CN111763622A - 磁驱微纳机器人用活细胞体外原位培养测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及培养测试系统，更具体的说是磁驱微纳机器人用活细胞体外原位培养测试系统，包括磁场发生部件、温度控制部件、体视镜、恒温培养环境部件和培养皿，所述恒温培养环境部件内设置有体视镜，体视镜上放置有培养皿，磁场发生部件为培养皿的内部提供可控外源磁场，温度控制部件连接在恒温培养环境部件上，可以通过磁场发生部件输出精准可控的磁场，温度控制部件用于维持恒温培养环境部件尤其是装有实验样本的培养皿附近温度稳定并满足需要；体视镜用于磁驱微纳机器人与血液或细胞组织的实验现象观察；恒温培养环境部件，作为温度控制部件的控制对象，用于给体视镜以及装有样本的培养皿提供一个相对封闭的空间便于温度控制。

Description

磁驱微纳机器人用活细胞体外原位培养测试系统
技术领域
本发明涉及培养测试系统，更具体的说是磁驱微纳机器人用活细胞体外原位培养测试系统。
背景技术
微纳机器人，又称微纳马达，纳米马达等，是一种微纳尺度下能够将光能、电能、磁能以及化学能等不同形式的能量转化为驱动力和自身动能的装置。微纳机器人具有能够用于自身运动的原位能量转换功能，这个特性赋予了微纳机器人在生物医疗领域巨大的应用潜力。目前关于微纳机器人在生物医疗领域开展的研究方向有很多，其中比较有代表性的就有通过微纳机器人促进心肌细胞等细胞组织进行再生、利用微纳机器人进行药物的靶向运输等。但是如果要实现微纳机器人进入生物体内进行促进细胞组织的再生等相关实验，首先就需要在体外完成微纳机器人在血液等体液中运动规律的探究。也只有在完成微纳机器人在体外血液中运动状态的研究之后，微纳机器人在体内的相关实验才能得到进一步拓展，微纳机器人在生物医疗领域的应用才能更早取得突破。
然而要进行微纳机器人与血液或者细胞组织的实验时，现有的细胞培养技术不能满足要求。现有的培养技术基本都是非原位培养，在进行实验时，需要将微纳机器人与细胞组织的样本转移到恒温培养环境部件内培养，然后再取出置于显微镜下观察。这个过程中，首先是培养的过程不可观察，而且在来回转移样本的过程中，样本中微纳机器人与血液或者细胞组织的位置会发生巨大的变化，这对于探究微纳机器人在这种环境下的运动状态显然是非常不合适的。要进行此类实验，就需要保证样本位于显微镜观测环境下的同时，给血液或细胞组织提供合适的培养环境，给微纳机器人提供驱动环境，能够让样本保持原有位置的状态下进行实验现象的观测和探究。因此如何保持血液和细胞组织在体视镜观察环境下给其提供合适的温度环境，同时还要能提供精准控制微纳机器人运动的外源磁场，已经成为一个亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供磁驱微纳机器人用活细胞体外原位培养测试系统，可以在保持血液和细胞组织在体视镜观察环境下给其提供合适的温度环境，同时还要能提供精准控制微纳机器人运动的外源磁场。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
磁驱微纳机器人用活细胞体外原位培养测试系统，包括磁场发生部件、温度控制部件、体视镜、恒温培养环境部件和培养皿，所述恒温培养环境部件内设置有体视镜，体视镜上放置有培养皿，磁场发生部件为培养皿的内部提供可控外源磁场，温度控制部件连接在恒温培养环境部件上。
作为本技术方案的进一步优化，本发明磁驱微纳机器人用活细胞体外原位培养测试系统，所述磁场发生部件包括磁场控制模块、磁场驱动模块和磁场执行模块，磁场执行模块固定连接在体视镜上，培养皿位于磁场执行模块的内部，磁场执行模块由异形三维亥姆霍兹线圈构成，磁场控制模块、磁场驱动模块和磁场执行模块之间通过信号线的方式互相连接。
作为本技术方案的进一步优化，本发明磁驱微纳机器人用活细胞体外原位培养测试系统，所述异形三维亥姆霍兹线圈由三组线圈两两正交组装成。
作为本技术方案的进一步优化，本发明磁驱微纳机器人用活细胞体外原位培养测试系统，所述磁场驱动模块包括数据板卡和功率放大器，数据板卡输出交变模拟电压，功率放大器对交变模拟电压进行放大，作用到磁场执行模块上产生相应的旋转匀强磁场。
作为本技术方案的进一步优化，本发明磁驱微纳机器人用活细胞体外原位培养测试系统，所述温度控制部件包括加热执行模块和加热控制模块，加热控制模块包括控制盒和温度传感器，加热执行模块和温度传感器均通过信号线于控制盒连接，加热执行模块通过管道连接在恒温培养环境部件上。
作为本技术方案的进一步优化，本发明磁驱微纳机器人用活细胞体外原位培养测试系统，所述温度传感器位于磁场执行模块的中心。
作为本技术方案的进一步优化，本发明磁驱微纳机器人用活细胞体外原位培养测试系统，所述加热执行模块由可调速风扇、加热丝、散热片和内外壳体构成。
作为本技术方案的进一步优化，本发明磁驱微纳机器人用活细胞体外原位培养测试系统，所述控制盒包括单片机和PCB电路板，单片机和可调速风扇连接，温度传感器和单片机连接，加热丝通过硬件电路和单片机连接。
作为本技术方案的进一步优化，本发明磁驱微纳机器人用活细胞体外原位培养测试系统，所述控制盒还包括显示屏、按钮和旋钮。
本发明磁驱微纳机器人用活细胞体外原位培养测试系统的有益效果为：
本发明磁驱微纳机器人用活细胞体外原位培养测试系统，可以通过磁场发生部件输出精准可控的磁场，温度控制部件用于维持恒温培养环境部件尤其是装有实验样本的培养皿附近温度稳定并满足需要；体视镜用于磁驱微纳机器人与血液或细胞组织的实验现象观察；恒温培养环境部件，作为温度控制部件的控制对象，用于给体视镜以及装有样本的培养皿提供一个相对封闭的空间便于温度控制。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
在本发明的描述中,需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”和“竖着”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是直接连接，亦可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中,除非另有说明，“多个”、“多组”、“多根”的含义是两个或两个以上。
图1是本发明的磁驱微纳机器人用活细胞体外原位培养测试系统整体结构示意图；
图2是本发明的磁驱微纳机器人用活细胞体外原位培养测试系统局部结构示意图。
图中：磁场控制模块101；数据板卡102；功率放大器103；磁场执行模块104；加热执行模块201；控制盒202；温度传感器203；体视镜3；恒温培养环境部件4。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式一：
下面结合图1-2说明本实施方式，磁驱微纳机器人用活细胞体外原位培养测试系统，包括磁场发生部件、温度控制部件、体视镜3、恒温培养环境部件4和培养皿，所述恒温培养环境部件4内设置有体视镜3，体视镜3上放置有培养皿，磁场发生部件为培养皿的内部提供可控外源磁场，温度控制部件连接在恒温培养环境部件4上；可以通过磁场发生部件输出精准可控的磁场，温度控制部件用于维持恒温培养环境部件4尤其是装有实验样本的培养皿附近温度稳定并满足需要；体视镜3用于磁驱微纳机器人与血液或细胞组织的实验现象观察；恒温培养环境部件4，作为温度控制部件的控制对象，用于给体视镜3以及装有样本的培养皿提供一个相对封闭的空间便于温度控制；体视镜3具有镜头大，观测视野广阔的特点，能够进一步观察毫米级的生物体，例如斑马鱼等；所述体视镜3还具有明场、暗场以及斜射场三种观测环境，适用于观测生物细胞组织的相关实验；恒温培养环境部件4上设置有开合门。
具体实施方式二：
下面结合图1-2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述磁场发生部件包括磁场控制模块101、磁场驱动模块和磁场执行模块104，磁场执行模块104固定连接在体视镜3上，培养皿位于磁场执行模块104的内部，磁场执行模块104由异形三维亥姆霍兹线圈构成，磁场控制模块101、磁场驱动模块和磁场执行模块104之间通过信号线的方式互相连接；异形三维亥姆霍兹线圈的结构设计在保证观测平面与镜头底部高度差为60mm体视镜物镜工作距离，的条件下维持观测平面位于磁场中心区域；同时异形三维亥姆霍兹线圈能够产生磁场强度高达20mt，匀强范围达到15×15mm的旋转匀强磁场；采用Z轴线圈最大的异形线圈设计能够在产生相同强度磁场的情况下增大线圈中心的有效空间，方便放置装有细胞组织等样本的培养皿，同时考虑到体视镜3斜射场的工作环境，采用异形三维亥姆霍兹线圈中心空间更大，能够更好的满足斜射场的观察条件；使用labview软件对所述数据板卡输出的模拟电压进行控制，通过上位机软件编写可视化界面，改变数据板卡输出模拟电压的幅值大小和频率来实现对旋转匀强磁场的磁感应强度、频率以及作用平面的调整。
具体实施方式三：
下面结合图1-2说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，所述异形三维亥姆霍兹线圈由三组线圈两两正交组装成；在磁场发生部件中，磁场执行模块104输出的旋转匀强磁场的磁感应强度、频率、以及作用平面都可以通过磁场控制模块101中的上位机软件直接进行调整，可以实时改变微纳机器人的运动状态。所述磁场发生部件能够输出磁感应强度达20mT，磁场频率0～100Hz，任意作用平面的旋转匀强磁场用于控制微纳机器人的运动。
具体实施方式四：
下面结合图1-2说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，所述磁场驱动模块包括数据板卡102和功率放大器103，数据板卡102输出交变模拟电压，功率放大器103对交变模拟电压进行放大，作用到磁场执行模块104上产生相应的旋转匀强磁场。
具体实施方式五：
下面结合图1-2说明本实施方式，本实施方式对实施方式四作进一步说明，所述温度控制部件包括加热执行模块201和加热控制模块，加热控制模块包括控制盒202和温度传感器203，加热执行模块201和温度传感器203均通过信号线于控制盒202连接，加热执行模块201通过管道连接在恒温培养环境部件4上；温度控制部件采用的是循环加热的方式，也即所述温度执行模块201出风口流出的气体需要回到进风口内，因此需要提供一个相对密闭的实验环境；通过所述恒温培养环境部件4给装有样本的培养皿提供一个密闭空间，通过温度控制部件将恒温培养环境部件4内的气体进行循环加热，进而保证恒温培养环境部件内，特别是培养皿附近的温度满足实验要求。
具体实施方式六：
下面结合图1-2说明本实施方式，本实施方式对实施方式五作进一步说明，所述温度传感器203位于磁场执行模块104的中心；磁场执行模块104在输出磁场时会产生热量，会对培养皿所在的磁场执行模块104中心温度产生影响，通过测定磁场执行模块104中心处的温度作为加热控制模块的反馈，与所述加热执行模块201一起组成闭环反馈系统，能够进行反馈控制。
具体实施方式七：
下面结合图1-2说明本实施方式，本实施方式对实施方式六作进一步说明，所述加热执行模块201由可调速风扇、加热丝、散热片和内外壳体构成；加热丝对散热片进行加热，然后将热量传递给热风箱中流动的空气，通过控制风扇转速就能控制被加热的风量，控制加热丝的功率就能控制每次加热的热量，从而能够对流经散热片的空气进行稳定可控的加热。
具体实施方式八：
下面结合图1-2说明本实施方式，本实施方式对实施方式七作进一步说明，所述控制盒202包括单片机和PCB电路板，单片机和可调速风扇连接，温度传感器203和单片机连接，加热丝通过硬件电路和单片机连接；加热控制模块通过单片机输出PWM信号再经过自制放大电路将信号放大，实现对可调速风扇的驱动和转速控制，进而控制单位时间流经所述热风箱中被加热的风量；通过硬件电路和单片机能够对加热丝工作时间的控制，进而实现对加热丝的加热功率的控制；通过单片机与温度传感器203之间进行IIC通信，读取温度传感器203测定的温度值，并与设定的温度值进行对比，然后根据对比结果调整所述加热执行模块201中加热丝的加热功率以及被加热的风量，最终使磁场执行模块104中心处温度稳定到设定值。
具体实施方式九：
下面结合图1-2说明本实施方式，本实施方式对实施方式八作进一步说明，所述控制盒202还包括显示屏、按钮和旋钮；利用单片机对显示屏进行驱动，单片机通过IIC通信读取所述温度传感器203的温度值以后将其显示在屏幕上，从而实现对温度执行模块201加热前后以及磁场执行模块104中心处的温度的实时显示功能，除此之外，所述控制盒202还可以通过旋钮的方式实现需求温度的调节，调节的具体参数同样显示于屏幕上，在30℃～60℃之间的温度需求加热系统都能够实现。
本发明的磁驱微纳机器人用活细胞体外原位培养测试系统，其工作原理为：
使用时磁场执行模块104安装在体视镜3的底座上，然后将磁场执行模块104以及体视镜3转移至恒温培养环境部件4内，完成磁场发生部件各个模块信号线的连接；通过气体管道将恒温培养环境部件4与加热执行装置201连通，通过控制盒202打开温度控制部件，使用控制盒202上的旋钮调节需要加热的温度值；系统开始进行预热，预计20min达到所需的温度值；待恒温培养环境部件4中的培养皿附近温度达到需求值后，通过恒温培养环境部件4上的开合门将微纳机器人与血液或者细胞组织的样本置于培养皿内，然后放置在磁场执行模块104的中心，之后调整物镜位置，保证显微镜视野下的图像清晰可见；打开体视镜所用的CCD软件，选取合适的观测范围，准备进行图像的采集以及视频的录制；打开磁场控制模块101使用的上位机软件，通过调整旋转匀强磁场的参数，观测微纳机器人在磁场驱动下位于血液或者细胞组织中的运动状态及治疗效果，整个实验周期较长，因此要时刻注意培养皿附近的温度值满足要求，进而维持血液或者细胞组织的活性；如此才能够进行实验规律的探究，保证实验结果的准确性。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.磁驱微纳机器人用活细胞体外原位培养测试系统，包括磁场发生部件、温度控制部件、体视镜(3)、恒温培养环境部件(4)和培养皿，其特征在于：所述恒温培养环境部件(4)内设置有体视镜(3)，体视镜(3)上放置有培养皿，磁场发生部件为培养皿的内部提供可控外源磁场，温度控制部件连接在恒温培养环境部件(4)上。
2.根据权利要求1所述的磁驱微纳机器人用活细胞体外原位培养测试系统，其特征在于：所述磁场发生部件包括磁场控制模块(101)、磁场驱动模块和磁场执行模块(104)，磁场执行模块(104)固定连接在体视镜(3)上，培养皿位于磁场执行模块(104)的内部，磁场执行模块(104)由异形三维亥姆霍兹线圈构成，磁场控制模块(101)、磁场驱动模块和磁场执行模块(104)之间通过信号线的方式互相连接。
3.根据权利要求2所述的磁驱微纳机器人用活细胞体外原位培养测试系统，其特征在于：所述异形三维亥姆霍兹线圈由三组线圈两两正交组装成。
4.根据权利要求2所述的磁驱微纳机器人用活细胞体外原位培养测试系统，其特征在于：所述磁场驱动模块包括数据板卡(102)和功率放大器(103)，数据板卡(102)输出交变模拟电压，功率放大器(103)对交变模拟电压进行放大，作用到磁场执行模块(104)上产生相应的旋转匀强磁场。
5.根据权利要求2所述的磁驱微纳机器人用活细胞体外原位培养测试系统，其特征在于：所述温度控制部件包括加热执行模块(201)和加热控制模块，加热控制模块包括控制盒(202)和温度传感器(203)，加热执行模块(201)和温度传感器(203)均通过信号线于控制盒(202)连接，加热执行模块(201)通过管道连接在恒温培养环境部件(4)上。
6.根据权利要求5所述的磁驱微纳机器人用活细胞体外原位培养测试系统，其特征在于：所述温度传感器(203)位于磁场执行模块(104)的中心。
7.根据权利要求5所述的磁驱微纳机器人用活细胞体外原位培养测试系统，其特征在于：所述加热执行模块(201)由可调速风扇、加热丝、散热片和内外壳体构成。
8.根据权利要求7所述的磁驱微纳机器人用活细胞体外原位培养测试系统，其特征在于：所述控制盒(202)包括单片机和PCB电路板，单片机和可调速风扇连接，温度传感器(203)和单片机连接，加热丝通过硬件电路和单片机连接。
9.根据权利要求8所述的磁驱微纳机器人用活细胞体外原位培养测试系统，其特征在于：所述控制盒(202)还包括显示屏、按钮和旋钮。
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