CN110004046B - 一种基于三维旋转的变重力细胞实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维旋转的变重力细胞实验装置，包括三维旋转单元、固定在三维旋转单元上的细胞恒向受力单元和连接三维旋转单元的监测控制单元；细胞培养瓶固定在细胞恒向受力单元上，可随三维旋转单元围绕球面旋转，产生各个方向的向心加速度，其相应离心力与重力可形成大小和方向时刻变化的合力，通过细胞恒向受力单元可以使细胞培养瓶始终与合力方向同步变化，监测控制单元可以监测细胞的受力情况并通过调控三维旋转单元转速而改变细胞受力大小，最终使细胞感受到大小可变的等效重力刺激。本发明可用于研究时变低重力、时变超重力以及科里奥利力等不同力学环境对细胞功能的影响。

Description

一种基于三维旋转的变重力细胞实验装置

技术领域

本发明属于生物力学实验设备领域，具体涉及一种基于三维旋转的变重力细胞实验装置。

背景技术

近年来我国载人航天事业飞速发展，逐步向中长期航天飞行阶段迈进。航天飞行中产生的微重力环境将会导致人体心血管系统、骨骼肌肉系统等发生一系列变化，严重危害航天员身体健康。因此，研究微重力下人体生理变化特征及规律，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。鉴于航天飞行机会及花费的限制，航天医学研究者开展了大量地面模拟微重力实验研究，发现了系列参与微重力影响人体生理功能的分子靶点和信号通路，但仍未完全揭示微重力或失重环境导致人体生理功能障碍的始动机制和发展机理。

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。在回转器上，生物样本仍处于重力场中，受到恒定的重力矢量作用。但由于回转器的转动，使得它所搭载的生物样本的运动方向不断发生改变，始终来不及对一定方向上的重力做出响应，从而模拟了在航天飞行情况下细胞的微重力生物学效应。回转器为在地面开展模拟微重力条件下细胞水平生物学效应及发生机制提供了经济高效的方式，但真实航天环境中不存在恒定的微重力，而是由多种力学环境形成的时刻变化的微重力和低重力力场，而回转器仅能模拟恒定微重力实验条件，无法实现某个低重力实验条件或者从微重力到正常重力乃至超重力的梯度变化实验条件设置，这有可能错过许多重要调控因子或者信号分子的发现。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于三维旋转的变重力细胞实验装置，克服目前模拟微重力生物效应研究中，无法实现时变重力对细胞功能影响的实验条件的缺陷。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种基于三维旋转的变重力细胞实验装置，包括三维旋转单元、固定在三维旋转单元上的细胞恒向受力单元和连接三维旋转单元的监测控制单元；所述三维旋转单元包括同心设置的绕径旋转环和绕轴旋转环；

所述绕径旋转环的水平直径两端外侧通过轴套和轮轴设于支架上，在轮轴一侧的支架上设有连接所述轮轴的第一电机，用以驱动轮轴带动绕径旋转环绕其水平直径进行360度旋转；

所述绕轴旋转环通过锚定滑轮连接在绕径旋转环内侧，且能相对于绕径旋转环做周向旋转；绕轴旋转环外侧设有齿纹，绕轴旋转环外侧啮合有直齿轮轴，直齿轮轴连接有第二电机，用以驱动直齿轮轴带动绕轴旋转环周向旋转；第二电机固定在绕径旋转环上；

所述第一电机和第二电机均与监测控制单元相连。

本发明还包括如下技术特征：

可选地，所述细胞恒向受力单元包括从外到内依次同心设置的半环形支架、外环和内环，还包括设在半环形支架下端的支撑杆、设在内环上且用以放置细胞培养瓶的置物板、设在置物板上的锥体支架以及设在椎体支架尖部的重锤；

所述外环直径方向两端外侧通过轴套与半环形支架内侧相连，以使外环能实现以自身直径为外环旋转中心轴进行旋转，内环直径方向两端外侧通过轴套与外环内侧两端相连，以使内环能实现以自身直径为内环旋转中心轴进行旋转；所述外环旋转中心轴与内环旋转中心轴互相垂直；

内环内侧左右两端通过轴套与置物板两端相连，以使置物板能实现以自身直径为置物板旋转中心轴进行旋转；所述置物板旋转中心轴与内环旋转中心轴互相垂直；

置物板背面固定所述锥体支架，重锤顶部到锥体支架底面的垂直距离小于内环半径；

所述支撑杆下端固定在所述绕轴旋转环内侧，支撑杆的上端安装所述半环形支架，且半环形支架开口向上，半环形支架的底部固定在支撑杆上端。

可选地，所述支撑杆为旋转伸缩式结构，能调节长短。

可选地，所述监测控制单元包括加速度传感器和控制器；

所述加速度传感器设在所述锥体支架底面，其能与放置于置物板上的细胞培养瓶保持同步转动，时刻监测细胞培养瓶受到的加速度，加速度传感器通过无线电与控制器连接。

控制器分别与第一电机和第二电机相连。

可选地，所述绕轴旋转环外侧面的齿纹为斜齿，且与直齿轮轴上的齿纹接触吻合；所述直齿轮轴一端通过轴套连于绕径旋转环，另一端与第二电机相连；

所述绕轴旋转环的前后两侧面均设有环形滑槽；

所述绕径旋转环的内侧设有导环槽。

可选地，所述的锚定滑轮包括开口向下的U型架、垂直固定在U型架顶板外部上端中间位置的轴杆以及设在U型架两侧板内壁的两个滚珠；

所述轴杆固定在绕径旋转环的导环槽内；

所述滚珠限位在绕轴旋转环的环形滑槽与U型架侧板内壁之间，且绕轴旋转环限位在U型架两侧板内壁的两个滚珠之间，用以使绕轴旋转环在锚定滑轮的两个滚珠之间滑行，保证绕轴旋转环能够与绕径旋转环同步绕径旋转的同时做周向旋转。

可选地，所述锚定滑轮有四个，四个锚定滑轮设于绕轴旋转环的四等分位置。

可选地，绕轴旋转环内侧面有多个螺丝孔，用以在绕轴旋转环内侧安装多个细胞恒向受力单元。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

(Ⅰ)本发明包括三维旋转单元、细胞恒向受力单元、监测控制单元等，细胞培养瓶固定在细胞恒向受力单元的置物板上，细胞恒向受力单元可随三维旋转单元围绕球面旋转，产生各个方向的向心加速度，从而使细胞受到相应的方向背离球心的离心力作用，该离心力与重力形成时刻变化的合力作用于细胞，从而实现变重力效果。

(Ⅱ)本发明通过细胞恒向受力单元可以使细胞培养瓶始终与合力方向同步变化，细胞恒向受力单元上的外环与半环形支架、内环与外环、置物板与内环之间均可发生相对转动，从而使得与置物板连接的重锤可以自由地到达球面任何一点位置，离心力与重力产生的合力作用于重锤，重锤带动置物板及其上细胞培养瓶转动，使得合力始终垂直作用于细胞培养瓶，监测控制单元可以监测细胞的受力情况并通过调控三维旋转单元中两台电机各自的转速而改变离心力方向和大小，最终使细胞感受到方向不变大小可调的等效重力刺激。

(Ⅲ)本发明通过监测控制单元控制绕径旋转环和绕轴旋转各自的转速，可以控制所生成的离心力大小和方向，例如可以使细胞培养瓶随细胞恒向受力单元转动时，始终处于上半球面或下半球面，从而产生时变低重力或时变超重力的效果；本发明可用于研究时变低重力、时变超重力以及科里奥利力等不同力学环境对细胞功能的影响。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的三维旋转单元结构示意图。

图3为本发明的细胞恒向受力单元结构示意图。

图4为本发明的锚定滑轮结构示意图。

图中各个标号的含义为：1-三维旋转单元，2-细胞恒向受力单元，3-监测控制单元；

11-绕径旋转环，12-绕轴旋转环，13-支架，14-第一电机，15-锚定滑轮，151-U型架，152-轴杆，153-侧板，154-滚珠，16-直齿轮轴，17-第二电机；

21-半环形支架，22-外环，23-内环，24-支撑杆，25-置物板，26-锥体支架，27-重锤；

31-加速度传感器，32-控制器。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

遵从上述技术方案，如图1至图4所示，本实施例给出一种基于三维旋转的变重力细胞实验装置，包括三维旋转单元1、固定在三维旋转单元1上的细胞恒向受力单元2和连接三维旋转单元1的监测控制单元3；三维旋转单元1包括同心设置的绕径旋转环11和绕轴旋转环12；固定于绕轴旋转环12上的细胞恒向受力单元2随之做球面运动，产生各个方向的向心加速度，其相应离心力与重力形成时刻变化的合力。绕径旋转环11的水平直径两端外侧通过轴套和轮轴设于支架13上，在轮轴一侧的支架13上设有连接轮轴的第一电机14，用以驱动轮轴带动绕径旋转环11绕其水平直径进行360度旋转；绕轴旋转环12通过锚定滑轮15连接在绕径旋转环11内侧，且能相对于绕径旋转环11做周向旋转；绕轴旋转环12外侧设有齿纹，绕轴旋转环12外侧啮合有直齿轮轴16，直齿轮轴16连接有第二电机17，用以驱动直齿轮轴16带动绕轴旋转环12周向旋转，第二电机17固定在绕径旋转环11上；第一电机14和第二电机17均与监测控制单元3相连，实现监测控制单元3对第一电机14和第二电机17的控制，具体的，在本实施例中，第一电机14和第二电机17均可通过导电刷与监测控制单元3相连。本发明细胞恒向受力单元2可随三维旋转单元1围绕球面旋转，产生各个方向的向心加速度，其相应离心力与重力可形成时刻变化的合力，通过细胞恒向受力单元2可以使细胞培养瓶始终与合力方向同步变化，监测控制单元3可以监测细胞的受力情况并通过调控三维旋转单元1中两台电机各自的转速而改变离心力方向和大小，最终使细胞感受到方向不变大小可调的等效重力刺激。

如图1和图3所示，细胞恒向受力单元2包括从外到内依次同心设置的半环形支架21、外环22和内环23，还包括设在半环形支架21下端的支撑杆24、设在内环23上且用以放置细胞培养瓶的置物板25、设在置物板25上的锥体支架26以及设在椎体支架26尖部的重锤27；外环22直径方向两端外侧通过轴套与半环形支架21内侧相连，以使外环22能实现以自身直径为外环旋转中心轴进行旋转，内环23直径方向两端外侧通过轴套与外环22内侧两端相连，以使内环23能实现以自身直径为内环旋转中心轴进行旋转；外环旋转中心轴与内环旋转中心轴互相垂直；内环23内侧左右两端通过轴套与置物板25两端相连，以使置物板25能实现以自身直径为置物板旋转中心轴进行旋转；置物板旋转中心轴与内环旋转中心轴互相垂直；置物板25背面固定锥体支架26，重锤27顶部到锥体支架26底面的垂直距离小于内环23半径。细胞恒向受力单元2通过支撑杆24固定在绕轴旋转环12内侧，可随之做球面运动；在离心力与重力形成的合力作用下，重锤27通过外环22、内环23和置物板25等形成的小型三维旋转结构可以自由到达球面任何位置，始终保持与合力方向一致，重锤27带动置物板25及其上的细胞培养瓶一起移动，使合力始终垂直作用于细胞培养瓶及其内的细胞上。

更具体的，支撑杆24下端固定在绕轴旋转环12内侧，支撑杆24的上端安装半环形支架21，且半环形支架21开口向上，半环形支架21的底部固定在支撑杆24上端。

在本实施例中，支撑杆24为旋转伸缩式结构，能调节长短，从而使细胞产生不同的旋转半径，以达到调节离心力大小的需要，适用于不同的试验要求。

如图1和图3所示，监测控制单元3包括加速度传感器31和控制器32；加速度传感器31设在锥体支架26底面，其能与放置于置物板25上的细胞培养瓶保持同步转动，时刻监测细胞培养瓶受到的加速度，加速度传感器31通过无线电与控制器32连接。

控制器32分别与第一电机14和第二电机17相连，可以分别控制两台电机以不同的速度旋转。

绕轴旋转环12外侧面的齿纹为斜齿，且与直齿轮轴16上的齿纹接触吻合；直齿轮轴16一端通过轴套连于绕径旋转环11，另一端与第二电机17相连；绕轴旋转环12的前后两侧面均设有环形滑槽；绕径旋转环11的内侧设有导环槽。

锚定滑轮15包括开口向下的U型架151、垂直固定在U型架151顶板外部上端中间位置的轴杆152以及设在U型架151两侧板153内壁的两个滚珠154；轴杆152固定在绕径旋转环11的导环槽内；滚珠154限位在绕轴旋转环12的环形滑槽与U型架151的侧板153内壁之间，且绕轴旋转环12限位在U型架151两侧板153内壁的两个滚珠154之间，用以使绕轴旋转环12在锚定滑轮15的两个滚珠154之间滑行，保证绕轴旋转环12能够与绕径旋转环11同步绕径旋转的同时做周向旋转。

在本实施例中，锚定滑轮15有四个，四个锚定滑轮15设于绕轴旋转环12的四等分位置，用以实现绕轴旋转环12与绕径旋转环11的同心设置，且实现绕轴旋转环12能够与绕径旋转环11同步绕径旋转的同时做周向旋转。

绕轴旋转环12内侧面有多个螺丝孔，用以在绕轴旋转环12内侧安装多个细胞恒向受力单元2。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (5)

1.一种基于三维旋转的变重力细胞实验装置，其特征在于，包括三维旋转单元(1)、固定在三维旋转单元(1)上的细胞恒向受力单元(2)和连接三维旋转单元(1)的监测控制单元(3)；所述三维旋转单元(1)包括同心设置的绕径旋转环(11)和绕轴旋转环(12)；

所述绕径旋转环(11)的水平直径两端外侧通过轴套和轮轴设于支架(13)上，在轮轴一侧的支架(13)上设有连接所述轮轴的第一电机(14)；

所述绕轴旋转环(12)通过锚定滑轮(15)连接在绕径旋转环(11)内侧，且能相对于绕径旋转环(11)做周向旋转；绕轴旋转环(12)外侧设有齿纹，绕轴旋转环(12)外侧啮合有直齿轮轴(16)，直齿轮轴(16)连接有第二电机(17)，第二电机(17)固定在绕径旋转环(11)上；

所述第一电机(14)和第二电机(17)均与监测控制单元(3)相连；

所述细胞恒向受力单元(2)包括从外到内依次同心设置的半环形支架(21)、外环(22)和内环(23)，还包括设在半环形支架(21)下端的支撑杆(24)、设在内环(23)上且用以放置细胞培养瓶的置物板(25)、设在置物板(25)上的锥体支架(26)以及设在椎体支架(26)尖部的重锤(27)；

所述外环(22)直径方向两端外侧通过轴套与半环形支架(21)内侧相连，以使外环(22)能实现以自身直径为外环旋转中心轴进行旋转，内环(23)直径方向两端外侧通过轴套与外环(22)内侧两端相连，以使内环(23)能实现以自身直径为内环旋转中心轴进行旋转；所述外环旋转中心轴与内环旋转中心轴互相垂直；

内环(23)内侧左右两端通过轴套与置物板(25)两端相连，以使置物板(25)能实现以自身直径为置物板旋转中心轴进行旋转；所述置物板旋转中心轴与内环旋转中心轴互相垂直；

置物板(25)背面固定所述锥体支架(26)，重锤(27)顶部到锥体支架(26)底面的垂直距离小于内环(23)半径；

所述支撑杆(24)下端固定在所述绕轴旋转环(12)内侧，支撑杆(24)的上端安装所述半环形支架(21)，且半环形支架(21)开口向上，半环形支架(21)的底部固定在支撑杆(24)上端；

所述监测控制单元(3)包括加速度传感器(31)和控制器(32)；

所述加速度传感器(31)设在所述锥体支架(26)底面，其能与放置于置物板(25)上的细胞培养瓶保持同步转动，时刻监测细胞培养瓶受到的加速度，加速度传感器(31)通过无线电与控制器(32)连接；

控制器(32)分别与第一电机(14)和第二电机(17)相连；

所述绕轴旋转环(12)外侧面的齿纹为斜齿，且与直齿轮轴(16)上的齿纹接触吻合；所述直齿轮轴(16)一端通过轴套连于绕径旋转环(11)，另一端与第二电机(17)相连；

所述绕轴旋转环(12)的前后两侧面均设有环形滑槽；

所述绕径旋转环(11)的内侧设有导环槽。

2.如权利要求1所述的基于三维旋转的变重力细胞实验装置，其特征在于，所述支撑杆(24)为旋转伸缩式结构，能调节长短。

3.如权利要求1所述的基于三维旋转的变重力细胞实验装置，其特征在于，所述的锚定滑轮(15)包括开口向下的U型架(151)、垂直固定在U型架(151)顶板外部上端中间位置的轴杆(152)以及设在U型架(151)两侧板(153)内壁的两个滚珠(154)；

所述轴杆(152)固定在绕径旋转环(11)的导环槽内；

所述滚珠(154)限位在绕轴旋转环(12)的环形滑槽与U型架(151)的侧板(153)内壁之间，且绕轴旋转环(12)限位在U型架(151)两侧板(153)内壁的两个滚珠(154)之间，用以使绕轴旋转环(12)在锚定滑轮(15)的两个滚珠(154)之间滑行，保证绕轴旋转环(12)能够与绕径旋转环(11)同步绕径旋转的同时做周向旋转。

4.如权利要求3所述的基于三维旋转的变重力细胞实验装置，其特征在于，所述锚定滑轮(15)有四个，四个锚定滑轮(15)设于绕轴旋转环(12)的四等分位置。

5.如权利要求1所述的基于三维旋转的变重力细胞实验装置，其特征在于，绕轴旋转环(12)内侧面有多个螺丝孔，用以在绕轴旋转环(12)内侧安装多个细胞恒向受力单元(2)。