CN113604349B - 一种使用样品架的三维细胞的加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使用样品架的三维细胞的加载装置，依次包括从上到下布置的透明盖、固定台、样品架、加载支撑板、培养板和加载底座；培养板包括外框和至少一个细胞培养孔，细胞培养孔固定连接在外框的内部；细胞培养孔的孔底设有加载膜，细胞培养孔通过透明盖与外部环境隔绝；加载底座为顶部设有开口的腔体，外框与加载底座密封连接；加载支撑板为置于加载膜上的圆形片；样品架为具有弹性的圆环，置于加载支撑板上；固定台的底面与样品架接触，固定台的顶面与透明盖接触；腔体加载正压时，加载膜在压力的作用下向上运动，加载支撑板、样品架和固定台共同形成了培养腔体，装夹工装用以使透明盖夹紧培养板。实现了三维空间内的力学加载，结构简单。

Description

一种使用样品架的三维细胞的加载装置

技术领域

本发明涉及细胞力学领域，特别涉及一种使用样品架的三维细胞的加载装置。

背景技术

目前，体外细胞培养为研究各种物理、生化因素对人体组织的影响提供了一种理想的研究方法。细胞在体外的加载方式主要有：流体剪应力加载方法、压力加载方式、应变加载方式。以上加载方式存在装置结构复杂、受力不均匀等缺点，大多数装置提供的力为平面内的加载力，且无法多组实验同时进行。

因此，基于这些问题，亟需一种三维细胞的加载装置以解决上述问题。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供一种使用样品架的三维细胞的加载装置。

为实现细胞受力更加均匀，简化装置的结构复杂度，本发明采用以下具体技术方案：

一种使用样品架的三维细胞的加载装置，依次包括从上到下布置的透明盖、固定台、样品架、加载支撑板、培养板和加载底座；

培养板包括外框和至少一个细胞培养孔，细胞培养孔固定连接在外框的内部；

细胞培养孔的孔底设有加载膜，细胞培养孔通过透明盖与外部环境隔绝；

加载底座为顶部设有开口的腔体，培养板封装腔体，外框与加载底座密封连接；

加载支撑板为置于加载膜上的圆形片；

样品架为具有弹性的圆环 ，置于加载支撑板上；

固定台的底面与样品架接触，固定台的顶面与透明盖接触；

加载底座加载正压时，加载膜向上运动，加载支撑板、样品架和固定台共同形成了培养腔体。

本发明能够取得以下技术效果：

与现有技术相比，本发明提供的三维力细胞的加载装置可以实现三维空间内的力学加载，通过控制加载气室又可实现不同的力学加载波形，装置整体体积小，结构紧凑而简单，降低了生产成本。除此之外本装置可以放入细胞恒温培养箱中使用，使得动态力学加载的细胞培养具有可行性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的加载装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的三维力细胞加载装置爆炸图；

图3是本发明实施例提供的三维力加载工作前状态示意图；

图4是本发明实施例提供的三维力加载工作时的状态示意图；

图5是本发明实施例提供的透明盖的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的培养板的正面结构示意图；

图7是本发明实施例提供的培养板的底面结构示意图；

图8是本发明实施例提供的密封圈的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的加载底座的正面结构示意图；

图10是本发明实施例提供的加载底座的底面结构示意图；

图11是本发明实施例提供的的气动系统的结构示意图；

图12是本发明实施例提供的气动系统的控制方法的流程示意图。

其中的附图标记包括：11、透明盖；12、培养板；13、密封圈； 15、加载底座；

16、加载支撑板；17样品架；18、固定台；

111、透明盖倒角；

121、培养板倒角；122、细胞培养孔；123、培养板正面肋板；124、加载膜；125、培养板凸台；126、培养板反面肋板；

131、内圈台阶；132、密封圈底部；

151、气室凸台；152、密封圈安装面；153、正压泵连接口；154、压强传感器连接口；155、负压泵连接口；156、装夹工装安装槽；

61、气动装置；62、压强传感器；63、控制器；64、细胞加载装置；611、负压电磁阀；612、负压流量阀；613、负压稳压瓶；614、负压过滤器；615、负压泵；616、正压泵；617、正压过滤器；618、正压稳压瓶；619、正压流量阀；620、正压电磁阀。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明实施例提供的三维力细胞加载装置，用于实现给细胞提供三维空间内的力学加载以模拟体内较为单一的受力情况，如图1所示，假设x轴所在方向为第一方向，y轴所在方向为第二方向，z轴与x轴和y轴正交。

如图1-2所示，本加载装置主要包括从上到下依次布置的用于与外界环境隔绝的透明盖11、用于细胞培养的培养板12、用于定位样品架的固定台18、用于放置培养液的样品架17、加载时被向上挤压的加载支撑板16、用于提供支撑和加载气室的加载底座15和在加载时对固定透明盖11的装夹工装（现有技术，图中未示）。培养板12可以设有一个或多个细胞培养孔122，本文以六个细胞培养孔122为例进行介绍，多个细胞培养孔122可以实现多组实验同时进行。

其中，培养板12包括外框120，外框120的内部固定连接有细胞培养孔122。细胞培养孔122通过加载膜124用以承载细胞，培养板12中的细胞培养孔122是6个单独的细胞培养仓，细胞在其中培养。更为具体的，外框和细胞培养孔122的顶面等高，便于透明盖11保护培养板12。

优选的，细胞培养孔122是一个去顶去底的空心的圆筒，圆筒的内壁面固定连接有圆环状的培养板凸台125，培养板凸台125向圆筒的径向的内部延伸，其作用是将加载膜124固定在细胞培养孔122上，加载膜124与位于培养板凸台125上部的细胞培养孔122的四周形成密封。培养板12中的培养板正面肋板123和培养板反面肋板126连接在外框与细胞培养孔之间，以及两个细胞培养孔之间，增加了结构的强度并且填充了外框与细胞培养孔，以及两个细胞培养孔之间的空隙，使培养板12的厚度方向没有气体流过，培养板12放在后述的加载底座15的顶部时，形成了密闭的接收压强的加载气室。

其中，透明盖11的形状与培养板12的外框形状相配，透明盖11使用时扣在培养板12上保证细胞培养孔122与外部环境隔绝。外框可以是三角形、正方形等结构的框架。

本文以易于加工的外框为长方形框架结构为例进行介绍。更为具体的，如图6-7所示，培养板12的外框的截面整体上是一个包括六个细胞培养孔122的空心的长方形。如图5所示，透明盖11是一个底面具有开口的壳状的长方体。透明盖11套在培养板12的顶部，透明盖与培养板接触连接，有装夹工装压住透明盖11的顶面，所以透明盖与培养板两者并不发生相对移位，且二者之间不需要密封。

优选的，如图5-6所示，培养板12的外框的两个侧面之间设有培养板倒角121，即外框的一个竖直放置的边做倒角处理。同理透明盖11的对应位置设有透明盖倒角111，使培养板12和透明盖11的四角处有一角被削下。培养板倒角121与透明盖倒角111相配合，使得透明盖不会在水平面内移动，透明盖起到阻隔环境污染、保护细胞的作用。

优选的，培养板12的外框在竖直面上的截面形状为L型，外部形成台阶面，便于透明盖11的底面搭接在该台阶面上，进一步保护培养板12。

其中，如图9-10所示的加载底座15为顶部具有开口的腔体，是一个顶部具有开口的长方体结构。

优选的，培养板12通过密封圈13与加载底座15进行密封连接，培养板12的底面与加载底座15的腔体的底面具有空隙。如图8所示，密封圈13的截面形状为L型，在密封圈的内部形成了内圈台阶131。外框的底面与密封圈13的内圈台阶131相配合，起到密封的作用；加载底座15中的密封圈安装面152与密封圈13的密封圈底部132相配合，起到密封的作用。更为具体的，加载底座15的顶部即密封圈安装面152设置有一圈密封凸台，使密封圈安装面152和密封凸台的内壁面形成了台阶面，用来安装形状相配的密封圈。密封圈的内壁面包围培养板的外表面和底面，密封凸台的内壁面包围密封圈的外壁面，密封圈的底面搭接在加载底座上。使得密封圈13夹于培养板12的底面和加载底座15的顶面之间，并夹于外框的外表面和密封凸台的内壁面之间。由于加载装置在工作时在装夹工装作用下，培养板12受力下压密封圈，所以密封圈无需做压紧处理即可起到密封的作用。

优选的，加载底座15的底面上设有装夹工装安装槽156，为装夹工装提供了装夹空间。装夹工装是本领域的现有技术，这里不再赘述。

参阅图11-12，如图所示，用于细胞加载的气动系统包括：用于调节细胞加载装置内压强的气动装置61，实时监测细胞加载装置内压强大小的压强传感器62，接收、处理、发送信号的控制器63。

气动装置61与加载底座15相连接，包括用管接头和气管实现顺序连接的负压泵615、负压过滤器614、负压稳压瓶613、负压流量阀612和负压电磁阀611，负压电磁阀611连接负压泵连接口155。

气动装置61还包括用管接头和气管实现顺序连接的正压泵616、正压过滤器617、正压稳压瓶618、正压流量阀619和正压电磁阀620，正压电磁阀620连接正压泵连接口153。

细胞加载装置的正压泵连接口153、负压泵连接口155分别与正压电磁阀、负压电磁阀通过管接头和气管相连接。

正压泵616和负压泵615为气源，气动装置61由气源提供所需动力源，气源中的气流经过滤器、稳压瓶得到纯净、干燥、稳定的气流，再经流量阀、电磁阀的调节，得到所需流量大小的气流，气流最后进入加载底座15。其中，来自正压泵或负压泵的气体先经过对应的过滤器再进入对应的稳压瓶，是为了防止该稳压瓶中积留空气中的水分和杂质；依次连接的电磁阀比流量阀更靠近加载底座15是因为：电磁阀的作用是打开或切断气路，流量阀的作用是调节气路开口大小，当电磁阀关闭时，流量阀的任何动作对加载底座15内的压强不会有任何影响。

压强传感器62与加载底座15的压强传感器连接口154相连接，其可实时监测加载底座15内的压强大小，并将其转化为电信号传送到控制器63。

控制器63与两个流量阀、两个电磁阀相连接，同时还连接压强传感器62。控制器63接收来自压强传感器62的电信号，处理目标压强的波形并转化为相应电信号，并将控制信号传送给气动装置61中的流量阀与电磁阀。

气动装置可调节加载底座15内的压强，对装置进行加压、减压、保压。此控制方法时刻监测细胞加载装置内的压强并反馈回控制器，相对于开环控制多了误差补偿，使得控制精度更高，并且在系统结束工作前对细胞加载装置进行卸压操作，使得装置不会带压操作，保证了在使用系统进行实验时的安全性、可靠性。

一种用于细胞加载的气动系统的控制方法，如图12所示，包括以下步骤：

A1、

S10、启动气动系统；

S20、输入初始时间至终止时间内的所需的压强的波形，并将初始时间至终止时间按预设宽度值按顺序均匀划分为多个时间段，控制器13为每个时间段设定一个目标压强，目标压强用以拟合时间段对应的压强；例如所需的压强波形为正弦曲线，对波形依次按时间等分，可以选取每个时间段的压强的平均值作为目标压强。对应的目标压强转换为电信号，预设宽度值优选为10ms;

A2、S30、控制器63判断当前时间段的目标压强相比上一个时间段的目标压强是增压或减压；如当前时间段为第一个时间段，则当前时间段的目标压强相比0值压强是增压或减压,容易想到此处的目标压强与加载底座15中的压强值无关;

A3、

S311、若判断为增压，则关闭负压电磁阀611和负压流量阀612，打开正压电磁阀620和正压流量阀619；

S312、若判断为减压，则关闭正压电磁阀620和正压流量阀619，打开负压电磁阀611和负压流量阀612；

A4、根据A3或A7的判断结果，按需调节正压流量阀619或负压流量阀612的开口以调节加载底座15内的压强；

A5、控制器13判断执行完当前时间段后是否达到终止时间，即加载过程是否结束，若是则执行步骤A8；若否则执行步骤A6；

A6、控制器63执行下一个时间段，并判断步骤A5的时间段的目标压强是否需要改变，若是则执行步骤A2；若否则执行步骤A7，如果压强不变化，还是按照实际和预期的压强差来控制阀；

A7、控制器63接收来自压强传感器62的电信号，与步骤A6中的时间段的目标压强转换的电信号进行比较，得到压强传感器62的电信号减去步骤A6中的时间段的目标压强的电信号的差值，得出若差值的绝对值小于或等于预定误差，则执行步骤A5；

若差值小于零且差值的绝对值大于预定误差，则判断为增压，关闭负压电磁阀611和负压流量阀612，打开正压电磁阀620和正压流量阀619，执行步骤A4；

若差值大于零且差值的绝对值大于预定误差，则判断为减压，关闭正压电磁阀620和正压流量阀619，打开负压电磁阀611和负压流量阀612，执行步骤A4；

A8、将加载底座15内的压强卸载，便于打开装置观察细胞，气动系统停止。

以直线型的波形图为例进行介绍，其中时间从初始时间0变化到终止时间20ms，压强一直保持在2KPa，预设宽度值为10ms，预定误差ε为0.1Kpa。

B1、

S10、启动气动系统；

S20、输入所需的压强的波形，并将时间按顺序依次划分为第一和第二这两个时间段，每个时间段的宽度为10ms；每个时间段都分配一个目标压强以拟合该时间段的压强的设计值，这里每个时间段的压强都为2KPa；控制器63将每个时间段对应的目标压强转换为电信号;

B2、S30、控制器63判断当前时间段为第一个时间段，则当前时间段的目标压强与0值压强相比是增压；

B3、S311、若需要增压，则关闭负压电磁阀611和负压流量阀612，打开正压电磁阀620和正压流量阀619；

B4、调节正压流量阀619的开口以调节加载底座15内的压强；

B5、控制器63执行完当前的时间段，判断目前未达到终止时间，即还需要执行第二时间段，执行步骤B6；

B6、控制器63执行第二个时间段，并判断步骤第二时间段的目标压强与上一时间段的目标压强相比数值是否需要改变，结果为不需改变，即正压电磁阀620和正压流量阀619不改变开口大小，执行步骤B7；

B7、控制器63接收来自压强传感器62的电信号，与第二时间段的目标压强进行比较，若差值大于预定误差，则执行步骤B8；

B8、根据差值控制器判断需要增加还是减压，按需调节正压流量阀619的开口或负压流量阀612以调节加载底座15内的压强，以使差值小于或等于预定误差；

B9、控制器63判断目前是否达到终止时间，系统已经执行完第二时间段到达终止时间，执行步骤B10；

B10、将加载底座15内的压强卸载，便于打开装置观察细胞，气动系统停止。

加载气室内从正压泵连接口153进入的气体能从负压泵连接口155出去；正压泵连接口153与正压泵的管道口相连接，作为加载装置的进气口，负压泵连接口155与负压泵的管道口相连接，作为加载装置的出气口，压强传感器连接口154与压强传感器相连接，压强传感器用于实时监测装置内的压强。本实施例公开的气动系统，与现有技术的只通过负压泵来单一控制气室内的气体相比，可以通过控制正压泵和负压泵的总的输出的气压值与时间的关系，从而模拟各种波形的气压，例如静态、正旋、E心型、P心型、三角、矩形以及各种自定义波形，能更丰富的模拟细胞的受力情况。

其中，加载支撑板16为硬质圆形薄片，安装在培养板12的加载膜124之上，加载支撑板16支撑着细胞培养液和样品架17在压力的作用下一同向上运动；样品架17为弹性的圆环，具有良好的弹性应变和恢复的能力。加载支撑板16、样品架17和固定台18共同形成了培养腔体，装夹工装使得透明盖11夹紧培养板12。细胞培养液放置在培养腔体中；固定台18为硬质圆柱体，安装在样品架17和透明盖11之间，固定台18的上下表面分别于样品架17和透明盖11接触配合，在装置不形成正压和负压之前，固定台18的上表面和透明盖11基本不受力。图3为细胞加载装置工作前状态示意图，加载支撑板16放置在加载膜124之上，支撑着细胞培养液和样品架17，细胞培养液放置在样品架17中，此时样品架17未变形，固定台18安装在样品架17和透明盖11之间，固定台18的上下表面分别于样品架17和透明盖11接触配合，此时，固定台18的上表面和透明盖11基本不受力。图4为加载装置工作时的状态示意图，装置内为正压时，加载膜在压力的作用下向上运动，带动加载支撑板16之上的细胞培养液和样品架17一起向上运动，样品架17受到挤压变形，使得样品架17的内径变小、高度变小，细胞液受到三维空间上的力，此时固定台18起到与样品架17之间密封和定位的作用。因在气压下加载支撑板16受力是均匀的，所以细胞液受压也是均匀的，故细胞受力均匀。

本实施例的加载装置，包括机械结构部分、气动系统以及控制系统，机械结构部分与气动部分连接，控制系统则控制气动系统给机械结构部分提供预期想要的正负压，从而模拟各种波形的气压。机械结构部分包括透明盖11、培养板12、密封圈13、加载底座15、加载支撑板16、样品架17、固定台18和装夹工装。控制系统是气压泵领域的现有技术，这里不再赘述。

本实发明有结构简单、降低成本的优点。提供对体外培养的细胞施加空间三维力的方式，使得细胞受力更加均匀，简化了装置的结构复杂度，同时多组实验的进行大大减少了成本，缩短了实验周期。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种使用样品架的三维细胞的加载装置，其特征在于，依次包括从上到下布置的透明盖（11）、固定台（18）、样品架（17）、加载支撑板（16）、培养板（12）和加载底座（15）；

所述培养板（12）包括外框（120）和至少一个细胞培养孔（122），所述细胞培养孔（122）固定连接在所述外框（120）的内部；

所述细胞培养孔（122）的孔底设有加载膜（124），所述细胞培养孔（122）通过所述透明盖（11）与外部环境隔绝；

所述加载底座（15）为顶部设有开口的腔体，所述培养板（12）封装所述腔体，所述外框（120）与所述加载底座（15）密封连接；

所述加载支撑板（16）为置于所述加载膜（124）上的硬质圆形片，所述加载支撑板（16）置于所述培养板（12）的加载膜（124）之上；

所述样品架（17）为具有弹性的圆环且置于所述加载支撑板（16）上；

所述固定台（18）的底面与所述样品架（17）接触，所述固定台（18）的顶面与所述透明盖（11）接触，所述固定台（18）为硬质圆柱体；

所述加载底座（15）加载正压时，所述加载膜（124）向上运动，以使置于所述加载支撑板（16）与所述固定台（18）之间的所述样品架（17）产生弹性形变，所述样品架（17）的内径变小，所述样品架（17）的高度变小，所述加载支撑板（16）、所述样品架（17）和所述固定台（18）共同形成了培养腔体。

2.根据权利要求1所述的一种使用样品架的三维细胞的加载装置，其特征在于，所述加载底座（15）的底面上设有装夹工装安装槽（156）。

3.根据权利要求1所述的一种使用样品架的三维细胞的加载装置，其特征在于，所述加载装置还包括置于所述培养板（12）和所述加载底座（15）之间的密封圈（13）；

所述加载底座（15）的顶部设置有包围所述密封圈（13）的密封凸台；

所述密封圈（13）的截面形状为L型，使得所述密封圈（13）夹于所述培养板（12）的底面和所述加载底座（15）的顶面之间，并夹于所述培养板（12）的外表面和所述密封凸台的内壁面之间。

4.根据权利要求1所述的一种使用样品架的三维细胞的加载装置，其特征在于，所述外框（120）呈长方形框架结构，所述透明盖（11）套在所述培养板（12）的顶部；

所述外框（120）的两个侧面之间设有培养板倒角（121），所述透明盖（11）上设有与所述培养板倒角（121）相匹配的透明盖倒角（111）。