CN111423981A - 高纯度干细胞培养自动化设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高纯度干细胞培养自动化设备，包括培养箱、打印头、三轴驱动机构、细胞培养机构以及控制器，所述细胞培养机构包括红外发射管、红外接收管、电磁铁、电磁开关、电池组、按压按钮以及对称设置的培养基板，驱动打印头上升并离开红外发射管和红外接收管之间时，红外接收管会接收到红外发射管的红外光并产生电信号传输给控制器，控制器控制电磁开关打开，切断电磁铁的电源供给，使其失去磁性，弹簧则可以将培养基板弹出，两侧培养基板接触时触发按压按钮，三轴驱动机构可以驱动打印头将带有干细胞的生物溶胶打印在培养基板上，整个过程无需人工参与，自动化程度高，且可以为细胞提供有利的生长环境，提高细胞培养的纯度。

Description

高纯度干细胞培养自动化设备
技术领域
本发明涉及细胞培养技术领域，特别涉及一种高纯度干细胞培养自动化设备。
背景技术
干细胞具有自我更新的能力，并且可分化为特定的细胞类型，因此对于干细胞的培养和研究在细胞治疗、组织工程学和再生医学以及药物和生物技术应用上有着巨大的前景，目前对于干细胞的培养基本都是人工将细胞溶胶添加在平面培养基上，这种方法下，细胞扩大程度有限，且长期传代后，细胞往往失去克隆和分化能力，导致培养出的干细胞纯度较低，无法适用于医学使用，并且自动化程度较低，需要耗费较多的人力。
发明内容
鉴以此，本发明提出高纯度干细胞培养自动化设备，采用细胞打印技术为细胞培养构建3D环境，为细胞培养提供模拟人体的微环境，提高细胞培养纯度，同时自动化程度较高，可以减少人力的使用。
本发明的技术方案是这样实现的：
高纯度干细胞培养自动化设备，括培养箱、打印头、三轴驱动机构、细胞培养机构以及控制器，所述培养箱包括培养腔，所述三轴驱动机构设置在培养腔上方，并与打印头连接；所述细胞培养机构包括红外发射管、红外接收管、电磁铁、电磁开关、电池组、按压按钮以及对称设置的培养基板，所述培养基板滑动嵌入到培养腔侧壁中，并与弹簧连接，其位于培养腔侧壁中的一侧设置有金属板，所述电磁铁设置在培养腔侧壁中并与金属板接触，所述电磁铁、电磁开关以及电池组组成电路回路；所述红外发射管和红外接收管对称设置在培养基板相对的侧面上，所述打印头的初始位置位于红外发射管和红外接收管之间，所述按压按钮设置红外发射管所在的培养基板侧面上；所述控制器分别与三轴驱动机构、打印头、红外发射管、红外接收管、电磁开关以及按压按钮电连接。
优选的，所述培养基板包括第一连接板、第二连接板以及旋转杆，所述旋转杆转动设置在第一连接板和第二连接板中间，所述红外发射管、红外接收管以及按压按钮设置在第二连接板上，所述金属板设置在第一连接板一侧，所述第一连接板以及第二连接板与培养腔侧壁内部滑动连接。
优选的，还包括常开按钮，所述常开按钮设置在红外发射管所在的第二连接板侧面上，所述第一连接板内部设置有旋转电机，所述旋转杆端部伸入到第一连接板内部并与旋转电机输出轴连接，所述旋转杆位于第一连接板内部的一端上设置有齿轮，不同旋转杆上的齿轮依次啮合；所述常开按钮与旋转电机以及电池组组成另一电路回路。
优选的，所述培养腔侧壁设置有安装槽，所述安装槽侧壁设置有滑槽，所述第一连接板和第二连接板侧壁设置有滑块，所述滑块位于滑槽中，所述弹簧以及电磁铁设置在安装槽内部。
优选的，所述旋转杆上设置有若干个通孔，所述通孔连通旋转杆内外部。
优选的，所述三轴驱动机构包括X轴驱动组件、Y轴驱动组件以及Z轴驱动组件，所述Y轴驱动组件设置在培养箱上表面，并横跨在培养腔上方，所述X轴驱动组件设置在Y轴驱动组件上，所述Z轴驱动组件设置在X轴驱动组件上，并与打印头连接，所述控制器分别与X轴驱动组件、Y轴驱动组件以及Z轴驱动组件电连接。
优选的，还包括控制面板，所述控制面板设置在培养箱外表面，并与控制器电连接。
优选的，还包括用于存储带有干细胞的生物溶胶的存储箱，所述打印头通过连接管与存储箱连接。
优选的，所述打印头内设置有电控阀，所述控制器与电控阀电连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种高纯度干细胞培养自动化设备，用于细胞的3D打印培养中，打印头向上移动离开红外发射管和红外接收管之间时，控制器可以控制电磁开关开启，使得电磁铁失去电能供给后不带有磁性，从而培养基板在弹簧的作用下弹出到培养腔内部，对称设置的培养基板会相互接触，从而使得培养基板侧面上的按压按钮被触发，当按压按钮按下时，控制器可以控制打印头将带有干细胞的生物溶胶打印在培养基板上，通过设置多层培养基板可以为细胞培养构建3D环境，以保证细胞培养的纯度，同时整个细胞培养过程自动化程度较高，无需人工参与，减少人力的使用，避免人工参与而出现误差导致细胞培养效果变差。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的高纯度干细胞培养自动化设备的结构图；
图2为本发明的高纯度干细胞培养自动化设备的细胞培养机构的结构图；
图3为本发明的高纯度干细胞培养自动化设备的第一连接板与安装槽的连接结构示意图；
图4为本发明的高纯度干细胞培养自动化设备的电气回路图；
图5为本发明的高纯度干细胞培养自动化设备的原理图；
图中，1为培养箱，2为打印头，3为控制器，4为培养腔，5为红外发射管，6为红外接收管，7为电磁铁，8为电磁开关，9为电池组，10为按压按钮，11为培养基板，12为弹簧，13为金属板，14为第一连接板，15为第二连接板，16为旋转杆，17为常开按钮，18为旋转电机，20为齿轮，21为安装槽，22为滑槽，23为滑块，24为通孔，25为X轴驱动组件，26为Y轴驱动组件，27为Z轴驱动组件，28为控制面板，29为存储箱，30为电控阀。
具体实施方式
为了更好理解本发明技术内容，下面提供一具体实施例，并结合附图对本发明做进一步的说明。
参见图1至图5，本发明提供的高纯度干细胞培养自动化设备，括培养箱1、打印头2、三轴驱动机构、细胞培养机构以及控制器3，所述培养箱1包括培养腔4，所述三轴驱动机构设置在培养腔4上方，并与打印头2连接；所述细胞培养机构包括红外发射管5、红外接收管6、电磁铁7、电磁开关8、电池组9、按压按钮10以及对称设置的培养基板11，所述培养基板11滑动嵌入到培养腔4侧壁中，并与弹簧12连接，其位于培养腔4侧壁中的一侧设置有金属板13，所述电磁铁7设置在培养腔4侧壁中并与金属板13接触，所述电磁铁7、电磁开关8以及电池组9组成电路回路；所述红外发射管5和红外接收管6对称设置在培养基板11相对的侧面上，所述打印头2的初始位置位于红外发射管5和红外接收管6之间，所述按压按钮10设置红外发射管5所在的培养基板11侧面上；所述控制器3分别与三轴驱动机构、打印头2、红外发射管5、红外接收管6、电磁开关8以及按压按钮10电连接。
本发明的高纯度干细胞培养自动化设备，应用于细胞的3D打印培养中，通过三轴驱动机构可以驱动打印头2在XYZ三个方向上的移动，从而打印头2可以将带有细胞的生物溶胶(水凝胶体系)打印在细胞培养机构上，细胞培养机构可以设置成多个，从而可以为细胞的培养提供较大的空间，保证细胞培养的纯度以及效果。
本发明在未使用时，打印头2伸入到培养腔4内部，其底端位于细胞培养机构的下方，细胞培养机构包括对称设置的两块培养基板11，培养基板11在初始状态下均嵌入到培养腔4的侧壁中，在培养基板11的侧面设置了金属板13，同时在培养腔4的侧壁内部设置了电磁铁7，通过电磁铁7吸引金属板13来实现对培养基板11的固定，在培养基板11与培养腔4侧壁内部之间设置了弹簧12，电磁铁7吸引金属板13的磁力大于弹簧12的弹力，因此在初始状态下，弹簧12处于压缩状态，在培养基板11相对的侧面上设置了红外发射管5、红外接收管6以及按压按钮10，其中按压按钮10和红外发射管5位于同一块培养基板11上，而红外接收管6位于另一块培养基板11侧面，并与红外发射管5的位置相对应，打印头2初始位置下位于红外发射管5和红外接收管6的光路之间，当要进行细胞培养时，控制器3控制三轴驱动机构驱动打印头2向上移动，当打印头2移动到培养基板11上方时，红外接收管6可以接收到红外发射管5发出的红外光，并产生电信号给控制器3，控制器3接收到电信号控制三轴驱动机构停止工作，并同时控制电磁开关8打开，使得电磁开关8、电磁铁7以及电池组9组成的电路回路断开，电池组9的电能无法传输给电磁铁7，电磁铁7失去磁性后无法吸引金属板13，从而在弹簧12的弹力作用下，两侧的培养基板11弹出并相互接触组成完整的板块，从而打印头2可以将带有干细胞的溶胶打印在培养基板11上。
在两侧的培养基板11弹出接触时，位于其中一块培养基板11侧面的按压按钮10会被按压下去，从而发送电信号给控制器3，此时控制器3可以发送工作信号给三轴驱动机构，由三轴驱动机构按照既定的路线将细胞溶胶打印在培养基板11上，设置按压按钮10的作用在于可以保证培养基板11相互接触后才开始进行细胞打印，而不是在打印头2离开红外发射管5和红外接收管6之间时就进行打印，保证细胞溶胶可以完整的打印在培养基板11上。
本发明的细胞培养机构可以设置成多个，即培养基板11设置成多层的结构，并且红外发射管5和红外接收管6也设置成多组，只有在所有的红外接收管6均接收到红外发射管5发射的红外光时，控制器3才会控制电磁开关8打开，打印头2从最底下的培养基板11依次向上移动，当打印头2移动到最底下的培养基板11的上方时，培养基板11弹出后，三轴驱动机构驱动打印头2在培养基板11上按照既定的路线移动进行细胞打印，而在对最底下的培养基板11进行细胞打印的过程中，无论打印头2在X和Y方向上如何移动，上方的的培养基板11上始终会有一组红外发射管5和红外接收管6被打印头2所阻挡，即打印头2的宽度大于红外发射管5之间的间隔，因此在对下方的培养基板11进行细胞打印时，上方的培养基板11不会自动弹出，只有在打印头2的下端移动到该培养基板11的上方时，培养基板11才会弹出，通过这样的设计可以防止对下方培养基板11进行细胞打印时上方的培养基板11自动弹出，同时可以实现对细胞在不同高度培养基板11上的打印，可以扩大细胞培养的密度，保证细胞有充足的培养空间。
优选的，所述培养基板11包括第一连接板14、第二连接板15以及旋转杆16，所述旋转杆16转动设置在第一连接板14和第二连接板15中间，所述红外发射管5、红外接收管6以及按压按钮10设置在第二连接板15上，所述金属板13设置在第一连接板14一侧，所述第一连接板14以及第二连接板15与培养腔4侧壁内部滑动连接。
培养基板11包括可以转动的旋转杆16，在进行细胞打印时，可以将带有干细胞的溶胶打印在旋转杆16上，在打印的同时转动旋转杆16，使得细胞溶胶可以呈螺旋状附在旋转杆16上，从而可以为细胞培养提供模拟人体的3D微环境，保证细胞培养的质量，而第一连接板14和第二连接板15作为连接旋转杆16的载体，其侧面与培养腔4侧壁为滑动连接。
优选的，还包括常开按钮17，所述常开按钮17设置在红外发射管5所在的第二连接板15侧面上，所述第一连接板14内部设置有旋转电机18，所述旋转杆端部伸入到第一连接板内部并与旋转电机输出轴连接，所述旋转杆16位于第一连接板14内部的一端上设置有齿轮20，不同旋转杆16上的齿轮20依次啮合；所述常开按钮17与旋转电机18以及电池组9组成另一电路回路。
为了实现在打印头2进行细胞打印时，旋转杆16可以自动旋转，本发明还设置了常开按钮17、旋转电机18以及齿轮20，齿轮20位于旋转杆16的端部，所有的齿轮20相互啮合，常开按钮17与旋转电机18以及电池组9组成另一个电路回路，正常状态下，常开按钮17处于打开状态，此时电池组9的电能无法传输给旋转电机18，旋转电机18不工作，当培养基板11弹出时，常开按钮17受到挤压变成闭合状态，旋转电机18接收电池组9的电能开始工作，并带动齿轮20转动，从而使所有的旋转杆16发生转动，当打印头2沿着旋转杆16的径向方向移动打印时，可以在旋转杆16上形成螺旋状的溶胶体系，从而形成3D化的培养，为细胞培养提供模拟人体的微环境，保证干细胞培养的纯度。
优选的，所述培养腔4侧壁设置有安装槽21，所述安装槽21侧壁设置有滑槽22，所述第一连接板14和第二连接板15侧壁设置有滑块23，所述滑块23位于滑槽22中，所述弹簧12以及电磁铁7设置在安装槽21内部。
培养基板11在受到弹簧12弹力弹出时，第一连接板14和第二连接板15侧壁的滑块23可以沿着培养腔4侧壁的安装槽21侧壁上的滑槽22进行滑动。
优选的，所述旋转杆16上设置有若干个通孔24，所述通孔24连通旋转杆16内外部。
通过在旋转杆16上设置若干通孔24，可以为细胞生长提供空气流动环境，空气可以从旋转杆16外部进入到其内部后，从流到外部，实现空气的循环流动，为细胞生长提供有利的生长环境。
优选的，所述三轴驱动机构包括X轴驱动组件25、Y轴驱动组件26以及Z轴驱动组件27，所述Y轴驱动组件26设置在培养箱1上表面，并横跨在培养腔4上方，所述X轴驱动组件25设置在Y轴驱动组件26上，所述Z轴驱动组件27设置在X轴驱动组件25上，并与打印头2连接，所述控制器3分别与X轴驱动组件25、Y轴驱动组件26以及Z轴驱动组件27电连接。
打印头2在整个细胞打印过程中，需要在XYZ三个方向上进行移动，其中打印头2与Z轴驱动组件27连接，由Z轴驱动组件27控制打印头2在Z方向上的移动，而Z轴驱动组件27设置在X轴驱动组件25上，由X轴驱动组件25驱动Z轴驱动组件27和打印头2在X方向上的移动，X轴驱动组件25则是设置在Y轴驱动组件26上，由Y轴驱动组件26驱动X轴驱动组件25、Z轴驱动组件27以及打印头2在Y方向上的移动，而X轴驱动组件25、Y轴驱动组件26以及Z轴驱动组的移动由控制器3来进行控制。
优选的，还包括控制面板28，所述控制面板28设置在培养箱1外表面，并与控制器3电连接。
控制面板28可以向控制器3发送控制信息，其上可以设置多种按钮，例如电磁铁7的启动按钮，按压电磁铁7的启动按钮时，控制器3控制电磁开关8闭合，从而使得电磁铁7通电带磁，此时可以将培养基板11推动到安装槽21内，并通过电磁铁7的磁力实现培养基板11的嵌入式固定。
优选的，还包括用于存储带有干细胞的生物溶胶的存储箱29，所述打印头2通过连接管与存储箱29连接。
打印头2从存储箱29中抽取带有干细胞的生物溶胶，然后将胶体打印在培养基板11上。
优选的，所述打印头2内设置有电控阀30，所述控制器3与电控阀30电连接。
在打印头2内设置有电控阀30，通过控制器3可以控制电控阀30的开启和关闭。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.高纯度干细胞培养自动化设备，其特征在于，包括培养箱、打印头、三轴驱动机构、细胞培养机构以及控制器，所述培养箱包括培养腔，所述三轴驱动机构设置在培养腔上方，并与打印头连接；所述细胞培养机构包括红外发射管、红外接收管、电磁铁、电磁开关、电池组、按压按钮以及对称设置的培养基板，所述培养基板滑动嵌入到培养腔侧壁中，并与弹簧连接，其位于培养腔侧壁中的一侧设置有金属板，所述电磁铁设置在培养腔侧壁中并与金属板接触，所述电磁铁、电磁开关以及电池组组成电路回路；所述红外发射管和红外接收管对称设置在培养基板相对的侧面上，所述打印头的初始位置位于红外发射管和红外接收管之间，所述按压按钮设置红外发射管所在的培养基板侧面上；所述控制器分别与三轴驱动机构、打印头、红外发射管、红外接收管、电磁开关以及按压按钮电连接。
2.根据权利要求1所述的高纯度干细胞培养自动化设备，其特征在于，所述培养基板包括第一连接板、第二连接板以及旋转杆，所述旋转杆转动设置在第一连接板和第二连接板中间，所述红外发射管、红外接收管以及按压按钮设置在第二连接板上，所述金属板设置在第一连接板一侧，所述第一连接板以及第二连接板与培养腔侧壁内部滑动连接。
3.根据权利要求2所述的高纯度干细胞培养自动化设备，其特征在于，还包括常开按钮，所述常开按钮设置在红外发射管所在的第二连接板侧面上，所述第一连接板内部设置有旋转电机，所述旋转杆端部伸入到第一连接板内部并与旋转电机输出轴连接，所述旋转杆位于第一连接板内部的一端上设置有齿轮，不同旋转杆上的齿轮依次啮合；所述常开按钮与旋转电机以及电池组组成另一电路回路。
4.根据权利要求2所述的高纯度干细胞培养自动化设备，其特征在于，所述培养腔侧壁设置有安装槽，所述安装槽侧壁设置有滑槽，所述第一连接板和第二连接板侧壁设置有滑块，所述滑块位于滑槽中，所述弹簧以及电磁铁设置在安装槽内部。
5.根据权利要求2所述的高纯度干细胞培养自动化设备，其特征在于，所述旋转杆上设置有若干个通孔，所述通孔连通旋转杆内外部。
6.根据权利要求1所述的高纯度干细胞培养自动化设备，其特征在于，所述三轴驱动机构包括X轴驱动组件、Y轴驱动组件以及Z轴驱动组件，所述Y轴驱动组件设置在培养箱上表面，并横跨在培养腔上方，所述X轴驱动组件设置在Y轴驱动组件上，所述Z轴驱动组件设置在X轴驱动组件上，并与打印头连接，所述控制器分别与X轴驱动组件、Y轴驱动组件以及Z轴驱动组件电连接。
7.根据权利要求1所述的高纯度干细胞培养自动化设备，其特征在于，还包括控制面板，所述控制面板设置在培养箱外表面，并与控制器电连接。
8.根据权利要求1所述的高纯度干细胞培养自动化设备，其特征在于，还包括用于存储带有干细胞的生物溶胶的存储箱，所述打印头通过连接管与存储箱连接。
9.根据权利要求1所述的高纯度干细胞培养自动化设备，其特征在于，所述打印头内设置有电控阀，所述控制器与电控阀电连接。
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