CN112680349A - 一种可施加参数化电场的体外实验装置及其温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可施加参数化电场的体外实验装置，包括：培养皿(8)，用于容纳体外培养的生物组织；偶数个电极板(14)，设置于培养皿(8)的内壁，用于向培养液施加电场；和结构支架(15)，用于固定培养皿(8)和若干电极板(14)。本发明与现有技术相比，所具有的优势在于：设定适于细胞生长的培养基温度范围，根据培养基温度变化智能调节产热量，使得产热与散热平衡时的温度落在设定范围内，益于细胞培养；依据所设置的不同的环境温度，可施加不同参数的电场；培养皿采用热导率高的材质，在降温过程中可加快散热。

Description

一种可施加参数化电场的体外实验装置及其温度控制方法

技术领域

本发明属于体外实验器材领域，具体涉及一种将参数化电场施加于单细胞生物、离体组织或细胞的体外实验研究装置及其温度控制方法。

背景技术

肿瘤治疗电场(TTFields)是一种成熟的通过干扰细胞有丝分裂从而抑制细胞增殖的治疗手段。这种低强度、中频、交变电场被用于干预治疗多种肿瘤疾病，是一种临床上有效的癌症治疗方法。国内外已有许多基础研究证实了TTFields的生物学效应。细胞实验研究结果表明TTFields可以调控肿瘤细胞内生化分子表达，干扰肿瘤细胞的分裂周期，抑制肿瘤细胞的增殖以及促进肿瘤细胞凋亡。动物实验研究结果表明TTFields能够有效的抑制荷瘤小鼠体内的肿瘤血管新生并抑制其体内肿瘤的生长。目前国内外的临床研究结果，也证实了TTFields对肿瘤治疗的积极作用。

当治疗患者时，TTFields通过由多个具有高介电常数的陶瓷片制成的换能器阵列将电场耦合到患者体内。但是在体外研究中，常用生物培养装置的材料主要是塑料或玻璃等绝缘材料，TTFields无法在生物培养装置外部透过绝缘材料将电场耦合到期望电场作用的培养在装置中的单细胞生物、离体组织或细胞上。因此如何在常用生物培养装置内部产生分布较为均匀的电场便成为一个需要解决的问题。此外生物组织体外培养对温度条件的要求比较苛刻(通常需维持在36-37℃之间)，而电场作用在培养基上会产生大量的热，从而导致温度升高。此前的很多体外研究结果没有考虑到产热的影响，生物组织在非正常温度环境下培养，因此实验结果缺少参考价值和可比性。因此开发一种能够将参数化的TTFields电场(电场强度和频率可调)均匀施加在体外培养的生物组织上且保持培养基温度恒定的体外实验电极板，对于TTFields作用机制的挖掘研究有着十分重要的作用。

发明内容

为弥补现存体外实验电极板的缺点，本发明提供一种可施加参数化电场的体外实验装置及其温度控制方法，该可施加参数化电场的体外实验装置直接将TTFields电场施加在单细胞生物、离体组织或细胞上，从而影响其生长。在TTFields体外实验中，可以根据设置的外界温度自动调节培养皿内部电场强度，从而使得培养基温度保持在适于样品培养的温度范围内，从而对TTFields治疗进行参数化研究。

为了实现上述目的，本发明的第一实施例提供了一种可施加参数化电场的体外实验装置，包括：

培养皿(8)，用于容纳体外培养的生物组织；

偶数个电极板(14)，设置于培养皿(8)的内壁，用于向培养液施加电场；

结构支架(15)，用于固定培养皿(8)和若干电极板(14)。

根据本发明的一个方面，所述电极板(14)包括电路板(5)、导电端子(9)、电极(12)、介电层(6)和热敏传感器(7)，其中

所述导电端子(9)被配置为从外部接收电信号并传递至所述电极(12)，并将所述热敏传感器(7)所感测的信号传递至外部；

所述电极(12)被配置为从导电端子(9)接收电信号，并将电信号施加于所述介电层(6)；和

所述热敏传感器(7)被配置为感测环境温度并传递至所述导电端子(9)。

根据本发明的一个方面，所述结构支架(15)包括电极插板(1)、支撑柱(3)和底座(4)，所述支撑柱(3)将所述电极插板(1)支撑于所述底座(4)上，以容纳所述培养皿(8)，所述电极板(14)通过所述导电端子(9)与所述电极插板(1)电连接。

根据本发明的一个方面，所述偶数个电极板(14)在培养皿(8)中形成两两相对放置。

根据本发明的一个方面，所述导电端子9、电极12、介电层6和热敏传感器7在所述电路板5上。

根据本发明的一个方面，所述电极12为电路板5上的部分裸露的导电部分，所述介电层6贴附于所述电极12表面。

根据本发明的一个方面，所述电极12与所述介电层6之间还可以包括其他导电层13。

根据本发明的一个方面，所述介电层6的介电常数大于1000。

根据本发明的一个方面，所述介电层6的介电常数为24000。

根据本发明的一个方面，结构支架15还包括顶板2，所述顶板2设置有过孔，所述电极板14可以穿过所述过孔并放入所述培养皿8。

根据本发明的一个方面，所述底座4上具有与所述培养皿8底部外壁形状和尺寸相同的凹槽，以固定所述培养皿8。

根据本发明的一个方面，所述培养皿8的材料为热导率高的材质。

根据本发明的一个方面，所述培养皿的材料为石英玻璃或陶瓷。

本发明的第二实施例提供了一种可施加参数化电场的体外实验装置的温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

设置温度控制单元控制的温度值，所述温度值用SV表示，温度监测单元在一个采样周期T内采集N个温度值并反馈回温度控制单元，用PV表示，温度控制单元接收到温度信息并进行PV关于时间t的线性拟合算法处理，满足以下公式：PV＝atⁿ+C，

其中a、n、C为常数，温度动态平衡时PV＝SV，若PV不等于SV时，分为以下四种情况进行调整,

(1)当a＝0时，PV＝C，培养皿内部温度已经恒定,若C<SV，增大电信号输出强度，增加产热量，直至C＝SV；若C>SV，减小电信号输出强度，减少产热量，直至C＝SV；

(2)当a>0，n＝0时，PV＝a+C，此时处理同(1)；

(3)当a>0，n>0或a<0，n<0时，PV＝atⁿ+C，PV正呈上升趋势，此时培养皿内部温度处于上升状态，若PV<SV，此时缓慢增大电信号输出强度，缓慢增加产热量，使得PV增速放缓并趋于SV，直至PV＝SV；若PV>SV，此时减小电信号输出强度，减少产热量，使得PV下降并趋于SV，直至PV＝SV；

(4)当a>0，n<0或a<0，n>0时，PV正呈下降趋势，此时培养皿内部温度处于下降状态，若PV<SV，增大电信号输出强度，增加产热量，使得PV上升并趋于SV，直至PV＝SV；若PV>SV，此时缓慢减小电信号输出强度，缓慢减少产热量，使得PV降速放缓并趋于SV，直至PV＝SV。

本发明与现有技术相比，所具有的优势在于：

设定适于细胞生长的培养基温度范围，根据培养基温度变化智能调节产热量，使得产热与散热平衡时的温度落在设定范围内，益于细胞培养；

依据所设置的不同的环境温度，可施加不同参数的电场；

培养皿采用热导率高的材质，在降温过程中可加快散热。

附图说明

图1是示出了根据本发明的第一实施例的一种可施加参数化电场的体外实验装置的温控电极板的立体图；

图2是示出了根据本发明的第一实施例的一种可施加参数化电场的体外实验装置的温控电极板的电极12与介电层6的分解立体图；

图3是示出了根据本发明的第一实施例的一种可施加参数化电场的体外实验装置的温控电极板的电极12与介电层6之间还包括其他导电层13的立体图；

图4示出了根据本发明的第一实施例的可施加参数化电场的体外实验装置的立体图，其中结构支架15中的电极插板1与底座4通过支撑柱3插紧以容纳培养皿8；

图5示出了根据本发明的第一实施例的可施加参数化电场的体外实验装置的立体图，其中结构支架15中的电极插板1与底座4分离；

图6示出了根据本发明的第一实施例的可施加参数化电场的体外实验装置的剖视图；和

图7示出了根据本发明的第一实施例的可施加参数化电场的体外实验装置中包括顶板的立体图。

附图标记：1-电极插板、2-顶板、3-支撑柱、4-底座、5-电路板、6-介电层、7-热敏传感器、8-培养皿、9-导电端子、10-接线端子、11-尼龙螺丝、12-电极、13-其他导电层、14-电极板、15-结构支架

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

下面将参照附图来对根据本发明的各个实施例进行详细描述。

本发明的第一实施例提供了一种可施加参数化电场的体外实验装置，包括：培养皿8，用于容纳体外培养的生物组织；电极板14；结构支架15，包括电极插板1、支撑柱3和底座4，所述支撑柱3将所述电极插板1支撑于所述底座4上，以容纳所述培养皿8，所述电极板14通过所述导电端子9与所述电极插板1电连接。

图4示出了根据本发明的第一实施例的可施加参数化电场的体外实验装置的立体图，其中结构支架15中的电极插板1与底座4通过支撑柱3插紧，以容纳培养皿8。图5示出了根据本发明的第一实施例的可施加参数化电场的体外实验装置的立体图，其中结构支架15中的电极插板1与底座4分离。图6示出了根据本发明的第一实施例的可施加参数化电场的体外实验装置的剖视图。

下面具体详述每个部件的结构。

图1示出了根据本发明的第一实施例中的电极板14的立体图。如图1所示，电极板14包括电路板5、导电端子9、电极12、介电层6和热敏传感器7，其中所述导电端子9被配置为从外部接收电信号并传递至所述电极12，并将所述热敏传感器7所感测的信号传递至外部；所述电极12被配置为从导电端子9接收电信号，并将电信号施加于所述介电层6；和所述热敏传感器7被配置为感测环境温度并传递至所述导电端子9。

根据一个实施例，所述导电端子9、电极12、介电层6和热敏传感器7在所述电路板5上，如图1所示。

图2示出了根据本发明的第一实施例中的电极板14的电极12与介电层6的分解立体图。如图2所示，所述电极12为电路板5上的部分裸露的导电部分，所述介电层6贴附于所述电极12表面。

具体的，电路板5是PCB小短板，其呈倒T字形。其背面绝缘，正面在倒T字底部留有两处圆形铜层作为电极12，其余部分绝缘。通过PCB小短板内部导线将从外部接收的电信号传输至电极12。如图1所示。

具体的，介电层6是电信号施加介质，其可以为高介电常数陶瓷片。其本身不导电，但是由于其高介电常数的性质，适用于施加交变电信号，形成电容效应。其形状为圆柱薄片，如图2所示。具体的，介电层6分别使用UV胶水沿其边缘固定于电路板5的电极12，电极12将电荷传输至介电层6上并聚集，从而在两两相对的电极12中间形成电容效应，进而产生电场。

根据一个实施例，介电层6的介电常数大于1000。

根据一个实施例，介电层6的介电常数为24000。

图3是示出了根据本发明的第一实施例中的电极板14的电极12与介电层6之间还包括其他导电层13的立体图。如图3所示，所述电极12与所述介电层6之间还可以包括其他导电层13。具体地，该电极12上可以覆盖银层13，以增加导电性。

根据一个实施例，热敏传感器7可以为热敏电阻，其位于每片电极12底部，如图1所示。热敏传感器7感测内部温度，并将其传输导电端子9并进而传输至外部控制单元，控制单元根据实时温度动态调整电信号输出强度，从而控制电场所产生的热量，进而调整内部温度，达到所需温度的动态平衡。

现在回到图4至图7。图4至图7中均示出了培养皿8，其被容纳在结构支架15中的电极插板1与底座4之间，用于容纳体外培养的生物组织。作为具体示例，石英玻璃培养皿8根据具体需求定制，其形状为正方体，顶面开口，用于培养样品，可施加双向电场。作为示例，其外壁尺寸长-宽-高均为60mm，内壁尺寸长-宽-高分别为56mm×56mm×58mm，壁厚2mm。使用前，采用超声波清洗机清洗后使用高温高压灭菌锅灭菌备用。

图4至图7还示出了结构支架15，包括电极插板1、支撑柱3和底座4，所述支撑柱3将所述电极插板1支撑于所述底座4上，以容纳所述培养皿8，所述电极板14通过所述导电端子9与所述电极插板1电连接。在图4中，结构支架15中的电极插板1与底座4通过支撑柱3插紧，以容纳培养皿8。在图5中结构支架15中的电极插板1与底座4分离。所示结构支架15构成固定培养皿和电极的架构。

图7示出了根据本发明的第一实施例的可施加参数化电场的体外实验装置的立体图，其中结构支架15还包括顶板2。具体地，结构支架15还包括顶板2，所述顶板2设置有过孔，所述电极板14可以穿过所述过孔并放入所述培养皿8。具体地，顶板2、支撑柱3和底座4可以例如均为亚克力材料，厚度为10mm。

根据一个实施例，所述培养皿8的材料为热导率高的材质。作为示例，所述培养皿的材料可以为石英玻璃或陶瓷，在本实施例中以石英玻璃为例。

具体地，作为示例，所述电极插板1是给电极5传输电信号的PCB线路板，根据每个石英玻璃培养皿8内部边缘位置确定导电端子9位置，以连接电极5。通过接线端子10连接至电信号发生装置，以将电信号传输至每个电极。其中，所述顶板2根据石英玻璃培养皿8顶部外壁形状和尺寸打过孔，为增加透气性能，此处过孔长-宽为62mm×62mm。并采用尼龙螺丝11将电极插板1固定于顶板上，从而构成石英玻璃培养皿8的盖子。其中，所述支撑柱3使用尼龙螺丝11固定于底座4边缘两侧，其高度与石英玻璃培养皿8一致，为60mm。其顶部凸起10mm，卡入电极插板1和顶板2组成的盖子边缘的缺口，用于支撑并固定盖子。

根据一个实施例，所述底座4上具有与所述培养皿8底部外壁形状和尺寸相同的凹槽，以固定所述培养皿8。其中，所述底座4根据石英玻璃培养皿8底部外壁形状和尺寸进行下沉打磨2mm，用于确定石英玻璃培养皿8的位置及固定石英玻璃培养皿8不滑动，且使得石英玻璃培养皿8顶部与盖子之间留有2mm缝隙，增加透气性能。其中，电极5通过可插拔公母导电端子9与电极插板1相连接，方便更换电极。

其中，电极5两两间隔挨着石英玻璃培养皿8内壁置于其内部，正面相对，形成均匀的电场。

实验时，将样品培养在石英玻璃培养皿8内，石英玻璃培养皿8置于底座4下沉的凹槽内，电极5插入电极插板1，使用尼龙螺丝将电极插板和顶板固定在一起，电极对准培养皿内部插入同时盖上由电极插板和顶板组成的培养皿盖子。该实验装置一次可进行三个平行样品的电场刺激实验，可根据需求扩展为三个以上的平行样品电场刺激实验。通过接线端子连接至电信号发生装置，设定参数并开启电信号发生装置，即可进行样品的电场刺激，如图7所示。

本发明的第二实施例提供了一种可施加参数化电场的体外实验装置的温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

设置温度控制单元控制的温度值，所述温度值用SV表示，温度监测单元在一个采样周期T内采集N个温度值并反馈回温度控制单元，所采集的温度值用PV表示，温度控制单元接收到温度信息并进行PV关于时间t的线性拟合算法处理，满足以下公式：PV＝atⁿ+C，

其中a、n、C为常数，温度动态平衡时PV＝SV，若PV不等于SV时，分为以下四种情况进行调整,

(1)当a＝0时，PV＝C，培养皿内部温度已经恒定,若C<SV，增大电信号输出强度，增加产热量，直至C＝SV；若C>SV，减小电信号输出强度，减少产热量，直至C＝SV；

(2)当a>0，n＝0时，PV＝a+C，此时处理同(1)；

(3)当a>0，n>0或a<0，n<0时，PV＝atⁿ+C，PV正呈上升趋势，此时培养皿内部温度处于上升状态，若PV<SV，此时缓慢增大电信号输出强度，缓慢增加产热量，使得PV增速放缓并趋于SV，直至PV＝SV；若PV>SV，此时减小电信号输出强度，减少产热量，使得PV下降并趋于SV，直至PV＝SV；

(4)当a>0，n<0或a<0，n>0时，PV正呈下降趋势，此时培养皿内部温度处于下降状态，若PV<SV，增大电信号输出强度，增加产热量，使得PV上升并趋于SV，直至PV＝SV；若PV>SV，此时缓慢减小电信号输出强度，缓慢减少产热量，使得PV降速放缓并趋于SV，直至PV＝SV。

本发明提供的一种直接将TTFields电场施加在单细胞生物、离体组织或细胞上，从而影响其生长的可施加参数化电场的体外实验装置及其温度控制方法。在TTFields体外实验中，可以根据设置的外界温度自动调节培养皿内部电场强度，从而使得培养基温度保持在适于样品培养的温度范围内，从而对TTFields治疗进行参数化研究。本发明的电极板产生的电场强度及频率可调范围大、操作简单、制作成本低、易实现、温度控制精确，可为TTFields治疗领域的基础研究和临床研究提供技术支持。

尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。此外，尽管本发明的元素可以以个体形式描述或要求，但是也可以设想具有多个元素，除非明确限制为单个元素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (14)

1.一种可施加参数化电场的体外实验装置，其特征在于，包括：

培养皿(8)，用于容纳体外培养的生物组织；

偶数个电极板(14)，设置于培养皿(8)的内壁，用于向培养液施加电场；和

结构支架(15)，用于固定培养皿(8)和若干电极板(14)。

2.根据权利要求1所述的可施加参数化电场的体外实验装置，其特征在于，所述电极板(14)包括电路板(5)、导电端子(9)、电极(12)、介电层(6)和热敏传感器(7)，其中

所述导电端子(9)被配置为从外部接收电信号并传递至所述电极(12)，并将所述热敏传感器(7)所感测的信号传递至外部；

所述电极(12)被配置为从导电端子(9)接收电信号，并将电信号施加于所述介电层(6)；和

所述热敏传感器(7)被配置为感测环境温度并传递至所述导电端子(9)。

3.根据权利要求2所述的可施加参数化电场的体外实验装置，其特征在于，所述结构支架(15)包括电极插板(1)、支撑柱(3)和底座(4)，所述支撑柱(3)将所述电极插板(1)支撑于所述底座(4)上，以容纳所述培养皿(8)，所述电极板(14)通过所述导电端子(9)与所述电极插板(1)电连接。

4.根据权利要求1所述的可施加参数化电场的体外实验装置，其特征在于，所述偶数个电极板(14)在培养皿(8)中形成两两相对放置。

5.根据权利要求3所述的可施加参数化电场的体外实验装置，其特征在于，所述导电端子(9)、电极(12)、介电层(6)和热敏传感器(7)在所述电路板(5)上。

6.根据权利要求3所述的可施加参数化电场的体外实验装置，其特征在于，所述电极(12)为电路板(5)上的部分裸露的导电部分，所述介电层(6)贴附于所述电极(12)表面。

7.根据权利要求2所述的可施加参数化电场的体外实验装置，其特征在于，所述电极(12)与所述介电层(6)之间还可以包括其他导电层(13)。

8.根据权利要求2所述的可施加参数化电场的体外实验装置，其特征在于，所述介电层(6)的介电常数大于1000。

9.根据权利要求8所述的可施加参数化电场的体外实验装置，其特征在于，所述介电层(6)的介电常数为24000。

10.根据权利要求1所述的可施加参数化电场的体外实验装置，其特征在于，所述结构支架(15)还包括顶板(2)，所述顶板(2)上设置有过孔，所述电极板(14)可以穿过所述过孔并放入所述培养皿(8)中。

11.根据权利要求1所述的可施加参数化电场的体外实验装置，其特征在于，所述底座(4)上具有与所述培养皿(8)底部外壁形状和尺寸相同的凹槽，以固定所述培养皿(8)。

12.根据权利要求1所述的可施加参数化电场的体外实验装置，其特征在于，所述培养皿(8)的材料为热导率高的材质。

13.根据权利要求12所述的可施加参数化电场的体外实验装置，其特征在于，所述培养皿的材料为石英玻璃或陶瓷。

14.一种可施加参数化电场的体外实验装置的温度控制方法，其特征在于，

设置温度控制单元控制的温度值，所述温度值用SV表示，温度监测单元在一个采样周期T内采集N个温度值并反馈回温度控制单元，所采集的温度值用PV表示，温度控制单元接收到温度信息并进行PV关于时间t的线性拟合算法处理，满足以下公式：PV＝atⁿ+C，

其中a、n、C为常数，温度动态平衡时PV＝SV，若PV不等于SV时，分为以下四种情况进行调整,

(1)当a＝0时，PV＝C，培养皿内部温度已经恒定,若C<SV，增大电信号输出强度，增加产热量，直至C＝SV；若C>SV，减小电信号输出强度，减少产热量，直至C＝SV；

(2)当a>0，n＝0时，PV＝a+C，此时处理同(1)；

(3)当a>0，n>0或a<0，n<0时，PV＝atⁿ+C，PV正呈上升趋势，此时培养皿内部温度处于上升状态，若PV<SV，此时缓慢增大电信号输出强度，缓慢增加产热量，使得PV增速放缓并趋于SV，直至PV＝SV；若PV>SV，此时减小电信号输出强度，减少产热量，使得PV下降并趋于SV，直至PV＝SV；

(4)当a>0，n<0或a<0，n>0时，PV正呈下降趋势，此时培养皿内部温度处于下降状态，若PV<SV，增大电信号输出强度，增加产热量，使得PV上升并趋于SV，直至PV＝SV；若PV>SV，此时缓慢减小电信号输出强度，缓慢减少产热量，使得PV降速放缓并趋于SV，直至PV＝SV。

Images