CN109706183A - 一种超声转染装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超声转染装置，包括壳体，壳体内设有水槽、培养皿、控制电路板、超声探头；培养皿通过培养皿托架设于水槽内并与设置在壳体内的带动培养皿水平方向移动的机械传动装置相连接；控制电路板电性连接有驱动超声探头的超声波驱动电源；超声探头密封嵌于水槽槽底，超声探头与超声波驱动电源电性连接；控制电路板、超声波驱动电源均设置于水槽外，壳体上还设置有与控制电路板电性连接的电源接头。该发明中超声探头固定在水槽底部，通过自动化的机械传动装置带动培养皿水平移动来与超声探头对准，解决了手动操作时人为误差所造成的实验变量、手动定位不准导致转染效率低下以及手动定位过程中对细胞潜在污染的问题。
Description
技术领域
本发明涉及实验仪器，尤其是一种自动化的用于超声靶向体外递送实验的超声转染装置。
背景技术
转染(Transfection)是真核细胞主动或被动导入外源DNA片段而获得新的表型的过程，是目前基因治疗疾病以及基因研究中常用的方法，而常规转染技术可分为瞬时转染和稳定转染(永久转染)两大类，现有的转染方法，主要为电转染、化学转染、超声转染，而电转染、化学转染的细胞毒性大，超声转染中超声靶向微泡破坏技术可诱导细胞膜短暂开放从而增加细胞膜通透性，并能将治疗物质递送至疾病部位，成为了一种安全、简单有效的递送方式。但现现有超声转染仪在操作中，由于都是手工调节培养板和超声探头位置的对准，手动调节精度相对较低，存在很大的因人为误差造成的实验变量，并且也存在人手操作时对实验无菌环境的破坏造成污染，从而影响超声转染实验的效率和结果。
发明内容
针对现有的不足，本发明提供一种自动化的用于超声靶向体外递送实验的超声转染装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种超声转染装置，包括壳体，所述壳体内设有水槽、培养皿、控制电路板、超声探头；所述培养皿位于水槽内并通过一个底面设有通孔的培养皿托架与设置在壳体内的带动培养皿水平方向移动的机械传动装置相连接，所述机械传动装置包括与控制电路板电性连接的步进电机、与培养皿托架相连接的位于水槽上方的并在步进电机驱动下带动培养皿水平方向移动的移动支架；所述控制电路板电性连接有驱动超声探头的超声波驱动电源；所述超声探头密封嵌于水槽槽底并使超声探头的顶部裸露，所述超声探头与超声波驱动电源电性连接；所述控制电路板、超声波驱动电源均设置于水槽外，所述壳体上还设置有与控制电路板电性连接的电源接头。
作为优选，所述移动支架包括相互垂直设置的X轴固定臂和Y轴固定臂，对应滑设在X轴固定臂和Y轴固定臂上的第一滑块和第二滑块，所述步进电机设有两个并对应连接驱动第一滑块和第二滑块，所述X轴固定臂与第二滑块连接固定或Y轴固定臂与第一滑块连接固定，所述培养皿托架通过设置在培养皿托架上的连接臂对应连接在第一滑块或第二滑块上。
作为优选，所述X轴固定臂与第二滑块、Y轴固定臂与第一滑块的连接均是通过滑轨和滑槽的配合滑动设置的，所述X轴固定臂和Y轴固定臂上均设置滑轨或滑槽，所述第二滑块和第一滑块上对应的设置滑槽或滑轨。
作为优选，所述超声探头的顶部到培养皿底面的距离不大于5mm，且水槽槽底表面到培养皿底面的距离不大于3mm。
作为优选，所述壳体内还设置有与控制电路板电性连接的进水泵和出水泵，所述进水泵和出水泵分别通过水管与水槽和壳体外的储水容器导通。
作为优选，所述壳体上还连接有与控制电路板电性连接的显示控制单元。
作为优选，所述培养皿是24孔培养板，所述机械传动装置还包括驱动培养皿上下移动的竖直驱动机构。
作为优选，所述壳体包括底壳、中间箱体、中空的支架、带有视窗的上盖，所述超声探头、机械传动装置通过一个底座连接固定在底壳上，所述中间箱体连接在底壳上并使底座、超声探头、机械传动装置、水槽、培养皿、培养皿托架均位于中间箱体内，所述支架盖合在中间箱体上并与水槽形成培养皿水平移动的空间，所述上盖枢接并盖合在支架上。
作为优选，所述控制电路板包括主控制电路板、与主控制电路板电性连接的控制机械传动装置的设有PLC控制器的副控制电路板，所述超声波驱动电源、电源接头均与主控制电路板电性连接，所述步进电机与副控制电路板电性连接。
作为优选，所述主控制电路板上设置有稳压芯片、MCU、波形产生及控制电路单元、超声探头控制电路单元、控制驱动电路单元，所述稳压芯片电性连接电源，所述稳压芯片内包括芯片供电电压变压电路单元、可调电压控制输出功率电路单元、驱动芯片，所述芯片供电电压变压电路单元电性连接MCU，MCU反馈调节信号给可调电压控制输出功率电路单元，MCU输出有三个支路单元，三个支路单元分别是串口液晶显示单元、波形产生及控制电路单元、超声探头控制电路单元，所述可调电压控制输出功率电路单元、波形产生及控制电路单元、超声探头控制电路单元、驱动芯片均与控制驱动电路单元电性连接。
本发明的有益效果在于：该发明中超声探头密封嵌于水槽槽底，位置固定避免了对超声探头的移动调节，同时其与水槽槽底间是密封的也避免了使用时水槽中水的流失，能保证实验中探头和培养皿之间无空气存在，避免了人手实验操作调节超声探头时对实验无菌环境的破坏，同时在控制电路板的精确控制下，步进电机驱动移动支架自动移动，进而带动培养皿水平移动来与超声探头对准，移动距离精确，对位准确度高，解决了手动对准时因定位不准导致的实验转染效率低下的问题。
附图说明
图1是本发明实施例分解的结构示意图；
图2是本发明实施例去掉壳体的正向结构示意图；
图3是本发明实施例去掉壳体的后向结构示意图；
图4是本发明实施例去掉壳体的俯视结构示意图；
图5是本发明产生超声波的原理框图；
图中零部件名称及序号：1-壳体10-电源接头11-显示控制单元12-底壳13-中间箱体14-支架15-上盖16-底座2-水槽3-培养皿30-培养皿托架300-连接臂4-控制电路板40-主控制电路板41-副控制电路板400-MCU 401-波形产生及控制电路单元402-超声探头控制电路单元403-控制驱动电路单元404-芯片供电电压变压电路单元405-可调电压控制输出功率电路单元406-驱动芯片407-串口液晶显示电路单元5-超声探头6-机械传动装置60-步进电机61-移动支架610-X轴固定臂611-Y轴固定臂612-第一滑块613-第二滑块7-超声波驱动电源8-进水泵9-出水泵。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。此外，本发明中所提到的方向用语，例如，“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等，仅是参考附加图示的方向，使用的方向用语是为了更好、更清楚地说明及理解本发明，而不是指示或暗指本发明必须具有的方位，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明实施例如图1至图4中所示，一种超声转染装置，包括壳体1，所述壳体1内设有水槽2、培养皿3、控制电路板4、超声探头5；所述培养皿3位于水槽2内并通过一个底面设有通孔的培养皿托架30与设置在壳体1内的带动培养皿3水平方向移动的机械传动装置6相连接，培养皿托架30上的通孔是为了保证放置在培养皿托架30上的培养皿3的底面能正对超声探头5，培养皿3与超声探头5之间就不会存在障碍物，不会影响超声转染效率，该培养皿3依据需要可以是12孔或24孔培养板，优选24孔培养板，在使用时就依据需要来选用24孔培养板中任意孔来使用，满足同样实验条件下对多个实验对象的实验，培养皿托架30在机械传动装置6的带动下水平移动，进而带动培养皿3水平移动来调整培养皿3的位置，通过水平移动来实现培养皿3与超声探头5的对准，所述机械传动装置6包括与控制电路板4电性连接的步进电机60、与培养皿托架30相连接的位于水槽2上方的并在步进电机60驱动下带动培养皿3水平方向移动的移动支架61，这样机械传动装置6就可以通过控制电路板4的控制自动运行，在控制电路板4的精确控制下，步进电机60驱动移动支架61自动移动，进而带动培养皿3水平移动来与超声探头5对准，移动距离精确，对位准确度高，解决了手动对准中的对细胞潜在污染的问题，以及对位不准导致转染效率低下的问题。该机械传动装置6和水槽2都是设置在壳体1内的，只需要将移动支架61设置于水槽2上方来带动培养皿3在水槽2内的水平移动，步进电机60则可以设置在壳体1内水槽2外的任意位置，步进电机60通过转动轴、连杆等机械结构来传动移动支架61的移动；所述控制电路板4电性连接有驱动超声探头5的超声波驱动电源7，超声波驱动电源7也就是我们常说的超声发生器，通过超声波驱动电源7来使超声探头5产生产超声波；所述超声探头5密封嵌于水槽2槽底并使超声探头5的顶部裸露，所述超声探头5与超声波驱动电源7电性连接，超声探头5密封嵌于水槽2槽底，该密封可以是采用密封圈或采用防水胶将两者密封连接，超声探头5位置固定避免了对超声探头5的移动调节，只需要调节培养皿3的位置来对准超声探头5即可，同时其与水槽2槽底间是密封的也避免了使用时水槽2中水的流失，能保证实验中超声探头5和培养皿3之间无空气存在，避免了调节超声探头5时对细胞潜在污染问题的产生，超声探头5顶部的裸露则确保了超声探头5和培养皿3的底面能够直接相对，两者之间无障碍物存在，保证转染效率；所述控制电路板4、超声波驱动电源7均设置于水槽2外，就不会影响在水槽2中的培养皿3的操作，所述壳体1上还设置有与控制电路板4电性连接的电源接头10，通过该电源接头10就可以连接电源使该超声转染装置运转，该电源接头10可以是固定连接的通过电源线连接在控制电路板4上的插头，或者是通过电源线连接在控制电路板4上的插座，插座上再连接可插拔的与电源连接的插头，这种分离式的连接就方便了收纳。对于该转染仪，实验前先在水槽2内加入适量的灭菌水作为介质，水面要高过培养皿3的底面但不超过培养皿3的上端，在设定好相应参数的情况下，比如占空比10-50％、超声强度0.6-2.0W/cm2、辐照30s-1min，将该产品运行30s来去除水中的空气，以确保实验时超声探头5和培养皿3之间不存在空气间隙，然后通过机械传动装置6调节好培养皿5和超声探头3的位置进行辐照。
进一步的改进，如图1至图4中所示，所述移动支架61包括相互垂直设置的X轴固定臂610和Y轴固定臂611，对应滑设在X轴固定臂610和Y轴固定臂611上的第一滑块612和第二滑块613，所述步进电机60设有两个并对应连接驱动第一滑块612和第二滑块613，通过第一滑块612在X轴固定臂610上的滑动就可以调节培养皿3左右方向的位置，通过第二滑块613在Y轴固定臂611上的滑动就可以调节培养皿3前后方向的位置，根据不同的需要启动相应的步进电机60就可以使培养皿3在前后左右的方向上水平移动，利用X轴和Y轴方向的快速同时移动就可以做到点的圆周运动来实现振荡，起到了自动振荡的目的。为了简化结构在只需要单一方向上移动时，依据相同的原理就可以单独设置X轴或Y轴方向的固定臂和滑块。各滑块分别连接一个步进电机60，可以选择性的控制在单个方向上进行移动而不是两个方向的同时移动。同时为了简化结构也能做到自动振荡，所述X轴固定臂610与第二滑块613连接固定，此时所述培养皿托架30则通过设置在培养皿托架30上的连接臂300对应连接在第一滑块612上，X轴固定臂610就可在第二滑块613的带动下沿Y轴固定臂611滑动带动培养皿3做前后移动，培养皿3还可以在第一滑块612的带动下做左右移动，或者是Y轴固定臂611与第一滑块612连接固定，此时所述培养皿托架30通过设置在培养皿托架30上的连接臂300对应连接在第二滑块613上，Y轴固定臂611就可在第一滑块612的带动下沿X轴固定臂610滑动带动培养皿3做左右移动，培养皿3还可以在第二滑块613的带动下做前后移动。这样的结构中X轴固定臂610和Y轴固定臂611的垂直设置就有三种情况，第一种X轴固定臂610位于Y轴固定臂611上方但不处于同一平面，第二种X轴固定臂610与Y轴固定臂611处于同一水平面，第三种X轴固定臂610位于Y轴固定臂611的下方但不处于同一平面，就可以根据使用的便利性及结构设计的简洁实用而选择不同的连接结构。在相同的原理下，在满足了培养皿3水平移动的需求后，有时也会依据时间进度的情况需要培养皿3在竖直方向的移动，此时就使机械传动装置6中还包括一驱动培养皿3上下移动的竖直驱动机构，该竖直驱动机构也可以是单独设置的步进电机60和移动支架61，或者是连接在其他步进电机60上的通过齿轮或皮带传动而进行上下移动的机构。而对于固定臂和滑块之间的滑动结构来说，所述X轴固定臂610与第二滑块613、Y轴固定臂611与第一滑块612的连接均是通过滑轨和滑槽的配合滑动设置的，所述X轴固定臂610和Y轴固定臂611上均设置滑轨或滑槽，所述第二滑块613和第一滑块612上对应的设置滑槽或滑轨，滑轨和滑槽的结构简单，生产方便，而且滑轨和滑槽间的配合，两者的接触面积大还能起到固定的作用，既能保证滑动的顺畅还能防止滑动中产生倾斜而影响实验。
进一步的改进，在实验中为了保证转染效率，使得超声探头5产生的超声波不受到过多干扰，超声探头5嵌在水槽2槽底且超声探头5顶部是裸露的，也就意味着使用中超声探头5的顶部是面对着培养皿3底面的，此时两者表面之间就会存在有距离，为了减少干扰，使得所述超声探头5的顶部到培养皿3底面的距离不大于5mm，同时在培养皿3放置在水槽2中后进行移动时会有触碰到超声探头5的问题产生，进而影响到超声探头5的使用，为了保证产品的正常使用，就使得水槽2槽底表面到培养皿3底面的距离不大于3mm，这样就意味着超声探头5的顶部是要低于水槽2槽底表面的，超声探头5就在水槽2槽底下陷并密封镶嵌连接，超声探头5的顶部和水槽2槽底就形成了一个小小的凹槽，这样在使用中就不会有培养皿3触碰超声探头5的问题产生。
进一步的改进，如图1至图3中所示，在水槽2的使用中会有往水槽2中注水或从水槽2中排水的问题，为了避免对细胞的污染，使得该转染仪做到完全的自动化，在所述壳体1内还设置有与控制电路板4电性连接的进水泵8和出水泵9，所述进水泵5和出水泵9分别通过水管与水槽2和壳体1外的储水容器导通，进水泵9通过水管分别与水槽2和装有无菌水的储水容器导通，与水槽2的导通可以是在水槽2的侧壁设置通孔，将水管安装在通孔内，或者将水管设置在水槽2上方来导通，其与储水容器的导通则是在壳体1上设置通孔，水管从壳体1上的通孔穿出插入储水容器，在需要往水槽2中注水时启动进水泵8就可实现自动进水。同理出水泵9是用来将水槽2中的废水排除水槽2的，出水泵9通过水管分别与水槽2和装废水的废液瓶导通，其与水槽2的导通则是在水槽2槽底设置通孔，将水管安装在通孔内，与废液瓶的导通也是在壳体1上设置通孔，水管从壳体1上的通孔穿出插入废液瓶，在需要排水时启动出水泵就可实现自动排水。这样在实验时选用无菌水作为超声耦合物，由自动进水泵8定量加注无菌水，确保超声声能损失降到最低的同时，实现了实验过程的全自动，全程无需人手操作，确保了实验中的无菌环境和实验的转染效率。
进一步的改进，如图1至图3中所示，为了方便对控制电路板4输入指令，在所述壳体1上还连接有与控制电路板4电性连接的显示控制单元11，所述显示控制单元11可以是设置在壳体1侧壁上的与控制电路板4电性连接的液晶触摸屏，或通过与控制电路板4电性连接的数据接口外接的数据处理设备，或者同时设置液晶触摸屏和外接数据处理设备，该外接数据处理设备可以是电脑、平板或手机等。通过显示控制单元11来提供人机交互界面，并根据需求设置相应的参数、显示工作状态和存储工作数据、传输设置的参数到控制电路板4，控制电路板4则根据输入的参数信息输出不同频率的超声驱动脉冲，比如1.0MHz或3.0MHz的驱动脉冲，然后通过超声波驱动电源7来驱动超声探头5，超声探头5根据驱动波形产生对应量的1.0MHz或3.0MHz的超声波作用于实验目标，实现自动化智能化。
进一步的改进，如图1中所示，为了生产组装的便利、以及使用中操作的便利、不会阻碍各部件之间的正常运转和保证细胞的不受污染，所述壳体1包括底壳12、中间箱体13、中空的支架14、带有视窗的上盖15，将这几个部件从下向上依次连接就可以形成封闭的空间，就隔离了外界环境，营造适宜于体外超声递送的无菌环境，避免了污染。所述超声探头5、机械传动装置6通过一个底座16连接固定在底壳12上，所述中间箱体13连接在底壳12上并使底座16、超声探头5、机械传动装置6、水槽2、培养皿3、培养皿托架30均位于中间箱体13内，这样就充分利用了中间箱体13的空间，各部件也都进行了合理的布局，所述支架14盖合在中间箱体13上并与水槽2形成培养皿3水平移动的空间，所述上盖15枢接并盖合在支架14上，在使用时，转动打开上盖15，将培养皿3和相应的实验样品放入水槽2后，再转动盖合上盖15在支架14上，就将水槽2与外界隔绝形成封闭空间，避免细胞的污染，同时上盖15上的视窗则有助于监测实验的进程，而视窗可以是在非透明的上盖15上设置的一个透明的窗口，也可以是整体透明的上盖15。
进一步的改进，如图1和图2中所示，所述控制电路板4包括主控制电路板40、与主控制电路板40电性连接的控制机械传动装置6的设有PLC控制器的副控制电路板41,这样就便于电路设计以及电路控制，所述超声波驱动电源7、电源接头10均与主控制电路板40电性连接，所述步进电机60与副控制电路板41电性连接，通过不同的电路板来控制不同的部件，简化了在单一电路板上的电路设置，方便生产组装。
进一步的改进，如图5中所示，所述主控制电路板4上设置有稳压芯片、MCU400、波形产生及控制电路单元401、超声探头控制电路单元402、控制驱动电路单元403，所述稳压芯片电性连接电源，所述稳压芯片内包括芯片供电电压变压电路单元404、可调电压控制输出功率电路单元405、驱动芯片406，所述芯片供电电压变压电路单元404电性连接MCU400，MCU400反馈调节信号给可调电压控制输出功率电路单元405，MCU400输出有三个支路单元，三个支路单元分别是串口液晶显示电路单元407、波形产生及控制电路单元401、超声探头控制电路单元402，所述可调电压控制输出功率电路单元405、波形产生及控制电路单元401、超声探头控制电路单元402、驱动芯片406均与控制驱动电路单元403电性连接。首先在显示控制单元11上选择和设置相关参数，使用MCU400的定时器产生PWM，经倍频后得到5V的1.0MHz或3.0MHz驱动脉冲，然后通过MCU400调节占空比、经升压驱动电路及匹配网络输出脉冲来驱动探头输出1.0MHz或3.0MHz的超声波。在本系统使用的是24V的开关电源，通过稳压芯片后分为三路输出：5V用于MCU及其它芯片供电；15V用于驱动芯片；6-20V可调电压，通过MCU调节电压用于调节输出声强。这样脉冲信号经控制电路、放大电路以及匹配电路后驱动超声探头，使仪器输出特定功率的超声波到实验目标，提高转染效率，实验时超声探头的各项参数就可以如下设置：频率1MHz；声强0.1W/cm2-3W/cm2(调幅0.2W/cm2)；占空比1％-100％(调幅10％)；工作时间0s-30min(调幅30s)。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种超声转染装置，其特征在于：包括壳体，所述壳体内设有水槽、培养皿、控制电路板、超声探头；所述培养皿位于水槽内并通过一个底面设有通孔的培养皿托架与设置在壳体内的带动培养皿水平方向移动的机械传动装置相连接，所述机械传动装置包括与控制电路板电性连接的步进电机、与培养皿托架相连接的位于水槽上方的并在步进电机驱动下带动培养皿水平方向移动的移动支架；所述控制电路板电性连接有驱动超声探头的超声波驱动电源；所述超声探头密封嵌于水槽槽底并使超声探头的顶部裸露，所述超声探头与超声波驱动电源电性连接；所述控制电路板、超声波驱动电源均设置于水槽外，所述壳体上还设置有与控制电路板电性连接的电源接头。
2.根据权利要求1所述超声转染装置，其特征在于：所述移动支架包括相互垂直设置的X轴固定臂和Y轴固定臂，对应滑设在X轴固定臂和Y轴固定臂上的第一滑块和第二滑块，所述步进电机设有两个并对应连接驱动第一滑块和第二滑块，所述X轴固定臂与第二滑块连接固定或Y轴固定臂与第一滑块连接固定，所述培养皿托架通过设置在培养皿托架上的连接臂对应连接在第一滑块或第二滑块上。
3.根据权利要求2所述超声转染装置，其特征在于：所述X轴固定臂与第二滑块、Y轴固定臂与第一滑块的连接均是通过滑轨和滑槽的配合滑动设置的，所述X轴固定臂和Y轴固定臂上均设置滑轨或滑槽，所述第二滑块和第一滑块上对应的设置滑槽或滑轨。
4.根据权利要求1所述超声转染装置，其特征在于：所述超声探头的顶部到培养皿底面的距离不大于5mm，且水槽槽底表面到培养皿底面的距离不大于3mm。
5.根据权利要求1所述超声转染装置，其特征在于：所述壳体内还设置有与控制电路板电性连接的进水泵和出水泵，所述进水泵和出水泵分别通过水管与水槽和壳体外的储水容器导通。
6.根据权利要求1所述超声转染装置，其特征在于：所述壳体上还连接有与控制电路板电性连接的显示控制单元。
7.根据权利要求1所述超声转染装置，其特征在于：所述培养皿是24孔培养板，所述机械传动装置还包括驱动培养皿上下移动的竖直驱动机构。
8.根据权利要求1所述超声转染装置，其特征在于：所述壳体包括底壳、中间箱体、中空的支架、带有视窗的上盖，所述超声探头、机械传动装置通过一个底座连接固定在底壳上，所述中间箱体连接在底壳上并使底座、超声探头、机械传动装置、水槽、培养皿、培养皿托架均位于中间箱体内，所述支架盖合在中间箱体上并与水槽形成培养皿水平移动的空间，所述上盖枢接并盖合在支架上。
9.根据权利要求1所述超声转染装置，其特征在于：所述控制电路板包括主控制电路板、与主控制电路板电性连接的控制机械传动装置的设有PLC控制器的副控制电路板，所述超声波驱动电源、电源接头均与主控制电路板电性连接，所述步进电机与副控制电路板电性连接。
10.根据权利要求9所述超声转染装置，其特征在于：所述主控制电路板上设置有稳压芯片、MCU、波形产生及控制电路单元、超声探头控制电路单元、控制驱动电路单元，所述稳压芯片电性连接电源，所述稳压芯片内包括芯片供电电压变压电路单元、可调电压控制输出功率电路单元、驱动芯片，所述芯片供电电压变压电路单元电性连接MCU，MCU反馈调节信号给可调电压控制输出功率电路单元，MCU输出有三个支路单元，三个支路单元分别是串口液晶显示单元、波形产生及控制电路单元、超声探头控制电路单元，所述可调电压控制输出功率电路单元、波形产生及控制电路单元、超声探头控制电路单元、驱动芯片均与控制驱动电路单元电性连接。
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