极件位置对置；所述第二电极件邻近所述第一电极件的一侧下凹形成一弧面；所述弧面与所述第二电极件的两侧面之间分别形成一平面。
优选地，所述驱动器容纳槽的底面形成多个第一通孔。
优选地，所述支架本体两端分别形成一开口，两所述开口至所述驱动器容纳槽之间分别形成一电路通道；所述第一电极件通过穿设于一所述电路通道内的第一导电件与所述高压电源正极接口电连接；所述第二电极件通过穿设于另一所述电路通道内的第二导电件与所述高压电源负极接口电连接。
优选地，所述容器还包括一发热片隔层，所述发热片隔层固定于所述容器本体，且所述发热片隔层与所述容器本体之间配合形成一发热片放置层，所述发热片放置层位于所述水槽的上方；所述温度控制机构包括一温度传感器、一控制器和至少一发热片，所述发热片和所述温度传感器连接所述控制器；所述温度传感器设置于所述内腔内并邻近所述介电弹性体薄膜驱动器安装结构；所述发热片设置于所述发热片放置层内。
优选地，所述发热片隔层形成有多个第二通孔。
优选地，还包括一CO2浓度检测机构，所述CO2浓度检测机构包括设置于所述内腔的至少一CO2浓度传感器。
优选地，所述容器本体、所述盖体、所述支架模块和/或所述发热片隔层采用透明材料。
本发明的一种基于本发明所述的基于介电弹性体驱动器的动态细胞培养装置的细胞培养方法，包括步骤：
S1：将所述基于介电弹性体驱动器的动态细胞培养装置放置于一水平面；
S2：在所述水槽中加水并使得水位低于所述发热片放置层的底面；
S3：通过所述二氧化碳输入接口向所述内腔通入浓度为5％vol的二氧化碳气体；
S4：预运行所述温度控制机构和所述CO2浓度检测机构一固定时间段；
S5：将附着好待培养细胞的一介电弹性体薄膜驱动器放置于所述驱动器容纳槽内并夹设于所述第一电极件和所述第二电极件之间，所述介电弹性体薄膜驱动器远离所述待培养细胞的一端的电极连接所述第一电极件，所述介电弹性体薄膜驱动器邻近所述待培养细胞的一端的电极连接所述第二电极件接触；S6：通过所述高压电源正极接口和所述高压电源负极接口接通一高压电源，并按照实际需要对所述待培养细胞施加对应的电压刺激。
优选地，还包括步骤：观测所述水槽内的水的水量，保持所述水槽内有水。
本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
温度控制机构用于使容器内腔保持适宜待培养细胞培养的恒定温度。CO2浓度检测机构用于内腔气体环境的检测/监测作用，当检测到内腔内的二氧化碳浓度不满足5％vol时，可结合外部额外的器件对内腔的供气进行调整。支架模块用于介电弹性体薄膜驱动器的安装固定。通过容器、支架模块和温度控制机构的配合，将标准的细胞培养环境和介电弹性体驱动器技术结合，可实现通过介电弹性体薄膜驱动器给细胞施加机械刺激的效果。弧面、平面和弹性件的配合，使得第二电极件能够与不同形状和大小的介电弹性体薄膜驱动器进行适配。第一通孔和第二通孔的采用，可加强装置内的热气流动，促使温度分布均匀。另外，由于采用绝缘材料制成的支架本体和第一通孔的结构相互配合，当介电弹性体薄膜驱动器的薄膜被击穿时，介电弹性体薄膜驱动器内的液体可通过第一通孔自驱动器容纳槽流出，从而可有效防止短路的情况发生。容器本体、盖体、支架模块和/或所以发热片隔层采用透明材料；使得装置可配合显微镜使用，达到在刺激过程中便捷地对细胞进行原位观察的效果。
附图说明
图1为本发明实施例的基于介电弹性体驱动器的动态细胞培养装置的立体图；
图2为本发明实施例的基于介电弹性体驱动器的动态细胞培养装置的外观侧视图；
图3为本发明实施例的去除支架模块后的基于介电弹性体驱动器的动态细胞培养装置的剖面图；
图4为本发明实施例的支架模块的第一方向的结构示意图；
图5为本发明实施例的支架模块的第二方向的结构示意图；
图6为本发明实施例的第二电极件的结构示意图；
图7为本发明实施例的细胞培养方法的流程图。
具体实施方式
下面根据附图1～图7，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
请参阅图1～图6，本发明实施例的一种基于介电弹性体驱动器的动态细胞培养装置，包括一容器1、一支架模块2、一温度控制机构(图中未示)和一CO2浓度检测机构(图中未示)；在其他实施例中，也可直接通入所需浓度(如：5％vol)的二氧化碳气体而不设置CO2浓度检测机构；容器1包括一容器本体11、一盖体12、一高压电源正极接口13、一高压电源负极接口14和一二氧化碳输入接口15；盖体12可开启地固定于容器本体11顶部，高压电源正极接口13、高压电源负极接口14和二氧化碳输入接口15固定于容器本体11的外表面，二氧化碳输入接口15与容器本体11的一内腔导通，内腔的底部形成一水槽111；支架模块2悬置固定于内腔内，支架模块2包括一支架本体21和一介电弹性体薄膜驱动器安装结构，介电弹性体薄膜驱动器安装结构包括一第一电极件221和一第二电极件222，第一电极件221与高压电源正极接口13电连接，第二电极件222与高压电源负极接口14电连接；温度控制机构设置于内腔内；CO2浓度检测机构包括设置于内腔的至少一CO2浓度传感器(图中未示)。
温度控制机构用于使容器1内腔保持适宜待培养细胞培养的恒定温度，本实施例中，内腔温度恒定保持在37℃，这是细胞生长所必需的条件之一。CO2浓度检测机构用于内腔气体环境的检测/监测作用，当检测到内腔内的二氧化碳浓度不满足5％vol时，可结合外部额外的器件对内腔的供气进行调整。支架模块2用于介电弹性体薄膜驱动器的安装固定。通过容器1、支架模块2和温度控制机构的配合，将标准的细胞培养环境和介电弹性体驱动器技术结合，可实现通过介电弹性体薄膜驱动器给细胞施加机械刺激的效果。
介电弹性体薄膜驱动器一般由两片硬框架(可为亚克力板等材料)中间夹取一张介电弹性体薄膜组成，并在介电弹性体薄膜上涂上柔性电极(碳基等材料)，通过导线或铜片等与外部电源相接，通以高电压后产生动作。在用于细胞培养时，需选用非细胞毒性的弹性体薄膜，并先经过标准的细胞培养流程(紫外照射)后方可在膜上附着细胞，之后将养上细胞的介电弹性体薄膜驱动器放置在支架模块2上，将电极分别接好。
支架本体21采用绝缘材料且中部形成一驱动器容纳槽223，介电弹性体薄膜驱动器安装结构包括驱动器容纳槽223；第一电极件221固定于驱动器容纳槽223的内侧壁，第二电极件222通过一弹性件224固定于驱动器容纳槽223的内侧壁并与第一电极件221位置对置；第二电极件222邻近第一电极件221的一侧下凹形成一弧面2221；弧面2221与第二电极件222的两侧面之间分别形成一平面2222。本实施例中，弹性件224采用弹簧，弹簧采用导电材料。
弧面2221、平面2222和弹性件224的配合，使得第二电极件222能够与不同形状(例如，圆形或方形)和大小的介电弹性体薄膜驱动器进行适配。
驱动器容纳槽223的底面形成多个第一通孔2231。
支架本体21两端分别形成一开口211，两开口211至驱动器容纳槽223之间分别形成一电路通道；第一电极件221通过穿设于一电路通道内的第一导电件(图中未示)与高压电源正极接口13电连接；第二电极件222通过穿设于另一电路通道内的第二导电件与高压电源负极接口14电连接。
第一导电件和第二导电件可采用导线、铜片或PCB板。
容器1还包括一发热片隔层16，发热片隔层16固定于容器本体11，且发热片隔层16与容器本体11之间配合形成一发热片放置层17，发热片放置层17位于水槽111的上方；温度控制机构包括一温度传感器、一控制器和至少一发热片(图中未示)，发热片和温度传感器连接控制器；温度传感器设置于内腔内并邻近介电弹性体薄膜驱动器安装结构；发热片设置于发热片放置层17内。发热片隔层16形成有多个第二通孔161。
第一通孔2231和第二通孔161的采用，可加强装置内的热气流动，促使温度分布均匀。另外，由于采用绝缘材料制成的支架本体21和第一通孔2231的结构相互配合，当介电弹性体薄膜驱动器的薄膜被击穿时，介电弹性体薄膜驱动器内的液体可通过第一通孔2231自驱动器容纳槽223流出，从而可有效防止短路的情况发生。
容器本体11、盖体12、支架模块2和/或发热片隔层16采用透明材料；使得本实施例的装置可配合显微镜使用，达到在刺激过程中便捷地对细胞进行原位观察的效果。
请参阅图1～图7，本发明的一种基于本发明的基于介电弹性体驱动器的动态细胞培养装置的细胞培养方法，包括步骤：
S1：将基于介电弹性体驱动器的动态细胞培养装置放置于一水平面；
S2：在水槽111中加水并使得水位低于发热片放置层17的底面；加入的水需洁净；
S3：通过二氧化碳输入接口15向内腔通入浓度为5％vol的二氧化碳气体；
S4：预运行温度控制机构和CO2浓度检测机构一固定时间段，如：10分钟；
S5：将附着好待培养细胞的一介电弹性体薄膜驱动器放置于驱动器容纳槽223内并夹设于第一电极件221和第二电极件222之间，为了避免介电弹性体薄膜驱动器上层的待培养细胞直接受到高电压电场的刺激，介电弹性体薄膜驱动器的远离待培养细胞的一端的电极连接第一电极件221，介电弹性体薄膜驱动器邻近待培养细胞的一端的电极连接第二电极件222接触；
S6：通过高压电源正极接口13和高压电源负极接口14接通一高压电源，并按照实际需要对待培养细胞施加对应的电压刺激。
本实施例中，还包括步骤：观测水槽111内的水的水量，保持水槽111内有水。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于介电弹性体驱动器的动态细胞培养装置，其特征在于，包括一容器、一支架模块和一温度控制机构；所述容器包括一容器本体、一盖体、一高压电源正极接口、一高压电源负极接口和一二氧化碳输入接口；所述盖体可开启地固定于所述容器本体顶部，所述高压电源正极接口、所述高压电源负极接口和所述二氧化碳输入接口固定于所述容器本体的外表面，所述二氧化碳输入接口与所述容器本体的一内腔导通，所述内腔的底部形成一水槽；所述支架模块悬置固定于所述内腔内，所述支架模块包括一支架本体和一介电弹性体薄膜驱动器安装结构，所述介电弹性体薄膜驱动器安装结构包括一第一电极件和一第二电极件，所述第一电极件与所述高压电源正极接口电连接，所述第二电极件与所述高压电源负极接口电连接。
2.根据权利要求1所述的基于介电弹性体驱动器的动态细胞培养装置，其特征在于，所述支架本体采用绝缘材料且中部形成一驱动器容纳槽，所述介电弹性体薄膜驱动器安装结构包括所述驱动器容纳槽；所述第一电极件固定于所述驱动器容纳槽的内侧壁，所述第二电极件通过一弹性件固定于所述驱动器容纳槽的内侧壁并与所述第一电极件位置对置；所述第二电极件邻近所述第一电极件的一侧下凹形成一弧面；所述弧面与所述第二电极件的两侧面之间分别形成一平面。
3.根据权利要求2所述的基于介电弹性体驱动器的动态细胞培养装置，其特征在于，所述驱动器容纳槽的底面形成多个第一通孔。
4.根据权利要求3所述的基于介电弹性体驱动器的动态细胞培养装置，其特征在于，所述支架本体两端分别形成一开口，两所述开口至所述驱动器容纳槽之间分别形成一电路通道；所述第一电极件通过穿设于一所述电路通道内的第一导电件与所述高压电源正极接口电连接；所述第二电极件通过穿设于另一所述电路通道内的第二导电件与所述高压电源负极接口电连接。
5.根据权利要求2～4任一项所述的基于介电弹性体驱动器的动态细胞培养装置，其特征在于，所述容器还包括一发热片隔层，所述发热片隔层固定于所述容器本体，且所述发热片隔层与所述容器本体之间配合形成一发热片放置层，所述发热片放置层位于所述水槽的上方；所述温度控制机构包括一温度传感器、一控制器和至少一发热片，所述发热片和所述温度传感器连接所述控制器；所述温度传感器设置于所述内腔内并邻近所述介电弹性体薄膜驱动器安装结构；所述发热片设置于所述发热片放置层内。
6.根据权利要求5所述的基于介电弹性体驱动器的动态细胞培养装置，其特征在于，所述发热片隔层形成有多个第二通孔。
7.根据权利要求6所述的基于介电弹性体驱动器的动态细胞培养装置，其特征在于，还包括一CO2浓度检测机构，所述CO2浓度检测机构包括设置于所述内腔的至少一CO2浓度传感器。
8.根据权利要求7所述的基于介电弹性体驱动器的动态细胞培养装置，其特征在于，所述容器本体、所述盖体、所述支架模块和/或所述发热片隔层采用透明材料。
9.一种基于权利要求8所述的基于介电弹性体驱动器的动态细胞培养装置的细胞培养方法，包括步骤：
S1：将所述基于介电弹性体驱动器的动态细胞培养装置放置于一水平面；
S2：在所述水槽中加水并使得水位低于所述发热片放置层的底面；
S3：通过所述二氧化碳输入接口向所述内腔通入浓度为5％vol的二氧化碳气体；
S4：预运行所述温度控制机构和所述CO2浓度检测机构一固定时间段；
S5：将附着好待培养细胞的一介电弹性体薄膜驱动器放置于所述驱动器容纳槽内并夹设于所述第一电极件和所述第二电极件之间，所述介电弹性体薄膜驱动器远离所述待培养细胞的一端的电极连接所述第一电极件，所述介电弹性体薄膜驱动器邻近所述待培养细胞的一端的电极连接所述第二电极件接触；
S6：通过所述高压电源正极接口和所述高压电源负极接口接通一高压电源，并按照实际需要对所述待培养细胞施加对应的电压刺激。
10.根据权利要求9所述的细胞培养方法，其特征在于，还包括步骤：观测所述水槽内的水的水量，保持所述水槽内有水。
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| 陈洁等: ""介电弹性体无阀微泵设计"", 《流体机械》 * |
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