CN113388500A - 一种可用于微重力下的细胞培养监测系统及方法 - Google Patents
一种可用于微重力下的细胞培养监测系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113388500A CN113388500A CN202110609362.0A CN202110609362A CN113388500A CN 113388500 A CN113388500 A CN 113388500A CN 202110609362 A CN202110609362 A CN 202110609362A CN 113388500 A CN113388500 A CN 113388500A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cell culture
- monitoring system
- control device
- cell
- light source
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000004113 cell culture Methods 0.000 title claims abstract description 159
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 title claims abstract description 57
- 230000005486 microgravity Effects 0.000 title claims abstract description 26
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 16
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 69
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims abstract description 52
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 44
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 27
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 24
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 24
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 13
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 13
- 239000002699 waste material Substances 0.000 claims description 13
- 230000012010 growth Effects 0.000 claims description 9
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims description 8
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims description 8
- 239000000872 buffer Substances 0.000 claims description 8
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229920000620 organic polymer Polymers 0.000 claims description 5
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 4
- 238000002791 soaking Methods 0.000 claims description 4
- 230000001954 sterilising effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000002318 adhesion promoter Substances 0.000 claims description 3
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 3
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 3
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 3
- 238000004659 sterilization and disinfection Methods 0.000 claims description 3
- 230000001502 supplementing effect Effects 0.000 claims description 3
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 claims 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 abstract description 3
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 40
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 25
- 238000011160 research Methods 0.000 description 8
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 8
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 6
- 230000001464 adherent effect Effects 0.000 description 5
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 5
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000010261 cell growth Effects 0.000 description 3
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 3
- 108091003079 Bovine Serum Albumin Proteins 0.000 description 2
- 241000282414 Homo sapiens Species 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 description 2
- LOKCTEFSRHRXRJ-UHFFFAOYSA-I dipotassium trisodium dihydrogen phosphate hydrogen phosphate dichloride Chemical compound P(=O)(O)(O)[O-].[K+].P(=O)(O)([O-])[O-].[Na+].[Na+].[Cl-].[K+].[Cl-].[Na+] LOKCTEFSRHRXRJ-UHFFFAOYSA-I 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000012091 fetal bovine serum Substances 0.000 description 2
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 2
- 239000002953 phosphate buffered saline Substances 0.000 description 2
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 2
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 2
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 2
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 2
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 2
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 108010039918 Polylysine Proteins 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003712 anti-aging effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000012258 culturing Methods 0.000 description 1
- 230000002380 cytological effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 239000000017 hydrogel Substances 0.000 description 1
- 230000002503 metabolic effect Effects 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 210000002569 neuron Anatomy 0.000 description 1
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 1
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 229920000656 polylysine Polymers 0.000 description 1
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 1
- 239000000741 silica gel Substances 0.000 description 1
- 229910002027 silica gel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002379 silicone rubber Polymers 0.000 description 1
- 239000004945 silicone rubber Substances 0.000 description 1
- 241000894007 species Species 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M35/00—Means for application of stress for stimulating the growth of microorganisms or the generation of fermentation or metabolic products; Means for electroporation or cell fusion
- C12M35/04—Mechanical means, e.g. sonic waves, stretching forces, pressure or shear stimuli
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M31/00—Means for providing, directing, scattering or concentrating light
- C12M31/10—Means for providing, directing, scattering or concentrating light by light emitting elements located inside the reactor, e.g. LED or OLED
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M37/00—Means for sterilizing, maintaining sterile conditions or avoiding chemical or biological contamination
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
- C12M41/48—Automatic or computerized control
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Zoology (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Cell Biology (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
Abstract
本发明涉及细胞培养及显微图像采集技术领域，尤其涉及一种可用于微重力下的细胞培养监测系统，包括：细胞培养装置，用于承载细胞样品及培养液；成像装置，设置于细胞培养装置内，成像装置包括一探头基体以及复数个图像传感器芯片，探头基体为立方体，复数个图像传感器芯片分别设置于探头基体的不同角度上，用于采集细胞培养装置不同侧壁上的细胞样品的显微图像；照明装置，设置于细胞培养装置的外侧，用于为成像装置采集显微图像提供光源；控制装置，分别连接成像装置和照明装置，用于控制成像装置及照明装置的工作模式。本发明的有益效果：该系统可在微重力下实现细胞培养与监测，拥有极大的立体视野，结构小巧，操作简单。
Description
技术领域
本发明涉及细胞培养及显微图像采集技术领域，尤其涉及一种可用于微重力下的细胞培养监测系统及方法。
背景技术
随着人类对太空的不断探索以及航天技术的不断发展，在微重力环境下的生物医学技术，尤其是细胞学研究，成为了航天发展的重要任务。在太空中进行细胞培养，既可以了解在微重力环境中各类细胞的代谢活性变化，以便人类掌控物种的变化、太空人健康的变化，同时可以通过在太空中模拟地面重力环境进行各类细胞培养，以解决未来人长期在太空中需要进行机体健康、抗衰老、细胞治疗等研究需求。
但在现有技术中，目前主要的细胞培养和监测过程中存在大量的人工重复操作，而在微重力环境下，细胞培养监测过程更加复杂；此外，目前细胞生物动态观测都是在显微镜下进行，而在高倍显微镜下的观测一直存在视场小、监测范围受限，尤其是在微重力环境下，细胞在培养皿内的分布不规律，细胞会分布在培养皿的各面内壁上，现有的显微镜无法对培养皿内各个角度的细胞进行监测，这也是生物医学界目前尚未解决的一大难题；并且因现有的显微镜设备体积大，价格昂贵等问题，细胞相关研究无法广泛普及。
因此，为了满足在太空微重力环境下进行生命科学和医学领域的研究需求，提供一种适用于微重力环境、大视场、结构简单、操作简便、成本较低的微重力下的细胞培养监测系统便显得尤为重要。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种可用于微重力下的细胞培养监测系统及方法。
具体技术方案如下：
本发明包括一种可用于微重力下的细胞培养监测系统，包括：
一细胞培养装置，用于承载细胞样品及培养液；
一成像装置，设置于所述细胞培养装置内，所述成像装置包括一探头基体以及复数个图像传感器芯片，所述探头基体为立方体，复数个所述图像传感器芯片分别设置于所述探头基体的不同角度上，用于采集所述细胞培养装置不同侧壁上的所述细胞样品的显微图像；
一照明装置，设置于所述细胞培养装置的外侧，用于为所述成像装置采集所述显微图像提供光源；
一控制装置，分别连接所述成像装置和所述照明装置，用于控制所述成像装置及所述照明装置的工作模式；
一数据处理与显示装置，连接所述控制装置，用于处理所述显微图像并显示。
优选的，所述细胞培养装置包括：
一细胞培养容器，用于承载所述细胞样品、所述培养液以及所述成像装置，同时为所述细胞样品提供生长环境；
一进液管，所述进液管的一端伸入所述细胞培养容器内，用于向所述细胞培养容器补充所述培养液；
一出液管，所述出液管的一端伸入所述细胞培养容器内，用于排出所述细胞培养容器内的废液。
优选的，所述进液管的另一端连接一缓冲瓶，所述缓冲瓶用于存放所述培养液；所述出液管的另一端连接一废液瓶，所述废液瓶用于存放所述废液；
所述进液管和所述出液管与所述控制装置电连接，所述控制装置还用于控制所述细胞培养容器内的液体流动。
优选的，所述细胞培养容器包括复数个容器侧壁，复数个所述容器侧壁的材料为透明玻璃或透明的有机聚合物。
优选的，所述细胞培养容器还包括一连接密封公座，设置在所述细胞培养容器一端的侧边上，所述连接密封公座的材料包括金属边框和硅胶，用于使所述细胞培养容器和所述控制装置密封连接。
优选的，所述进液管和所述出液管的材质为不锈钢。
优选的，复数个所述图像传感器芯片采用半浮栅晶体管或者复合介质栅光敏探测器作为感光像素单元。
优选的，单个所述感光像素单元的尺寸≤500mm×500nm，整个所述图像传感器芯片具有的所述感光像素单元的数目≥4亿。
优选的，复数个所述图像传感器芯片的表面封装有防水胶，所述防水胶为UV胶或AB胶。
优选的，所述探头基体的表面涂覆防水涂层。
优选的，所述探头基体的形状包括正方体或长方体或椭圆体。
优选的，所述成像装置还包括一探头连接线，所述探头连接线的表面为防水材料，所述探头连接线的一端连接所述探头基体，另一端连接所述控制装置，用于将所述图像传感器芯片采集的所述显微图像传输到所述控制装置。
优选的，所述照明装置包括：
一光源罩，所述光源罩为内部中空结构的凹槽，所述光源罩套设于所述细胞培养装置的四周，以使所述成像装置位于所述光源罩内部的几何中心；
复数个LED光源，复数个所述LED光源分别设置于所述光源罩的各个内壁上；
一金属连接器，设置于所述凹槽的开口端，并与所述开口端的尺寸适配，用于与所述控制装置电连接。
优选的，所述光源罩由五个正方形状的PCB基板组成，每一个所述PCB基板的几何中心集成一个所述LED光源。
优选的，每个所述PCB基板背向所述LED光源的一面设有钢片。
优选的，所述LED光源为红绿蓝三色LED光源，通过所述PCB基板的布线与所述金属连接器电连接。
优选的，所述金属连接器为矩形沟槽，所述矩形沟槽的两侧均匀分布有两排金属引脚。
优选的，所述控制装置还包括一连接密封母座，所述连接密封母座与所述连接密封公座适配，以使所述控制装置与所述细胞培养容器密封连接。
优选的，所述控制装置还包括一光源连接端口，设置于所述控制装置朝向所述照明装置的一端，用于与所述金属连接器形成电连接。
优选的，所述控制装置还包括一网线接口、一电源接口。
本发明还包括一种细胞培养的实时监测方法，应用于上述技术方案中任一所述的细胞培养监测系统，包括：
步骤S1，将所述培养液注入所述细胞培养装置内，并将所述细胞样品接种至所述培养液内；
步骤S2，将所述成像装置的所述探头基体伸入到所述细胞培养装置内，再将所述细胞培养装置内充满所述培养液，并将所述细胞培养装置与所述控制装置密封连接；
步骤S3，将所述照明装置设置于所述细胞培养装置的外侧，以使所述照明装置在工作模式下发射出的光线照射在所述探头基体的各个所述图像传感器芯片上；
步骤S4，所述控制装置控制所述照明装置和所述成像装置进入工作模式，所述照明装置开启，复数个所述图像传感器芯片对所述细胞样品进行实时的图像采集；
步骤S5，所述数据处理与显示装置对所述图像传感器芯片采集到的所述显微图像进行处理并显示。
优选的，在进行所述步骤S1之前，对所述成像装置、所述细胞培养装置、所述照明装置以及所述控制装置进行灭菌处理，并对复数个所述图像传感器芯片的表面进行加促贴壁剂处理及清洗处理。
优选的，进行所述灭菌处理的方法包括利用紫外光照射和/或使用无水酒精浸泡。
本发明的技术方案具有如下优点或有益效果：提供一种可用于微重力下的细胞培养监测系统及方法，该系统可在微重力下实现细胞培养与监测，可在生物医学或航空航天领域中，监测微重力或其他复杂环境下细胞贴壁生长的变化情况，进一步探索微重力环境下对细胞生长的影响，以及研究立体空间内不同侧壁细胞贴壁生长状态；该系统拥有极大的立体视野，同时结构小巧，操作简单，极大地提升了细胞培养监测的便携性和简便性，降低了细胞培养监测系统的成本。
附图说明
参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。
图1为本发明实施例中的细胞培养监测系统的整体结构示意图；
图2为本发明实施例中的成像装置的结构示意图；
图3为本发明实施例中的控制装置的结构示意图；
图4为本发明实施例中的成像装置与控制装置的连接结构图；
图5为本发明实施例中的细胞培养装置和控制装置的连接结构图；
图6为本发明实施例中的照明装置的结构示意图；
图7为本发明实施例中的细胞培养监测系统采集的显微图像；
图8为本发明实施例中的实时监测方法的步骤流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明包括一种可用于微重力下的细胞培养监测系统，如图1所示，包括：
细胞培养装置1，用于承载细胞样品及培养液；
成像装置2，设置于细胞培养装置2内，如图2所示，成像装置2包括探头基体201以及复数个图像传感器芯片202，探头基体201为立方体，复数个图像传感器芯片202分别设置于探头基体201的不同角度上，用于采集细胞培养装置1不同侧壁上的细胞样品的显微图像；
照明装置3，设置于细胞培养装置1的外侧，用于为成像装置2采集显微图像提供光源；
控制装置4，分别连接成像装置2和照明装置3，用于控制成像装置2及照明装置3的工作模式；
数据处理与显示装置(图中未显示出)，连接控制装置4，用于处理显微图像并显示。
具体地，如图1所示，本实施例中的细胞培养监测系统主要包括细胞培养装置1、成像装置2、照明装置3以及控制装置4。在需要进行图像采集时，将成像装置2放入细胞培养装置1内的中心位置，使得探头基体201上的各个图像传感器芯片202能够拍摄到细胞培养装置1各个角度侧壁上的细胞的生长状态。探头基体201为立体状，可以是长方体或正方体或椭圆体或其他立体形状。在将培养液注入细胞培养装置后，再将细胞样品接种到培养液中，通过控制装置4来控制照明装置3、成像装置2进入工作模式，照明装置3开启为成像装置提供光源，成像装置2的图像传感器芯片202开始采集。由于在微重力环境下，细胞处于失重状态，会贴合在细胞培养装置1的各个侧壁上，使用本发明的探头基体201就可以实时的采集到各个侧壁上的细胞，使得本细胞培养监测系统可以应用于微重力环境，例如在太空中进行细胞研究。此外，该系统拥有极大的立体视野，同时结构小巧，操作简单，极大地提升了细胞培养监测的便携性和简便性，降低了细胞培养监测系统的成本。
作为优选的实施方式，如图5所示，细胞培养装置1包括：
细胞培养容器101，用于承载细胞样品、培养液以及成像装置2，同时为细胞样品提供生长环境；
进液管102，进液管102的一端伸入细胞培养容器101内，进液管的另一端连接缓冲瓶，缓冲瓶用于存放培养液，进液管用于将缓冲瓶内的培养液向细胞培养容器101补充；
出液管103，出液管103的一端伸入细胞培养容器101内，出液管103的另一端连接废液瓶，废液瓶用于存放废液，用于排出细胞培养容器101内的废液；
细胞培养容器101包括复数个容器侧壁，复数个容器侧壁的材料为透明玻璃或透明的有机聚合物。
具体地，进液管102和出液管103从控制装置4背向细胞培养装置1的一端贯穿整个控制装置4，再伸入细胞培养装置1中。细胞培养容器101包括容器侧壁和密封口，容器侧壁其材料可以是透明玻璃，也可以是透明的有机聚合物，有机聚合物可以采用PDMS(聚二甲基硅氧烷)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PC(聚碳酸酯)以及水凝胶、环氧树脂等。需要说明的是容器侧壁的材料需要采用透明材质，以使照明装置3发射的光线能够透过容器侧壁，为图像传感器芯片202提供光源。细胞培养容器101的形状可以是正方体或长方体或椭球体，但不仅限于这些形状，本实施例中优选为正方体；进液管102和出液管103，为伸入细胞培养容器的导管，其材质可以是不锈钢或其他金属，用于控制培养液在细胞培养容器的流入和流出，以保证细胞培养容器中细胞生存的液体条件，同时进液管102和出液管103也与控制装置4电连接，控制装置4还用于通过控制进液管102和出液管103来控制细胞培养容器内的液体流动。
作为优选的实施方式，如图1所示，细胞培养容器101还包括一连接密封公座1011，设置在细胞培养容器101一端的侧边上，连接密封公座1011的材料包括金属边框和硅胶，细胞培养容器101通过连接密封公座1011和控制装置4连接，以对细胞培养容器101进行严格密封，防止容器内的培养环境被破坏。
作为优选的实施方式，本实施例中的成像装置2的复数个图像传感器芯片202采用半浮栅晶体管或者复合介质栅光敏探测器作为感光像素单元，但需要说明的是，图像传感器芯片的型号包括但不限于CCD图像传感器、CMOS图像传感器、半浮栅晶体管等具有感光和成像能力的图像传感器；本实施例中的单个感光像素单元的尺寸优选为≤500mm×500nm，整个图像传感器芯片具有的感光像素单元的数目≥4亿，需要说明的是，上述尺寸仅为一个较佳的实施例，图像传感器芯片单个感光像素尺寸和感光像素数目不设限制，可以根据对分辨率的需求来设计，感光像素单元的尺寸越小分辨率越高，能看到越细微的样品细节信息，同时亿级以上的像素规模保证了在高分辨率的情况下兼备大的视场。需要说明的是，图像传感器芯片202中单个感光像素单元采用的结构可以是美国专利US 8,604,409中所提供的那种复合介质栅光敏探测器，还可以是文献(Wang P,Lin X,Liu L,et al.A semi-floating gate transistor for low-voltage ultrafast memory and sensingoperation.[J].Science(New York,N.Y.),2013,341(6146):640-643.)中所提供的半浮栅晶体管。由于本系统需要应用于液体细胞样品的检测，所以图像传感器芯片202的感光区域四周封装连接用的金线，使用芯片封装胶进行保护，起到防水的效果，其中芯片封装胶优选为紫外胶或AB胶等。探头基体201形状优选为长方体，其材料优选为PCB软硬复合板，探头基体201的表面涂覆防水涂层，防水涂层优选为UV胶或AB胶，用于承载探头基体201各面的图像传感器芯片202，并将图像传感器芯片202的信号进行传输。如图2所示，成像装置2还包括一探头连接线203，探头连接线203的表面为防水材料，探头连接线203的一端连接探头基体201，另一端连接控制装置4，用于将图像传感器芯片202采集的显微图像传输到控制装置4中。
作为优选的实施方式，如图6所示，照明装置3包括：
光源罩301，光源罩301为内部中空结构的凹槽，光源罩301套设于细胞培养装置1的四周，以使成像装置2位于光源罩301内部的几何中心，光源罩301由五个正方形状的PCB基板组成；
复数个LED光源302，复数个LED光源302分别设置于光源罩301的各侧内壁上，每一个PCB基板的几何中心集成一个LED光源，LED光源为红绿蓝三色LED光源，通过PCB基板的布线与金属连接器电连接；
金属连接器303，设置于凹槽的开口端，并与开口端的尺寸适配，用于与控制装置4电连接，金属连接器303为矩形沟槽，矩形沟槽的两侧均匀分布有两排金属引脚，金属连接器303的基材为金属，优选铜合金。
具体地，PCB基板为PCB软硬复合板，每一个PCB基板的几何中心各集成一个LED光源，凹槽上方设有金属连接器，LED光源302与探头基体201上的图像传感器芯片202相对垂直，LED光源302所照射的光斑完全覆盖到图像传感器芯片202的表面，用于给图像传感器芯片202进行图像采集提供光源。金属连接器303，用于在工作模式下与控制装置4电连接，实现与控制装置4之间的数据传输，通过控制装置4控制光源的工作模式。
作为优选的实施方式，光源罩301的各个PCB基板的正面(背向LED光源的一面)加钢片补强，用以增强光源罩301的机械强度。
作为优选的实施方式，如图3和5所示，控制装置4还包括一连接密封母座401，连接密封母座401与细胞培养容器101的连接密封公座1011适配，以使控制装置4与细胞培养容器101密封连接；一光源连接端口402，设置于控制装置4朝向照明装置3的一端，用于与金属连接器303形成电连接；控制装置4还包括一网线接口403、一电源接口404。
具体地，LED光源302与PCB基板的内部电路相连，并通过金属连接器302连接到控制装置4，从而实现通过控制装置4编程控制LED光源302的工作模式与亮度，LED光源302产生光照304，光照穿过透明介质细胞培养容器，照射在成像装置的图像传感器芯片202的感光区域，为成像过程提供光源，从而实现在立体空间内对细胞进行实时观测，图7所示为本发明的细胞培养监测系统采集到的细胞生长状态的显微图像。
本发明还提供一种细胞培养的实时监测方法，如图8所示，应用于上述技术方案中的细胞培养监测系统，包括：
步骤S1，将培养液注入细胞培养装置内，并将细胞样品接种至培养液内；
步骤S2，将成像装置的探头基体伸入到细胞培养装置内，再将细胞培养装置内充满培养液，并将细胞培养装置与控制装置密封连接；
步骤S3，将照明装置设置于细胞培养装置的外侧，以使照明装置在工作模式下发射出的光线照射在探头基体的各个图像传感器芯片上；
步骤S4，控制装置控制照明装置和成像装置进入工作模式，照明装置开启，复数个图像传感器芯片对细胞样品进行实时的图像采集；
步骤S5，数据处理与显示装置对图像传感器芯片采集到的显微图像进行处理并显示。
作为优选的实施方式，在进行步骤S1之前，对成像装置、细胞培养装置、照明装置以及控制装置进行灭菌处理，并对复数个图像传感器芯片的表面进行加促贴壁剂处理及清洗处理。进行灭菌处理的方法包括利用紫外光照射和/或使用无水酒精浸泡。
通过上述技术方案，在本实施例中，细胞培养和实时监测方法的步骤具体包括：(1)预处理，在无菌环境下，将细胞培养装置1、成像装置2、照明装置3和控制装置4进行灭菌处理，利用紫外光照射30分钟，再用无水酒精将细胞培养装置4浸泡30分钟，静置10分钟直到表面完全干燥。再将图像传感器芯片202的感光区域表面加促贴壁剂处理30分钟后，促贴壁剂优选采用左旋多聚赖氨酸，将液体弃去，并用PBS(Phosphate Buffer Saline，磷酸缓冲盐溶液)清洗三次备用；(2)接种细胞样品，取5ml培养液90％DMED+10％FBS(FetalBovine Serum，胎牛血清)加入细胞培养装置1中，并取HT-22神经元细胞(细胞样品)接种至培养液内；(3)打开细胞培养监测系统，将缓冲瓶环境设置为37℃，5％CO2，95％O2，待系统稳定后，将成像装置2的探头基体201伸入到细胞培养装置1内，再将培养液充满细胞培养装置1，并将细胞培养装置1与控制装置4连接并密封；(4)将细胞培养装置1加设照明装置3，将进液管102连接至缓冲瓶，将出液管103连至废液瓶，并连接控制装置4，接入网线接口403、电源接口404和数据处理与显示装置；(5)开启系统电源，细胞样品在细胞培养装置1中进行持续不断的贴壁培养；(6)当需要进行细胞图像采集的时候，在数据处理与显示装置上点击“开始采集”按钮，控制装置4给出采集信号，同时控制不同方向的照明装置3的LED光源开启，再通过控制装置4控制图像传感器芯片202的图像采集模式，若需连续观测细胞变化情况，可通过控制装置4控制成像装置2的视频采集模式，并通过数据处理与显示装置的设定视频采集时间；(7)在采集结束后，控制装置4控制照明装置3关闭，并将图像数据传输到数据处理与显示装置，经处理后并显示出来。
通过上述技术方案，在需要进行图像采集时，将成像装置2放入细胞培养装置1内的中心位置，使得探头基体201上的各个图像传感器芯片202能够拍摄到细胞培养装置1各个角度侧壁上的细胞的生长状态。探头基体201为立体状，可以是长方体或正方体或椭圆体或其他立体形状。在将培养液注入细胞培养装置后，再将细胞样品接种到培养液中，通过控制装置4来控制照明装置3、成像装置2进入工作模式，照明装置3开启为成像装置提供光源，成像装置2的图像传感器芯片202开始采集。由于在微重力环境下，细胞处于失重状态，会贴合在细胞培养装置1的各个侧壁上，使用本发明的探头基体201就可以实时的采集到各个侧壁上的细胞，使得本细胞培养监测系统可以应用于微重力环境，例如在太空中进行细胞研究。此外，该系统拥有极大的立体视野，同时结构小巧，操作简单，极大地提升了细胞培养监测的便携性和简便性，降低了细胞培养监测系统的成本。
本发明的技术方案具有如下优点或有益效果：提供一种可用于微重力下的细胞培养监测系统及方法，该系统可在微重力下实现细胞培养与监测，可在生物医学或航空航天领域中，监测微重力或其他复杂环境下细胞贴壁生长的变化情况，进一步探索微重力环境下对细胞生长的影响，以及研究立体空间内不同侧壁细胞贴壁生长状态；该系统拥有极大的立体视野，同时结构小巧，操作简单，极大地提升了细胞培养监测的便携性和简便性，降低了细胞培养监测系统的成本。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (21)
1.一种可用于微重力下的细胞培养监测系统，其特征在于，包括：
一细胞培养装置，用于承载细胞样品及培养液；
一成像装置，设置于所述细胞培养装置内，所述成像装置包括一探头基体以及复数个图像传感器芯片，所述探头基体为立方体，复数个所述图像传感器芯片分别设置于所述探头基体的不同角度上，用于采集所述细胞培养装置不同侧壁上的所述细胞样品的显微图像；
一照明装置，设置于所述细胞培养装置的外侧，用于为所述成像装置采集所述显微图像提供光源；
一控制装置，分别连接所述成像装置和所述照明装置，用于控制所述成像装置及所述照明装置的工作模式；
一数据处理与显示装置，连接所述控制装置，用于处理所述显微图像并显示。
2.根据权利要求1所述的细胞培养监测系统，其特征在于，所述细胞培养装置包括：
一细胞培养容器，用于承载所述细胞样品、所述培养液以及所述成像装置，同时为所述细胞样品提供生长环境；
一进液管，所述进液管的一端伸入所述细胞培养容器内，用于向所述细胞培养容器补充所述培养液；
一出液管，所述出液管的一端伸入所述细胞培养容器内，用于排出所述细胞培养容器内的废液。
3.根据权利要求2所述的细胞培养监测系统，其特征在于，所述进液管的另一端连接一缓冲瓶，所述缓冲瓶用于存放所述培养液；所述出液管的另一端连接一废液瓶，所述废液瓶用于存放所述废液；
所述进液管和所述出液管与所述控制装置电连接，所述控制装置还用于控制所述细胞培养容器内的液体流动。
4.根据权利要求2所述的细胞培养监测系统，其特征在于，所述细胞培养容器包括复数个容器侧壁，复数个所述容器侧壁的材料为透明玻璃或透明的有机聚合物。
5.根据权利要求2所述的细胞培养监测系统，其特征在于，所述细胞培养容器还包括一连接密封公座，设置在所述细胞培养容器一端的侧边上，所述连接密封公座的材料包括金属边框和硅胶，用于使所述细胞培养容器和所述控制装置密封连接。
6.根据权利要求2所述的细胞培养监测系统，其特征在于，所述进液管和所述出液管的材质为不锈钢。
7.根据权利要求1所述的细胞培养监测系统，其特征在于，复数个所述图像传感器芯片的表面封装有防水胶，所述防水胶为UV胶或AB胶。
8.根据权利要求1所述的细胞培养监测系统，其特征在于，所述探头基体的表面涂覆防水涂层。
9.根据权利要求1所述的细胞培养监测系统，其特征在于，所述探头基体的形状包括正方体或长方体或椭圆体。
10.根据权利要求1所述的细胞培养监测系统，其特征在于，所述成像装置还包括一探头连接线，所述探头连接线的表面为防水材料，所述探头连接线的一端连接所述探头基体，另一端连接所述控制装置，用于将所述图像传感器芯片采集的所述显微图像传输到所述控制装置。
11.根据权利要求1所述的细胞培养监测系统，其特征在于，所述照明装置包括：
一光源罩，所述光源罩为内部中空结构的凹槽，所述光源罩套设于所述细胞培养装置的四周，以使所述成像装置位于所述光源罩内部的几何中心；
复数个LED光源，复数个所述LED光源分别设置于所述光源罩的各个内壁上；
一金属连接器，设置于所述凹槽的开口端，并与所述开口端的尺寸适配，用于与所述控制装置电连接。
12.根据权利要求11所述的细胞培养监测系统，其特征在于，所述光源罩由五个正方形状的PCB基板组成，每一个所述PCB基板的几何中心集成一个所述LED光源。
13.根据权利要求12所述的细胞培养监测系统，其特征在于，每个所述PCB基板背向所述LED光源的一面设有钢片。
14.根据权利要求12所述的细胞培养监测系统，其特征在于，所述LED光源为红绿蓝三色LED光源，通过所述PCB基板的布线与所述金属连接器电连接。
15.根据权利要求11所述的细胞培养监测系统，其特征在于，所述金属连接器为矩形沟槽，所述矩形沟槽的两侧均匀分布有两排金属引脚。
16.根据权利要求5所述的细胞培养监测系统，其特征在于，所述控制装置还包括一连接密封母座，所述连接密封母座与所述连接密封公座适配，以使所述控制装置与所述细胞培养容器密封连接。
17.根据权利要求11所述的细胞培养监测系统，其特征在于，所述控制装置还包括一光源连接端口，设置于所述控制装置朝向所述照明装置的一端，用于与所述金属连接器形成电连接。
18.根据权利要求1所述的细胞培养监测系统，其特征在于，所述控制装置还包括一网线接口、一电源接口。
19.一种细胞培养的实时监测方法，其特征在于，应用于如权利要求1-18中任一所述的细胞培养监测系统，包括：
步骤S1，将所述培养液注入所述细胞培养装置内，并将所述细胞样品接种至所述培养液内；
步骤S2，将所述成像装置的所述探头基体伸入到所述细胞培养装置内，再将所述细胞培养装置内充满所述培养液，并将所述细胞培养装置与所述控制装置密封连接；
步骤S3，将所述照明装置设置于所述细胞培养装置的外侧，以使所述照明装置在工作模式下发射出的光线照射在所述探头基体的各个所述图像传感器芯片上；
步骤S4，所述控制装置控制所述照明装置和所述成像装置进入工作模式，所述照明装置开启，复数个所述图像传感器芯片对所述细胞样品进行实时的图像采集；
步骤S5，所述数据处理与显示装置对所述图像传感器芯片采集到的所述显微图像进行处理并显示。
20.根据权利要求19所述的实时监测方法，其特征在于，在进行所述步骤S1之前，对所述成像装置、所述细胞培养装置、所述照明装置以及所述控制装置进行灭菌处理，并对复数个所述图像传感器芯片的表面进行加促贴壁剂处理及清洗处理。
21.根据权利要求20所述的实时监测方法，其特征在于，进行所述灭菌处理的方法包括利用紫外光照射和/或使用无水酒精浸泡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110609362.0A CN113388500B (zh) | 2021-06-01 | 2021-06-01 | 一种可用于微重力下的细胞培养监测系统及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110609362.0A CN113388500B (zh) | 2021-06-01 | 2021-06-01 | 一种可用于微重力下的细胞培养监测系统及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113388500A true CN113388500A (zh) | 2021-09-14 |
| CN113388500B CN113388500B (zh) | 2024-03-12 |
Family
ID=77619786
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110609362.0A Active CN113388500B (zh) | 2021-06-01 | 2021-06-01 | 一种可用于微重力下的细胞培养监测系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113388500B (zh) |
Citations (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1834718A (zh) * | 2005-03-16 | 2006-09-20 | 中国科学院空间科学与应用研究中心 | 一种可显微观察的回转器 |
| TW201137121A (en) * | 2010-04-26 | 2011-11-01 | Univ Nat Changhua Education | Cell culture real-time observation system |
| CN102827758A (zh) * | 2012-09-24 | 2012-12-19 | 长春理工大学 | 细胞工厂中细胞显微观察监测仪 |
| US20170145370A1 (en) * | 2015-11-25 | 2017-05-25 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Cell culture container, cell imaging method, and cell culture system |
| US20180013930A1 (en) * | 2016-07-11 | 2018-01-11 | Olympus Corporation | Observation apparatus, method for controlling observation apparatus, and non-transitory computer-readable medium storing control program for observation apparatus |
| CN107674837A (zh) * | 2017-10-30 | 2018-02-09 | 北京理工大学 | 一种全自主细胞培养与分析载荷 |
| CN107881107A (zh) * | 2017-11-15 | 2018-04-06 | 中国航天员科研训练中心 | 自动细胞培养设备的图像采集系统 |
| CN207525252U (zh) * | 2017-10-13 | 2018-06-22 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 适用于空间细胞自动培养的换液系统 |
| WO2019003274A1 (ja) * | 2017-06-26 | 2019-01-03 | オリンパス株式会社 | 細胞観察システム |
| EP3567096A1 (en) * | 2017-01-06 | 2019-11-13 | Olympus Corporation | Cell observation system |
| CN110747123A (zh) * | 2019-10-28 | 2020-02-04 | 北京航空航天大学 | 一种体外细胞培养装置 |
| CN210481391U (zh) * | 2019-06-06 | 2020-05-08 | 北京航空航天大学 | 一种应用于回转系统的实时成像装置 |
| CN111607513A (zh) * | 2019-09-27 | 2020-09-01 | 南京九川科学技术有限公司 | 一种新型贴壁细胞培养装置 |
| CN111812834A (zh) * | 2019-07-23 | 2020-10-23 | 南京九川科学技术有限公司 | 一种液基细胞样品的显微成像装置及显微成像方法 |
| CN112094743A (zh) * | 2020-08-21 | 2020-12-18 | 南京大学 | 一种活细胞培养和实时观测系统及方法 |
| CN112386213A (zh) * | 2021-01-20 | 2021-02-23 | 深圳开立生物医疗科技股份有限公司 | 一种内窥成像方法、装置、设备及存储介质 |
-
2021
- 2021-06-01 CN CN202110609362.0A patent/CN113388500B/zh active Active
Patent Citations (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1834718A (zh) * | 2005-03-16 | 2006-09-20 | 中国科学院空间科学与应用研究中心 | 一种可显微观察的回转器 |
| TW201137121A (en) * | 2010-04-26 | 2011-11-01 | Univ Nat Changhua Education | Cell culture real-time observation system |
| CN102827758A (zh) * | 2012-09-24 | 2012-12-19 | 长春理工大学 | 细胞工厂中细胞显微观察监测仪 |
| US20170145370A1 (en) * | 2015-11-25 | 2017-05-25 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Cell culture container, cell imaging method, and cell culture system |
| US20180013930A1 (en) * | 2016-07-11 | 2018-01-11 | Olympus Corporation | Observation apparatus, method for controlling observation apparatus, and non-transitory computer-readable medium storing control program for observation apparatus |
| EP3567096A1 (en) * | 2017-01-06 | 2019-11-13 | Olympus Corporation | Cell observation system |
| WO2019003274A1 (ja) * | 2017-06-26 | 2019-01-03 | オリンパス株式会社 | 細胞観察システム |
| CN207525252U (zh) * | 2017-10-13 | 2018-06-22 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 适用于空间细胞自动培养的换液系统 |
| CN107674837A (zh) * | 2017-10-30 | 2018-02-09 | 北京理工大学 | 一种全自主细胞培养与分析载荷 |
| CN107881107A (zh) * | 2017-11-15 | 2018-04-06 | 中国航天员科研训练中心 | 自动细胞培养设备的图像采集系统 |
| CN210481391U (zh) * | 2019-06-06 | 2020-05-08 | 北京航空航天大学 | 一种应用于回转系统的实时成像装置 |
| CN111812834A (zh) * | 2019-07-23 | 2020-10-23 | 南京九川科学技术有限公司 | 一种液基细胞样品的显微成像装置及显微成像方法 |
| CN111607513A (zh) * | 2019-09-27 | 2020-09-01 | 南京九川科学技术有限公司 | 一种新型贴壁细胞培养装置 |
| CN110747123A (zh) * | 2019-10-28 | 2020-02-04 | 北京航空航天大学 | 一种体外细胞培养装置 |
| CN112094743A (zh) * | 2020-08-21 | 2020-12-18 | 南京大学 | 一种活细胞培养和实时观测系统及方法 |
| CN112386213A (zh) * | 2021-01-20 | 2021-02-23 | 深圳开立生物医疗科技股份有限公司 | 一种内窥成像方法、装置、设备及存储介质 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| SRUJANA NEELAM等: "Module to Support Real-Time Microscopic Imaging of Living Organisms on Ground-Based Microgravity Analogs", APPLIED SCIENCES, vol. 11, no. 7, pages 1 - 11 * |
| 上官冰等: "空间细胞生物反应器技术研究进展", 医用生物力学, vol. 29, no. 6, pages 582 - 588 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113388500B (zh) | 2024-03-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7431770B2 (ja) | バイオリアクタに画像捕捉装置を支持する装置、および画像捕捉装置を支持する装置を備えたバイオリアクタ、ならびに生物学的材料を繁殖させるまたは培養する方法 | |
| WO2022036807A1 (zh) | 一种活细胞培养和实时观测系统及方法 | |
| US10934513B2 (en) | Fully automated continuous cell culture system | |
| CN102460177B (zh) | 用于对培养试样容器进行自动地通风和取样的系统和方法 | |
| US20200182774A1 (en) | Systems and methods for cell dissociation | |
| CA2767605C (en) | Sample imaging system and method for transmitting an image of cells or tissues located in a culturing space to data processing means | |
| WO2009039433A1 (en) | Analytical microfluidic culture system | |
| JP2021181992A (ja) | 自動化標本堆積システム及び関連する方法 | |
| JPH1164215A (ja) | 測定装置 | |
| CN107860778B (zh) | 一种胶囊内窥镜脏污检测装置及检测方法 | |
| CN113388500B (zh) | 一种可用于微重力下的细胞培养监测系统及方法 | |
| US20160066565A1 (en) | Isolator devices for collection, parametrical characterization and long-term preservation of organic fluids and/or materials containing stem cells | |
| CN108318424A (zh) | 一种水下浮游生物自动成像装置及成像方法 | |
| CN109142365A (zh) | 一种模拟消化环境实验平台 | |
| CN108918451B (zh) | 一种细胞代谢实时检测及动态干预装置及测试干预方法 | |
| CN111607513A (zh) | 一种新型贴壁细胞培养装置 | |
| CN209086156U (zh) | 一种模拟消化环境实验平台 | |
| CN212134493U (zh) | 一种生物成像仪 | |
| US6448063B2 (en) | Experimental apparatus for sliced specimen of biological tissue and specimen holder | |
| CN208346174U (zh) | 一种细胞计数仪 | |
| CN105318996A (zh) | 一种可同步测试摩擦接触面积的仿生手指 | |
| TWI585694B (zh) | 藻類細胞數偵測方法及其設備 | |
| CN210222048U (zh) | 一种早期胃肠道肿瘤诊断仪 | |
| JP3112102U (ja) | 血管・血流・細胞組織の観察光学機器 | |
| CN203419926U (zh) | 高磁场生物试验装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |