CN109628303A - 一种高压细胞培养舱 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高压细胞培养舱，包括舱体，底座，舱内气体调节机构，温控机构，载物隔板以及托盘。本发明为高气压医学领域细胞学研究相关实验的开展提供了一种结构简单、使用方便的高压细胞培养舱。通过舱内气体调节机构来控制舱内气体环境，将舱内环境CO2分压控制从舱体结构中彻底独立出来，通过控制高压气源中CO2浓度，实现不同压强下舱内的CO2分压控制，使高压细胞培养舱结构更简单，价格更便宜。本发明还可实时反映舱内温度外，还可对气体加热装置进行反馈，以调控其工作状态。

Description

一种高压细胞培养舱
技术领域
本发明涉及细胞培养设备技术领域，具体是一种高压细胞培养舱。
背景技术
我国宏观经济的持续发展，不断推动着向海洋进军的步伐。海疆权益维护、海洋资源开发、水下环境保护等各方面均面临着严峻的挑战。为适应需求，我国军事和商业潜水活动的频次、规模和从业人数均快速递增，潜水深度也不断拓展。进入水下，人将暴露于高压环境中。高压环境暴露以及从高压环境回到常压环境过程将引起机体发生一系列病理生理改变，甚至导致某些严重的特殊疾病(如减压病、氧中毒、高压神经综合征等) 的发生。为保障人员生命安全，急需深入研究这些病理生理改变的具体过程以及这些特殊疾病的发病机制。此外，虽然高压氧治疗在临床上不断取得突破，并被广泛应用与临床多种疾病的治疗，但是，其中涉及的机制也尚未完全明确。
为研究高压环境对机体的影响、特殊疾病的发病机制以及高压氧治疗疾病的机制，需在高压下进行细胞培养，离体观察高压环境以及环境压力变化对某一特定细胞的影响及其机制。其中，高压细胞培养舱是开展这些研究基础和前提。细胞培养最重要的是要控制好环境温度、湿度和pH值(控制CO2分压为5千帕，以维持培养液正常pH值)。高压下细胞培养除要满足正常细胞培养所需条件外，还要求细胞培养舱具有良好的耐压性和气密性。现有普通细胞培养箱由于无法满足这两个条件，因此，无法进行高压细胞培养。
高压细胞培养舱需要进行特殊设计和建造。目前，国内还未有一款较好的、商品化的高压细胞培养舱。美国OxyHeal公司生产的OxyCure 3000 高压细胞培养舱，是目前为数不多，并已成功商品化的高压细胞培养舱。虽然这款高压细胞培养舱性能良好，能很好控制高压下细胞培养所需的各种条件，但是由于价格昂贵，在国很少有实验室购买。因此，目前关于高压环境对机体的影响、疾病发病机制以及高压治疗疾病的机制的研究的开展受到了严重的制约。
鉴于上述原因，亟需设计一种结果简单、经济的高压细胞培养舱，满足研究高压环境以及环境压力变化对细胞生理功能的影响及其机制的需求。
发明内容
针对现有技术的普通细胞培养箱中环境温度、湿度和pH等在高压培养条件不易控制的技术问题，本发明的目的在于提供一种高压细胞培养舱，所述高压细胞培养舱结构简单，成本低，除具有良好的耐压性和气密性外，还能很好控制舱内气体温度和湿度，通过控制高压气源中气体CO2浓度，本发明能轻松实现对细胞培养环境pH控制，从而达到对细胞培养所需条件的全面控制。本发明可用于常压和高压下细胞培养，实现离体观察高压环境以及环境压力变化对某一特定细胞生理功能的影响及其机制。
本发明的高压细胞培养舱包括：
舱体，所述舱体一端开口并设有可密封配合的舱门框和舱门；
底座，用于支撑安放所述舱体；
舱内气体调节机构，包括进气管、排气管、采样管、进气阀、排气阀、采样阀和流量计，所述进气管、排气管和采样管分别通入所述舱体，所述进气管和排气管分别流经所述进气阀和排气阀，所述采样管流经所述采样阀和流量计；所述舱压表与所述进气管、所述排气管或所述采样管的舱外段连接；所述进气管和排气管从舱门相对的另一端舱体侧壁进入舱体后沿舱体纵轴布置；所述进气管的舱内段长度为所述舱体的纵轴长度的2/3～5/6，且末端通畅；所述排气管末端为盲端，所述排气管的舱内起始段管壁上设有若干排气孔；
温控机构，包括气体加热管道、气体加热装置、温度探头和温度显示器；所述气体加热管道分为舱内段和舱外段，所述气体加热管道的舱内段均匀布置在所述舱体内，所述气体加热管道的舱外段与所述气体加热装置连接；所述温度探头设于所述舱体内并通过外接的导线与所述气体加热装置和所述温度显示器连接；
载物隔板，布置在所述舱体内，用于放置细胞培养皿等培养器具；
托盘，布置在所述舱体内，用于盛放蒸馏水以控制舱内湿度。
从现有高压细胞培养舱结构和技术来看，舱内环境CO2分压控制是最复杂、最困难的技术之一。本发明的关键之一在于可通过所述舱内气体调节机构来控制舱内气体环境，以此可将舱内环境CO2分压控制从舱体结构中彻底独立出来，只需通过控制高压气源中CO2浓度即可实现不同压强下舱内的CO2分压控制，使高压细胞培养舱结构更简单，价格更便宜。具体的，加压或者换气时，高压气体可通过所述进气管送入舱内，减压或者换气时，舱内气体可通过所述排气管排出舱外。而通过更加精细配置的所述采样管、采样阀和流量计的组合可采取较小流量的舱内气体送至舱外气体分析仪进行检测，精确地监测舱内气体环境，同时尽可能地降低因采样而对舱内环境的影响。而根据检测结果，可通过调控气源的CO2浓度、进气流量和排气流量等来调整舱内气体，确保舱内气体环境达到要求。
另外，目前细胞培养的进气和排气孔大多设在同一位置，这样进行通风换气或者洗舱(通过大量通风使高压气源中的气体替换舱内气体)时容易形成局部气流循环，导致通风不完全。本发明中，所述进气管末端通气，而所述排气管则通过其舱内起始段的排气孔通气，如此设计可使得气体进出口处于对角位置，避免局部气流循环，提升通风效率，最大化舱内气体更新速度，避免因进排气孔相隔过近导致的舱内气体流通不畅等问题，在进行通风或洗舱时，能极大提高效率，缩短时间。
较佳的，所述采样管从舱门相对的另一端舱体侧壁的中间位置通入所述舱体，所述采样管的舱内段可设置较短，甚至不伸入舱内；以此设计时，所述采样管的入口与所述进气管的末端处于舱内相对的两端，采样气体能够更加准确实时地反应舱内各个位置的气体成分，进而可确保舱内气体环境达到要求。
较佳的，所述进气阀、排气阀、采样阀和流量计分别固定在所述底座的前面板上，便于观察和控制。
较佳的，所述底座的前面板上还设有舱压表，用于检测所述舱体内的总压强；所述舱压表与所述进气管或排气管连接。
较佳的，所述舱门一边通过铰链与所述舱门框连接，所述舱门上设有与所述舱门框形状相同但较舱门框内径大的凹槽，所述凹槽内嵌有橡胶垫圈。所述橡胶垫圈截面优选圆形的。
较佳的，所述舱门四角分别延伸出固定角，所述固定角设有U形的螺栓卡口；所述舱门框四角对应位置设有U形的螺栓座，所述螺栓座中枢接有螺栓并配有螺母；所述螺栓的活动端可转动卡入所述螺栓卡口并可通过所述螺母锁定。该设计可方便地将所述舱门密封紧固在所述舱门框外。
较佳的，所述进气管末端1/5～1/6范围管壁上还设有若干进气孔。送入舱内的高压气体可向各个方向喷射，可确保气体到充满舱内各个部位，进而保证舱内气体环境的均匀稳定性。
较佳的，所述进气管和所述排气管处于同一水平面。
较佳的，所述进气管和所述排气管长度相同。
较佳的，所述托盘长度为所述进气管舱内段长度的1/3～1/2，所述托盘安放在所述进气管和所述排气管上面。
进一步的，所述进气管舱内起始段1/4～1/6处管壁上有小凸起。所述小凸起用于防止因托盘放置太靠内而遮挡排气管上的排气孔。
较佳的，所述载物隔板为筛网状金属板，分上、中、下3层，放置于所述舱体内壁两侧设置的“L”型支撑架上。
较佳的，所述舱体材质为耐压特种钢，所述舱体内表面附保温材料。
较佳的，所述气体加热管道为导热良好的金属管，所述舱外段外包裹隔热材料，可减少热量散失。
较佳的，所述气体加热管道的舱内段分为上下两层，分别布置于舱体底部和顶部，且每层从舱门相对的另一端舱体侧壁进入舱内后成类S形排布。以此均匀布置可确保舱内温度各个角度温度均匀。类S形是指左右周期性地回折样式，比如S形、直角左右回折形等等。
本发明中，所述气体加热装置可将空气加热并送入所述气体加热管道，热空气流经所述气体加热管道的舱内段，通过加热气体加热管道间接与舱体内部空气进行热交换，实现加热的作用，然后再排出。较佳的，所述气体加热装置可采用市售的空气加热器，通常包括气动元件(比如气泵、风扇等)、发热元件(比如高温电阻丝、电加热管)和导流元件(比如折流板、导管)等等。也可参照现有的空气加热器或者电热吹风的结构原理进行改进。
较佳的，所述温度探头安放于舱门相对的另一端舱体侧壁的中央位置。所述温度探头安放在中央位置可更加准确的检测舱内温度，而通过导线同时与所述气体加热装置和所述温度显示器相连，不但可实时显示舱内温度，还可将舱内温度反馈给所述气体加热装置，调控气体加热装置工作状态。
较佳的，舱门相对的另一端舱体侧壁上设有若干穿舱件。所述穿舱件可作为实验用检测探头等进出通道。
较佳的，所述舱体顶部设有角度可变的“Z”型固定臂，用于固定实验用检测探头。进一步的，所述“Z”固定臂是可拆卸的；为充分节约舱内空间，Z型固定臂在使用时再安装上。
本实发明的优点在于：
1、本发明的关键之一在于可通过所述舱内气体调节机构来控制舱内气体环境，以此可将舱内环境CO2分压控制从舱体结构中彻底独立出来，只需通过控制高压气源中CO2浓度即可实现不同压强下舱内的CO2分压控制，使高压细胞培养舱结构更简单，价格更便宜。具体的，加压或者换气时，高压气体可通过所述进气管送入舱内，减压或者换气时，舱内气体可通过所述排气管排出舱外。而通过更加精细配置的所述采样管、采样阀和流量计的组合可精确地监测舱内气体环境，进而可通过调控气源的CO2浓度、进气流量和排气流量等来调整舱内气体。
2、本发明中，所述进气管末端通气，而所述排气管则通过其舱内起始段的排气孔通气，如此设计可使得气体进出口处于对角位置，避免局部气流循环，提升通风效率，最大化舱内气体更新速度，避免因进排气孔相隔过近导致的舱内气体流通不畅等问题，在进行通风或洗舱时，能极大提高效率，缩短时间。
3、本发明整合了温度可控的气体加热机构，并通过导热良好的耐压金属管对舱内气体进行加热，从而很好地控制舱内温度。
4、本发明借鉴了现有常压细胞培养箱的湿度控制技术，通过舱内放置蒸馏水托盘控制舱内湿度。
5、本发明在舱体侧壁预留穿舱件的同时在舱体顶部设置了探头固定装置，可开展高压下细胞或培养液中多种指标的实时监测。
通过上述设计，本发明结构更加简单，实用性强，能满足不同压力下进行细胞培养的需求。
附图说明
图1为本发明高压细胞培养舱的整体结构正面示意图；
图2为本发明高压细胞培养舱的舱门开起示意图；
图3为本发明高压细胞培养舱的舱门框与舱门的锁紧局部示意图；
图4为本发明高压细胞培养舱的立体示意图；
图5为本发明高压细胞培养舱的内部结构示意图。
其中：
舱体1，舱门框11，螺栓座111，螺栓112，螺母113，舱门12，固定角121，螺栓卡口122，橡胶垫圈13；底座2；进气管31，排气管32，采样管33，进气阀34，排气阀35，采样阀36，流量计37，舱压表38；气体加热管道41，气体加热装置42，温度探头43，温度显示器44；载物隔板5；托盘6；穿舱件7。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明做进一步说明。
图1～5示出了本发明一较佳实施例的高压细胞培养舱，其包括舱体1、底座2、舱内气体调节机构、温控机构、载物隔板5和托盘6。
如图1所示，舱体1和底座2均为长方体形，舱体1安装在底座2上，底座2长、宽均较舱体1略大。如图1和2所述，舱体1左端开口并设有可密封配合的舱门框11和舱门12。舱门12一边通过铰链与舱门框11连接，舱门12上设有与舱门框形状相同但较舱门框内径大的凹槽，凹槽内嵌有截面为圆形的橡胶垫圈13。舱门12四角分别延伸出固定角121，固定角121设有U形的螺栓卡口122；如图3所示，舱门框11四角对应位置设有U形的螺栓座111，螺栓座11中枢接有螺栓112并配有螺母113；螺栓112的活动端可转动卡入螺栓卡口122并可通过螺母113锁定，以此将舱门12密封紧固在舱门框11外。
如图4和5所示，舱内气体调节机构包括进气管31、排气管32、采样管33、进气阀34、排气阀35、采样阀36、流量计37和舱压表38。进气管 31和排气管32从舱门12相对的另一端(右端)舱体侧壁进入舱体1后沿舱体纵轴延伸至靠近舱门一端，较佳的，进气管31和排气管32舱内段长度为舱体1纵轴长度的5/6。进气管31舱内末端通畅，且末端1/6范围管壁上设有若干进气孔；排气管32舱内起始段1/6范围管壁上设有若干排气孔。进气管31和排气管32的舱外段分别流经进气阀34和排气阀35，采样管33流经采样阀36和流量计37。舱压表38与进气管31的舱外段连接用于检测舱内的总压强。进气阀34、排气阀35、采样阀36、流量计37和舱压表38分别固定在底座2的前面板上，便于观察和控制。
本发明的关键之一在于可通过舱内气体调节机构来控制舱内气体环境，以此可将舱内环境CO2分压控制从舱体结构中彻底独立出来，只需通过控制高压气源中CO2浓度即可实现不同压强下舱内的CO2分压控制，使高压细胞培养舱结构更简单，价格更便宜。具体的，加压或者换气时，高压气体可通过进气管31送入舱内，减压或者换气时，舱内气体可通过排气管32排出舱外。而通过更加精细配置的采样管33、采样阀36和流量计37 的组合可采取较小流量的舱内气体送至舱外气体分析仪进行检测，精确地监测舱内气体环境，同时尽可能地降低因采样而对舱内环境的影响。而根据检测结果，可通过调控气源的CO2浓度、进气流量和排气流量等来调整舱内气体，确保舱内气体环境达到要求。
另外，目前细胞培养的进气和排气孔大多设在同一位置，这样进行通风换气或者洗舱(通过大量通风使高压气源中的气体替换舱内气体)时容易形成局部气流循环，导致通风不完全。本发明中，进气管31末端通气，而排气管32则通过其舱内起始段的排气孔通气，如此设计可使得气体进出口处于对角位置，避免局部气流循环，提升通风效率，最大化舱内气体更新速度，避免因进排气孔相隔过近导致的舱内气体流通不畅等问题，在进行通风或洗舱时，能极大提高效率，缩短时间。
较佳的，采样管33从舱门相对的另一端舱体侧壁的中间位置通入舱体，采样管33的舱内段可设置较短，甚至不伸入舱内；以此设计时，采样管33 的入口与进气管31的末端处于舱内相对的两端，采样气体能够更加准确实时地反应舱内各个位置的气体成分，进而可确保舱内气体环境达到要求。
如图5所示，温控机构包括气体加热管道41、气体加热装置42、温度探头43和温度显示器44。气体加热管道41为导热良好的耐压金属管，分为舱内段和舱外段，舱内段分为上下两层，分别布置于舱体1底部和顶部，且每层从舱门相对的另一端舱体侧壁进入舱内后成类S形排布。类S形是指左右周期性地回折样式，比如S形、直角左右回折形等等，以此均匀布置可以增加加热面积，可快速多舱内气体加热，确保舱内温度各个角度温度均匀。舱外段向下延伸在底座2内部，其中进气的部分汇合后与气体加热装置42连接，出气的部分直接接通外部进行排气，另外舱外段外部可包裹隔热材料以减少热量散失。气体加热装置42可将空气加热并送入气体加热管道41，热空气流经气体加热管道41的舱内段，通过加热气体加热管道间接与舱体1内部的空气进行热交换，实现加热的作用，然后再排出。较佳的，气体加热装置42可采用市售的空气加热器，通常包括控制面板(固定在底座2的前面板上)、气动元件(比如气泵、风扇等)、发热元件(比如高温电阻丝、电加热管)和导流元件(比如折流板、导管)等等。也可参照现有的空气加热器或者电热吹风的结构原理进行改进。
温度探头43设于舱体1内并通过外接的导线与气体加热装置42和温度显示器44连接，可实时测定舱内气体温度，并将温度显示在舱内温度显示装置上和将舱内温度反馈给气体加热装置。如舱内温度未达到设定温度，则气体加热装置继续工作，并加热舱内气体，如达到设定温度则降低气体加热装置的加热效能(气体温度和通风量)，以维持舱内的正常温度。
载物隔板5布置在舱体1内，用于放置细胞培养皿等细胞培养器具。载物隔板5为筛网状金属板，分上、中、下3层，放置于舱体1内壁两侧设置的“L”型支撑架上。
托盘6安放在进气管31和排气管32上面用于盛放蒸馏水以控制舱内湿度。较佳的，托盘6长度为排气管32舱内段长度的1/3～1/2，进气管31 和排气管32舱内起始段1/6处管壁上设有小凸起，可防止因托盘放置太靠内而遮挡排气管上的排气孔。同时，由于托盘6长度小于进排气管上进排气孔间的最短距离，所以托盘6里端靠近小凸起时，托盘6外端也不会遮挡进气管31管壁上的进气孔。
本发明的右侧壁上预留4个穿舱件7(见图4)，可安装实验用检测探头。位于舱顶端的左右1/3处可安装探头固定装置，可采用快速插拔装置，通过角度可变的“Z”型固定臂进行探头固定。
由上述具体实施例可知，本发明的高压细胞培养舱结构简单，成本低，实用性强，除具有良好的耐压性和气密性外，还能很好控制舱内气体温度和湿度，通过控制高压气源中气体CO2浓度，本发明能轻松实现对细胞培养环境pH控制，从而达到对细胞培养所需条件的全面控制。本发明可用于常压和高压下细胞培养，实现离体观察高压环境以及环境压力变化对某一特定细胞生理功能的影响及其机制。
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述的实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可以作出种种的等同的变型或替换，这些等同变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种高压细胞培养舱，其特征在于，其包括：
舱体，所述舱体一端开口并设有可密封配合的舱门框和舱门；
底座，用于支撑安放所述舱体；
舱内气体调节机构，包括进气管、排气管、采样管、进气阀、排气阀、采样阀、流量计和舱压表，所述进气管、排气管和采样管分别通入所述舱体，所述进气管和排气管分别流经所述进气阀和排气阀，所述采样管流经所述采样阀和流量计；所述舱压表与所述进气管、所述排气管或所述采样管的舱外段连接；所述进气管和排气管从舱门相对的另一端舱体侧壁进入舱体后沿舱体纵轴布置；所述进气管的舱内段长度为所述舱体的纵轴长度的2/3～5/6，且末端通畅；所述排气管末端为盲端，所述排气管的舱内起始段管壁上设有若干排气孔；
温控机构，包括气体加热管道、气体加热装置、温度探头和温度显示器；所述气体加热管道分为舱内段和舱外段，所述气体加热管道的舱内段均匀布置在所述舱体内，所述气体加热管道的舱外段与所述气体加热装置连接；所述温度探头设于所述舱体内并通过外接的导线与所述气体加热装置和所述温度显示器连接；
载物隔板，布置在所述舱体内；
托盘，布置在所述舱体内，用于盛放蒸馏水以控制舱内湿度。
2.根据权利要求1所述的高压细胞培养舱，其特征在于，所述舱门一边通过铰链与所述舱门框连接，所述舱门上设有与所述舱门框形状相同但较舱门框内径大的凹槽，所述凹槽内嵌有橡胶垫圈。
3.根据权利要求1或2所述的高压细胞培养舱，其特征在于，所述舱门四角分别延伸出固定角，所述固定角设有U形的螺栓卡口；所述舱门框四角对应位置设有U形的螺栓座，所述螺栓座中枢接有螺栓并配有螺母；所述螺栓的活动端可转动卡入所述螺栓卡口并可通过所述螺母锁定。
4.根据权利要求1所述的高压细胞培养舱，其特征在于，所述进气管和所述排气管处于同一水平面；所述托盘长度为所述进气管舱内段长度的1/3～1/2，所述托盘安放在所述进气管和所述排气管上面，所述进气管舱内起始段1/4～1/6处管壁上有小凸起。
5.根据权利要求1所述的高压细胞培养舱，其特征在于，所述载物隔板为筛网状金属板，分上、中、下3层，放置于所述舱体内壁两侧设置的“L”型支撑架上。
6.根据权利要求1所述的高压细胞培养舱，其特征在于，所述舱体材质为耐压特种钢，所述舱体内表面附保温材料；所述气体加热管道为导热良好的金属管，所述舱外段外包裹隔热材料。
7.根据权利要求1所述的高压细胞培养舱，其特征在于，所述气体加热管道的舱内段分为上下两层，分别布置于舱体底部和顶部，且每层从舱门相对的另一端舱体侧壁进入舱内后成类S形排布。
8.根据权利要求1所述的高压细胞培养舱，其特征在于，所述温度探头安放于舱门相对的另一端舱体侧壁的中央位置。
9.根据权利要求1所述的高压细胞培养舱，其特征在于，舱门相对的另一端舱体侧壁上设有若干穿舱件。
10.根据权利要求1所述的高压细胞培养舱，其特征在于，所述舱体顶部设有角度可变的“Z”型固定臂。
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