CN117866766A - 一种多维度自动化体外负压加载培养装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多维度自动化体外负压加载培养装置，属于生物医学工程技术领域，其包括培养箱以及设置其外部控制器；所述培养箱包括箱体以及设置内部的夹具和密封培养皿，夹具用于控制密封培养皿的闭合状态，密封培养皿上设置有进气孔、抽气孔和负压传感器；进气孔通过流量传感器与流量调节阀连接，用于控制密封培养皿中的进气量；所述控制器包括负压泵和控制单元，负压泵与抽气孔连接，流量传感器和负压传感器分别与控制单元连接，控制单元根据接收流量和压力数据调节密封培养皿的负压状态；在负压力学刺激下，弹性膜会发生变形进而带动三维网状层中的细胞会被拉伸变形，从而使细胞在负压环境产生力学拉伸刺激，得到与真实人体环境类似的效果。

Description

一种多维度自动化体外负压加载培养装置

技术领域

本发明涉及生物医学工程设备技术领域，具体为一种多维度自动化体外负压加载培养装置。

背景技术

负压治疗技术广泛应用在临床治疗，负压治疗技术主要适用于需要持续负压吸引的伤口，如各种原因引起的创面、开放性骨折等。它可以通过减少创面出血，促进肉芽组织增生，有利于创面愈合。此外，负压治疗技术还可以用于肺泡蛋白沉积症的治疗，以及治疗脑水肿、脑出血、脑梗死等疾病。在负压治疗过程中，治疗区域的组织处于负压环境，同时使该组织区域细胞产生内外压差，以及受负压组织变形引起的拉伸作用，细胞内外的压差会引起血管渗透性、细胞因子表达等生理作用，而拉伸作用对干细胞的分化方向有直接影响。

为了更加充分的研究负压环境下对组织和细胞的影响，现有的负压培养装置，在培养腔的底部设置有弹性膜，将细胞种植在弹性膜上，对培养腔封闭后进行抽真空，使培养腔内部产生负压，从而获取细胞在负压环境产生的力学拉伸刺激，进而获取负压下的细胞数据。

但是，该负压培养装置中由于工作部件过多，导致培养装置内部的温度难以恒定在适宜细胞生长的最佳温度，严重影响细胞生长，同时，在负压状态下空气流动造成细胞培养基蒸发量过大，实际测试该装置在-40mmHg负压工作1小时液体蒸发量可达30％，造成细胞培养基浓度升高、渗透压增加，非常破坏了细胞正常生长环境，而且该培养装置体积较巨大，占用培养箱空间的同时不容易消毒灭菌。

发明内容

现有技术中存在的问题，本发明提供一种多维度自动化体外负压加载培养装置，能够使细胞在负压环境受到力学拉伸刺激，模拟人体在负压环境细胞的真实状态，对负压治疗技术的提供精准的研究数据。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种多维度自动化体外负压加载培养装置，包括培养箱以及设置其外部控制器；

所述培养箱包括箱体以及设置内部的夹具和密封培养皿，夹具用于控制密封培养皿的闭合状态，密封培养皿上设置有进气孔、抽气孔和负压传感器；进气孔通过流量传感器与流量调节阀连接，用于控制密封培养皿中的进气量；

所述控制器包括负压泵和控制单元，负压泵与抽气孔连接，流量传感器和负压传感器分别与控制单元连接，控制单元根据接收流量和压力数据调节密封培养皿的负压状态。

优选的，所述夹具包括顶板、底板、压力板和驱动装置；

所述顶板和底板分别设置在导柱的顶部和底部，压力板滑动安装在导柱上并与驱动装置连接，所述密封培养皿设置在底板和压力板之间。

优选的，所述密封培养皿包括密封体和培养板；

所述培养板上设置有至少一个培养腔，密封体与培养腔同轴设置并固接在压力板的底面。

优选的，所述负压传感器固定在压力板上，负压传感器的探测端穿过密封体伸入至培养腔中。

优选的，所述压力板的底部设置有多个密封腔，密封体的上部嵌置在密封腔中，密封体的下部用于压接在培养腔口部边缘。

优选的，所述培养腔的底部设置弹性膜，密封培养皿的底部设置距离检测装置并与控制单元连接，用于检测密封培养皿在负压状态下，弹性膜的变形量。

优选的，所述弹性膜自下而上包括聚合物薄膜、黏结膜和三维网状结构层。

优选的，所述底板上设置有能够水平滑动的推拉板，培养板固定在推拉板上。

优选的，所述培养板上设置有多个不同规格的培养腔。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

一种多维度自动化体外负压加载培养装置，通过在培养腔中上设置有进气孔和抽气孔，流量传感器精准控制培养腔中的进气量，同时控制单元根据进气量和负压值对培养腔的负压进行动态调节，使其保持在稳态，给细胞提供稳定的生长和刺激环境，另外，通过精准控制进气量，降低空气流动速率，解决负压抽吸带动空气流动过大造成细胞培养基蒸发量过大，导致细胞培养基浓度升高、渗透压增加，破坏了细胞正常生长环境的问题；其次，本申请将控制器和培养箱分为两个独立的部分，两者之间通过气路连接，工作部件安装在控制器中，避免各部件在工作中产生的热量对密封培养皿的影响，使密封培养皿处于恒温状态，在负压力学刺激下，培养皿中的细胞会被拉伸变形，从而使细胞在负压环境产生力学拉伸刺激，得到与真实人体环境类似的效果。

附图说明

图1为本发明压力刺激的细胞培养装置的结构框图；

图2为本发明培养箱的外观示意图；

图3为本发明培养箱的内部结构示意图；

图4为本发明培养箱的正视图；

图5为本发明密封板的结构示意图；

图6为本发明培养板的结构示意图；

图7为本发明实施例2培养装置的结构示意图；

图8为本发明实施例2培养培的结构示意图；

图9为本发明控制器的结构示意图；

图10为本发明控制器的内部结构示意图。

图中：1、控制器；2、培养箱；11、壳体；12、触摸屏；13、负压泵；14、电压模组；15、控制单元；16、数据采集模组；20、流量调节阀；21、第一培养箱；22、第二培养箱；22、第三培养箱；24、驱动装置；25、顶板；26、压力板；27、底板；28、压力传感器；29、支撑板；30、流量传感器；31、负压传感器；32、进气孔；33、抽气孔；34、推拉板；35、密封体；36、培养板；37、培养腔；38、密封门板；40、基板；41、距离传感器；42、弹性膜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参阅图1-8，一种多维度自动化体外负压加载培养装置，包括培养箱2以及设置其外部控制器1。

所述培养箱2包括设置在封闭空间的夹具和密封培养皿，夹具用于控制密封培养皿的闭合状态，密封培养皿上设置有进气孔32、抽气孔33和负压传感器28；进气孔32通过流量传感器30与流量调节阀20连接，用于控制密封培养皿中的进气量。

所述控制器1包括负压泵13和控制单元，负压泵13与抽气孔33连接，流量传感器30和负压传感器28分别与控制单元连接，控制单元根据接收流量和压力数据调节密封培养皿的压力使其处于稳态。

该细胞培养装置，通过在培养腔中上设置有进气孔和抽气孔，流量传感器精准控制培养腔中的进气量，同时控制单元根据进气量和负压值对培养腔的负压进行动态调节，使其保持在稳态，给细胞提供稳定的生长和刺激环境，另外，通过精准控制进气量，降低空气流动速率，解决负压抽吸带动空气流动过大造成细胞培养基蒸发量过大，导致细胞培养基浓度升高、渗透压增加，破坏了细胞正常生长环境的问题；其次，本申请将控制器和培养箱分为两个独立的部分，两者之间通过气路连接，工作部件安装在控制器中，避免各部件在工作中产生的热量对密封培养皿的影响，使密封培养皿处于恒温状态。

参阅图9和10，在本实施例中，该控制器1具体包括壳体11，多个负压泵13设置在壳体中，为了能够实现多个培养腔的控制，在壳体中设置了6个负压泵，该数量只是示例性说明，数量可以实际需要进行设置，在负压泵的顶部设置有支撑台，支撑台上设置和控制单元，以及与其连接的数据采集模组16和电源模组14，控制单元连接负压泵，壳体上设置触控屏并与控制单元连接。

下面对培养箱进行详细的说明，本申请中共包括三种不同结构的培养箱第一培养箱21、第二培养箱22和第三培养箱22。

实施例1

参阅图2-6，第一培养箱21包括培养箱以及设置在其内部的夹具和密封培养皿。

所述夹具包括顶板25、底板27、压力板26和驱动装置24，底板27的四个角分别设置有四个导柱，顶板25安装在导柱的顶部，导柱上设置有导套，压力板26套设在四个导柱上并导套连接，通过导套使压力板能够沿导柱上下滑动，所述压力板的顶部通过多个支撑块连接有支撑板，支撑板29的顶部设置有压力传感器28，驱动装置固定在顶板的顶部，驱动装置的驱动端穿过顶板压力传感器28连接，驱动装置通过支撑板29带动压力板上下移动。

所述密封培养皿设置在底板和压力板之间，密封培养皿包括培养板36和密封体；所述培养板36上间隔设置有多个培养腔37，密封体的数量与培养腔的数量相对应，密封体固定压力板的底面并正对培养腔，所述培养腔为顶部开口的圆形盒体结构，压力板上设置有培养腔对应的密封腔，密封体为环形结构，嵌置在密封腔中，当密封体与培养腔接触，密封体的边缘压装在培养腔的顶部边缘对培养腔密封。

所述密封体环形的硅胶密封圈。

所述支撑板29和压力板之间设置有安装空间，用于安装负压传感器，每个密封培养皿的进气孔和抽气孔均设置在压力板的密封腔中，并延伸至压力板的顶部，每个密封腔的顶部均设置一负压传感器，进气孔和抽气孔出均设置有SW快速，流量传感器30设置在压力板的两侧，流量调节阀20设置在密封室的侧壁上，流量调节阀20的出气端连接流量传感器30的一端，流量传感器30的另一端连接进气孔，流量调节阀20的另一端与大气连通，压力传感器的探测端伸入至密封腔中。所述培养腔的抽气孔的管路自密封室背部的过滤装置处引出后分别与一台负压泵连接。

进一步，为了便于操作培养腔，在底板上设置有推拉板34，所述培养板设置在推拉板上，培养箱上设置有出口，推拉板34能够在底板上滑动并自出口滑出，底板的侧壁上设置有与出口相配合的密封门板38。

工作时，驱动装置带动压力板上下移动，能够使密封体压装在培养板上并保持一定压力，密封腔与培养腔形成密封培养皿，然后通过负压泵对密封培养皿进行抽正空使其形成负压状态，通过调节流量调节阀即可控制密封培养皿的进气量，由于培养基灌注在培养腔中，如果不能进准实现进气量控制，在机器实际运行中造成负压抽吸带动的空气流动造成细胞培养基蒸发量过大，例如-40mmHg负压工作1小时液体蒸发量可达30％，造成细胞培养基浓度升高、渗透压增加，破坏了细胞正常生长环境。本发明将进气口直径改为大小可调设计，并在进气管口加入微流量传感器，如此以来，在后期使用过程中，可根据需要随意调整进气口大小，在负压工作过程中保持足够气体交换的同时减少了液体的蒸发，使其不影响细胞正常生长；

其次，该培养箱的负压传感器直接测量培养腔的压力，改变以往负压传感器设置在抽气口，通过测量抽气速度以显示具体负压值，其显示出的负压值并不准确，也并非细胞培养皿中的真实负压值。本申请将负压传感器放置在细胞培养腔里面，能实时测量细胞培养环境的具体负压值，更加真实精确。

另外，本发明将管线从细胞培养箱进气口的过滤装置处引出去，解决了细胞培养箱无法严密关闭的问题；解决现有设备将线路从细胞培养箱的玻璃门下引出，造成细胞培养箱无法严密关闭，容易造成细胞培养箱的污染和漏气，长期会影响细胞培养箱的正常使用的问题。

实施例2

本实施例的第二培养箱22与实施例1不同之处在于密封培养皿的结构，同时增加了测量装置，其余结构均相同，不在赘述。

参阅图7-8，本实施例中，培养板上各培养腔为通孔结构，培养腔的底部设置有弹性膜42，弹性膜粘接在培养板的底板，然后将培养板固定在推拉板上。

培养箱整体通过支撑柱悬置在基板40的上方，即底板固定在支撑柱的底部，在基板安装多个距离传感器41，用于测量弹性膜的在负压作用下的变形量，在推拉板和底板对应弹性膜的区域开始测量孔，距离传感器设置在测量孔的底部，距离传感器41与控制单元连接。

所述弹性膜顶面涂覆一层黏结膜，黏结膜的顶面形成一层三维网状结构，将含有细胞的水凝胶滴加在三维网状层上，水凝胶通过三维网状层渗透至黏结膜上，黏结膜将三维网状层牢固黏附在弹性膜上，并且不影响细胞活性的生物分子，同时三维网状层为起到支撑作用，为细胞的生长提供空间，提高细胞的成活率，在负压力学刺激下，细胞会被动拉伸变形，黏结膜会将三维网状层固定在弹性膜表面，从而使细胞在负压环境产生力学拉伸刺激，得到与真实人体环境类似的效果，同时通过距离检测装置检测弹性膜的垂直变形量，并将变形量反馈给控制单元，控制单元根据变形量控制刺激腔的真空度，对细胞进行力学刺激，同时避免力量过大导致细胞失去活性。

弹性膜为聚有机硅氧烷聚合物薄膜。黏结膜为具有带正电荷氨基的多肽形成的黏结膜。由于硅氧烷聚合物表面特殊的电荷分布，三维网状层中的含细胞水凝胶也含有糖蛋白等负电荷，这种富含正电荷的多肽容易与之粘合形成较强的粘合力。

三维网状层为3D打印技术制备的网状支架、静电纺丝技术制备的纺丝支架、脱细胞后生物组织、消毒脱脂后的棉花等天然高分子化合物，或人工制备的具备空隙结构的高分子化合物。三维网状层起着支持、连接细胞的作用，同时其三维的空间结构和机械力学性能有利于细胞的黏附和生长，为细胞新陈代谢提供了基本框架和代谢场所。

所述距离检测装置为激光测距器。

实施例3

本实施例的第三培养箱23与实施例1和2不同之处在于，每个培养腔为独立结构，具体数量可以根据自己的拼接。

本发明提供的一种多维度自动化体外负压加载培养装置，将控制器与培养箱均作为独立机构，两者之间通过总线和管路连接，负压泵在工作产生震动，震动严重干扰了细胞的受力环境，影响细胞的生长，本发明将负压抽吸泵设计在细胞培养箱外面，解决了震动对细胞培养的影响，为细胞提供稳定的生长条件，其次，负压泵在工作时会在细胞培养箱里产生热量，造成细胞培养箱温度失调，细胞培养箱不能保持恒温37℃，严重影响细胞生长，分离设计将负压抽吸泵与培养箱分离，有效解决了机器工作时对细胞培养箱及细胞培养的影响。

另外，本发明在一个培养板上形成多个培养皿，并且设计成多种不同的规格，能够满足所有负压实验需求，提高实验效率，降低实验成本。

下面对本发明一种多维度自动化体外负压加载培养装置的使用方法进行说明。

步骤1、将含有细胞的水凝胶滴加弹性膜上，让推拉板推入后启动驱动装置，使压力板上的密封体对培养腔密封。

步骤2、设定需要的真空压力大小、频率及波形，控制单元控制负压泵调节培养腔中的负压；

步骤3、将负压传感器和流量传感器的数据实时反馈给控制单元，控制单元根据反馈数据实时调整负压泵的功率，使培养腔的处于恒定负压，或者通过负压度使弹性膜按照一定的浮动上下波动，模拟静态波、正旋波、三角形波、心形波等，真实的模拟细胞在体内的状态，并实时记录和显示数据。

本发明采用持续负压吸引或间断负压吸引两种工作模式，使弹性膜能够模拟出细胞在体内的不同状态，并对培养腔的负压值进行了范围限定，当负压超出范围则是输出报警信号，提高实验的安全性。其次，本发明根据微流量传感器，设置了负反馈调节程序，在设置了某一具体负压值后，机器可自动调整进气量将负压值稳定维持在设定值不变；最后，将放置在细胞培养箱内的部分缩小到原体积十分之一左右，基本不占空间；外机约为原机器的二分之一，使机器小型化，能够有效提高产品的市场化。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多维度自动化体外负压加载培养装置，其特征在于，包括培养箱以及设置其外部控制器；

所述培养箱包括箱体以及设置内部的夹具和密封培养皿，夹具用于控制密封培养皿的闭合状态，密封培养皿上设置有进气孔、抽气孔和负压传感器；进气孔通过流量传感器与流量调节阀连接，用于控制密封培养皿中的进气量；

所述控制器包括负压泵和控制单元，负压泵与抽气孔连接，流量传感器和负压传感器分别与控制单元连接，控制单元根据接收流量和压力数据调节密封培养皿的负压状态。

2.根据权利要求1所述的一种多维度自动化体外负压加载培养装置，其特征在于，所述夹具包括顶板、底板、压力板和驱动装置；

所述顶板和底板分别设置在导柱的顶部和底部，压力板滑动安装在导柱上并与驱动装置连接，所述密封培养皿设置在底板和压力板之间。

3.根据权利要求2所述的一种多维度自动化体外负压加载培养装置，其特征在于，所述密封培养皿包括密封体和培养板；

所述培养板上设置有至少一个培养腔，密封体与培养腔同轴设置并固接在压力板的底面。

4.根据权利要求3所述的一种多维度自动化体外负压加载培养装置，其特征在于，所述负压传感器固定在压力板上，负压传感器的探测端穿过密封体伸入至培养腔中。

5.根据权利要求3所述的一种多维度自动化体外负压加载培养装置，其特征在于，所述压力板的底部设置有多个密封腔，密封体的上部嵌置在密封腔中，密封体的下部用于压接在培养腔口部边缘。

6.根据权利要求3所述的一种多维度自动化体外负压加载培养装置，其特征在于，所述培养腔的底部设置弹性膜，密封培养皿的底部设置距离检测装置并与控制单元连接，用于检测密封培养皿在负压状态下，弹性膜的变形量。

7.根据权利要求6所述的一种多维度自动化体外负压加载培养装置，其特征在于，所述弹性膜自下而上包括聚合物薄膜、黏结膜和三维网状结构层。

8.根据权利要求3所述的一种多维度自动化体外负压加载培养装置，其特征在于，所述底板上设置有能够水平滑动的推拉板，培养板固定在推拉板上。

9.根据权利要求3所述的一种多维度自动化体外负压加载培养装置，其特征在于，所述培养板上设置有多个不同规格的培养腔。