CN203498391U - 体外细胞正负压动静态加载实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种体外细胞正负压动静态加载实验装置，该系统包括气源储气瓶，减压阀，电磁气阀，过滤器，分流器，高压缓冲容器，常压缓冲容器，高压容器，低压容器，真空泵，压缩泵，压力培养箱，数显温度变送器，数显压力表带变送器，数据采集系统，驱动控制系统，加热器，水浴槽，其中气源储气瓶通过减压阀、电磁气阀、过滤器、压力容器和压力培养箱相连；压力培养箱通过压力容器和真空泵、压缩泵相连；压力培养箱通过压力传感器及温度传感器和数据采集系统及驱动控制系统相连。本实用新型能够在体外模拟多种细胞的体内力学环境尤其是颞颌关节腔的压力环境，为体外研究在体细胞的生物力学响应提供研究平台。

Description

体外细胞正负压动静态加载实验装置

技术领域

本发明涉及一种体外细胞正负压动静态加载实验装置，属于细胞生物力学领域。 

背景技术

生物体时刻处于各种机械力的作用下，在外部，生物体受到重力、空气压力、液体压力、声波刺激等力的作用。在内部，则存在肢体运动和细胞生长产生的局部应力，心脏和肺等器官收缩运动产生的压力，体液的流动产生的剪切力、压力和周向力等等；在受力的对象上，无论器官、组织、细胞还是生物大分子都受到机械力的作用。这些力影响并调节生物体的生长发育、生理功能，甚至基因的表达和调控。研究力对生物体的作用，无论在理论上还是应用上都有相当的意义，在理论上力信号的转导及其机制是一个不同于传统生化信号转导的领域。目前关于力信号转导的机制问题尚未完全弄清，这个问题的解决需要下列领域的发展：信号转导、生物大分子的结构和功能，和机械力对生物大分子的结构和功能的影响等。研究力对细胞的作用，是研究力对生物体作用的最重要部分，因为细胞构成组织和器官，同时又由生物大分子构成。因此力对细胞的作用是力对组织和器官作用的基础，同时也是进一步研究力对生物大分子作用的起点。 

骨和软骨缺损是目前组织工程的难题，近年来，干细胞因其具备旺盛的增殖和分化潜能，在组织形成和再生过程中起重要的作用，能够修复骨、软骨缺损，为组织移植和再造提供了更好的方法，因此在组织工程中应用的越来越广泛，成为了优良的种子细胞。而组织和细胞在体内时刻受到力的作用，当干细胞植入体内也会受到机械力、剪切力、循环应力及压应力等多种力学因素的影响，目前已有相关研究证明适当的静态和动态正压力会促进干细胞的增殖，以及促进软骨细胞和骨细胞的增殖和重塑，但是，细胞在体内的压力环境为正压和负压交替的过程，或者说受到的是压缩力和牵张力交替的过程，因此，设计一种体外细胞正负压动静态加载实验装置，不仅可以用于细胞体外大量的快速扩增，为组织工程提供种子细胞，也可以探索细胞在体外模拟体内环境受压时的生物学行为及力学信号的机制提供技术手段和体外模型。 

发明内容

本发明的目的是针对现有技术不能提供从负压到正压连续变化的动态压力变化过程而提供的一种体外细胞正负压动静态加载实验装置，其特点是在体外对培养细胞在指定培养条件下加载(动、静)态(正压、负压、正负压)，并可以对加载压力的大小、频率及时间进行控制和调节，同时能定时换气保持细胞培养的三维环境，并保持压力培养箱内的温度和培养环境(PH值、CO₂浓度)恒定，压力培养箱和整个气路内的气体定时更新，通过这些手段可保持压力培养箱内的细胞培养的三维环境具有操作简单、性能稳定的优点，能够在体外模拟多种体内细胞的生活环境，为体外研究在体细胞的生物力学提供一个更理想韵平台 

本发明所用的细胞力学加载装置其特点是能够模拟在体细胞的受力环境。系统的工作原理是：将培养细胞的培养皿或培养板放入培养箱内，打开储气瓶开关，气体从气源储气瓶中通过减压阀、电磁气阀和过滤器进入四通分流器，再进入常压缓冲容器，常压缓冲容器的气体分别通过压缩泵和真空泵进入高压缓冲容器和低压容器，再分别通过高压电磁气阀和低压电磁气阀的控制经过五通分流器进入到压力培养箱，培养箱内的气体再通过五通分流器和常压电磁气阀进入常压缓冲容器，形成一个气体的闭路循环。培养箱内的气体也可通过排气电磁气阀排出，以完成换气。此时，根据设定好的压力模式、作用时间、频率，控制主板通过驱动控制系统控制压缩泵和真空泵工作，为培养箱内提供相应的动(静)态正(负)压，同时各容器内的压力和温度均可通过各压力传感器和温度传感器由数据采集系统完成采集，控制主板显示并调节。实验过程中，可以通过压力培养箱舱门的透明钢化玻璃观察细胞培养的情况，实验完毕后，控制主板按照设定的参数结束压力加载。打开排气电磁阀，排空培养箱的气体，打开培养箱舱门。 

发明的目的由以下技术措施来实现： 

本发明的体外细胞正负压动静态加载实验装置包括气源储气瓶(1)，第一减压阀(2)，电磁气阀(3)，过滤器(4)，四通分流器(5)，常压缓冲容器(6)，真空泵(7)，压缩泵(8)，安全阀(9)，高压容器(10)，第一指针压力表(11)，第二减压阀(12)，低压容器(13)，高压缓冲容器(14)，第二指针压力表(15)，第一压力变送器(16)，第三指针压力表(17)，低压电磁气阀(18)，第四指针压力表(19)，第二压力变送器(20)，高压电磁气阀(21)，带消声器排气电磁气阀(22)，常压电磁气阀(23)，五通分流器(24)，压力培养箱(25)，第一数显温度变送器(26)，数显压力表带变送器(27)，数据采集系统(28)，显示界面(29)，操作面板(30)，控制主板(31)，开关电源(32)，驱动控制系统(33)，加热器(34)，第二数显温度变送器(35)，水浴槽(36)，水位开关(37)。 

其中所述气源储气瓶(1)中的气体通过所述第一减压阀(2)、电磁气阀(3)和过滤器(4)进入所述四通分流器(5)，所述四通分流器(5)另外三端分别与所述常压缓冲容器(6)，真空泵(7)，压缩泵(8)相连接，所述压缩泵(8)，安全阀(9)，第一指针压力表(11)与所述高压容器(10)连接，所述高压容器(10)通过所述第二减压阀(12)与所述高压缓冲容器(14)连接，所述第二指针压力表(15)显示所述高压缓冲容器(14)中的压力，所述高压缓冲容器(14)中的气体通过所述高压电磁气阀(21)与所述五通分流器(24)相连接，所述低压容器(13)的一端与所述真空泵(7)相连接，所述低压容器(13)的另一端与所述低压电磁气阀(18)相连接，所述低压电磁气阀(18)的另一端与与所述五通分流器(24)相连接，所述第一压力变送器(16)，第三指针压力表(17)分别对所述低压容器(13)中气体压力进行采样和显示，所述常压缓冲容器(6)的一端与所述四通分流器(5)相连接，另一端与所述常压电磁气阀(23)相连接。所述第四指针压力表(19)，第二压力变送器(20)分别对所述常压缓冲容 器(6)中气体压力进行显示和采样，所述带消声器排气电磁气阀(22)与所述五通分流器(24)相连接。所述压力培养箱(25)与所述五通分流器(24)相连接，所述第一数显温度变送器(26)，数显压力表带变送器(27)分别对所述常压缓冲容器(6)中气体压力和温度进行显示和采样，所述加热器(34)对所述水浴槽(36)中的水进行加热，所述第二数显温度变送器(35)对所述水浴槽(36)中的水温进行采集，所述水位开关(37)对所述水浴槽(36)中的水位进行采集，所述数据采集系统(28)与第一数显温度变送器(26)，数显压力表带变送器(27)，第二数显温度变送器(35)相连接，并与所述控制主板(31)连接，所述开关电源(32)、驱动控制系统(33)、显示界面(29)和操作面板(30)分别与所述控制主板(31)相连接。 

优选地，所述体外细胞正负压动静态加载实验装置的所述压力培养箱(25)内设三层培养皿支架，支架为镂空形，能够容纳实验用孔板和培养皿，使气体容易同培养皿中的气体交换并达到设定气压。所述压力培养箱(25)的舱门中央设置窗口，为透明钢化玻璃，可对细胞加压全程进行可视观察。 

优选地，所述体外细胞正负压动静态加载实验装置的所述高压缓冲容器(14)、低压容器(13)、常压缓冲容器(6)以及真空泵(7)、压缩泵(8)组成了压力驱动系统。 

优选地，所述体外细胞正负压动静态加载实验装置通过用加热器(34)加热置于水浴槽(36)中的高压缓冲容器(14)、低压容器(13)、常压缓冲容器(6)，加热管路中的气体，或者通过放置在压力培养箱(25)下方的加热板直接加热所述压力培养箱(25)，从而通过控制主板(31)来控制压力培养箱中的温度，所述第一数显温度变送器(26)对培养箱内的温度进行采样和显示。 

数据采集系统包括压力传感变送器、温度传感变送器，并通过和控制主板连接。 

控制主板写入的程序是调控压力变化的核心，其功能如下： 

驱动压缩泵/真空泵产生气压，使高压缓冲容器和低压缓冲容器内产生一定的压力，同时气体通过高压缓冲容器、低压缓冲容器与培养箱相流通，并产生一定频率、大小的压力，同时监测压缩泵/真空泵的运行状态，并及时通过调整控制系统使整个系统稳定。 

电磁阀控制功能：通过控制主板控制电磁阀的开关来调节进气、排气和补气，并且控制电磁阀的开关时间来调节气体的流量来精确调节培养箱内压力的。 

数据处理及显示功能：按照控制面板设定的频率、时间、动/静态压力模式，驱动压缩机/真空泵工作，通过压力缓冲容器对培养箱内进行压力调节，产生一定频率和大小的动静态压力，同时，通过数据采集系统对压力培养箱内的温度、压力进行数据采集，并在显示界面上显示出来，同时以波形曲线动态显示出压力变化的过程，能够对培养箱内的温度、压力进行实时监控。 

本发明有以下优点： 

(1)本发明的加热方式为恒温水槽加热及辅助加热装置联合加热方式，在静态压力模式下，由于气体在培养箱内压缩滞留，气体的流动停止，此时，辅助加热装置工作，为培养箱提供恒温。在动态压力模式下，气体在常压缓冲容器、高压缓冲容、高压容器和低压容器、以及压力培养箱内快速流动，此时，恒温水槽为浸没在水浴中的压力容器加热，保证整个管路中的气体温度保持恒温，以补偿在管路中气体热量的散失，通过这种加热方式来保证整个细胞培养环境的稳定的恒温环境，保证细胞生物活性，减低温度对细胞培养造成的影响。 

(2)在本发明中，压力驱动系统采用的是压缩泵和真空泵，能够提供较大范围的压力范围，同时常压、高压、低压压力缓冲容器及压力培养箱均采用耐高压的不锈钢制成，因此能够保证培养的细胞可进行压力范围宽、压力模式多(动静态、正负压)的细胞压力测试，提供不同的压力环境，待测试的细胞种类繁多，应用于多种医疗实验。 

(3)在本发明中，因培养箱为密闭环境，细胞长时间的加压状态下会改变气体的组成比例，主板控制系统设定的按照每小时排出整个实验装置内的气体，可保证细胞良好的生存环境。 

(4)在本发明中，控制面板简单易操作，并能实时显示压力培养箱的压力、温度、压力的变化轨迹及压力波形曲线，达到对培养箱做到实时监控的目的。 

附图说明

图1为体外细胞正负压动静态加载实验装置 

图中：1、气源储气瓶，2、减压阀，3、电磁气阀，4、过滤器，5、四通分流器，6、常压缓冲容器，7、真空泵，8、压缩泵，9、安全阀，10、高压容器，11、指针压力表，12、减压阀，13、低压容器，14、高压缓冲容器，15、指针压力表，16、压力变送器，17、指针压力表，18、低压电磁气阀，19、指针压力表，20、压力变送器，21、高压电磁气阀，22、带消声器排气电磁气阀，23、常压电磁气阀，24、五通分流器，25、压力培养箱，26、数显温度变送器，27、数显压力表带变送器，28、数据采集系统，29、显示界面，30、操作面板，31、控制主板，32、开关电源，33、驱动控制系统，34、加热器，35、数显温度变送器，36、水浴槽，37、水位开关。 

图2为压力培养箱示意图 

图中：25、压力培养箱，26、数显温度变送器，27、数显压力表带变送器，38、进气出气口，39、细胞培养皿，40、钢化玻璃观察窗，41、培养皿支架，42、细胞培养箱支架。 

图3为体外细胞正负压动静态加载实验装置显示界面 

图4为体外细胞正负压动静态加载实验装置的程序流程图 

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只是用于解释并进 一步说明本发明，并非限定本发明的范围。本领域中技术熟练的研究人员对本发明的技术方案做出的各种非本质的改进和调整，都应落入本发明的保护范围。 

该装置包括气源储气瓶1，第一减压阀2，电磁气阀3，过滤器4，四通分流器5，常压缓冲容器6，真空泵7，压缩泵8，安全阀9，高压容器10，第一指针压力表11，第二减压阀12，低压容器13，高压缓冲容器14，第二指针压力表15，第一压力变送器16，第三指针压力表17，低压电磁气阀18，第四指针压力表19，第二压力变送器20，高压电磁气阀21，带消声器排气电磁气阀22，常压电磁气阀23，五通分流器24，压力培养箱25，第一数显温度变送器26，数显压力表带变送器27，数据采集系统28，显示界面29，操作面板30，控制主板31，开关电源32，驱动控制系统33，加热器34，第二数显温度变送器35，水浴槽36，水位开关37。 

参照附图1，气源储气瓶1中的气体通过减压阀2、电磁气阀3和过滤器4进入四通分流器5。四通分流器5另外三端分别与常压缓冲容器6，真空泵7，压缩泵8相连接。压缩泵8与高压容器10连接，安全阀9，指针压力表11与高压容器10连接，高压容器10通过减压阀12与高压缓冲容器14连接，指针压力表15显示高压缓冲容器14中的压力，高压缓冲容器14中的气体通过高压电磁气阀21与五通分流器24相连接。低压容器13的一端与真空泵7相连接，低压容器13的另一端与低压电磁气阀18相连接，低压电磁气阀18的另一端与与五通分流器24相连接。压力变送器16，指针压力表17分别对低压容器13中气体压力进行采样和显示。常压缓冲容器6的一端与四通分流器5相连接，另一端与常压电磁气阀23相连接。指针压力表19，压力变送器20分别对常压缓冲容器6中气体压力进行显示和采样。带消声器排气电磁气阀22与五通分流器24相连接。压力培养箱25与五通分流器24相连接，数显温度变送器26，数显压力表带变送器27分别对常压缓冲容器6中气体压力和温度进行显示和采样。加热器34对水浴槽36中的水进行加热，数显温度变送器35对水浴槽36中的水温进行采集，水位开关37对水浴槽36中的水位进行采集。数据采集系统28与系统的各数据采集传感器相连接，并与控制主板31连接，开关电源32、驱动控制系统33、显示界面29和操作面板30分别与控制主板31相连接。 

压力培养箱体25内设三层培养皿支架41，支架为镂空型，能够容纳细胞培养皿39，并使气体容易同培养皿中的气体交换达到设定气压，同时压力培养箱的进气口38设置在培养箱的侧面，防止因频繁的进气和出气导致培养箱中的气体出现不规律的流动，从而避免培养箱中的压力不均匀。 

培养箱舱门设计为4个螺丝固定，舱门口用密封圈密封，舱门中央有圆形钢化玻璃观察窗40，可实现细胞加压全程的透明观察。 

Claims (4)

1.一种体外细胞正负压动静态加载实验装置，其特征在于该装置包括气源储气瓶(1)，第一减压阀(2)，电磁气阀(3)，过滤器(4)，四通分流器(5)，常压缓冲容器(6)，真空泵(7)，压缩泵(8)，安全阀(9)，高压容器(10)，第一指针压力表(11)，第二减压阀(12)，低压容器(13)，高压缓冲容器(14)，第二指针压力表(15)，第一压力变送器(16)，第三指针压力表(17)，低压电磁气阀(18)，第四指针压力表(19)，第二压力变送器(20)，高压电磁气阀(21)，带消声器排气电磁气阀(22)，常压电磁气阀(23)，五通分流器(24)，压力培养箱(25)，第一数显温度变送器(26)，数显压力表带变送器(27)，数据采集系统(28)，显示界面(29)，操作面板(30)，控制主板(31)，开关电源(32)，驱动控制系统(33)，加热器(34)，第二数显温度变送器(35)，水浴槽(36)，水位开关(37)； 

其中所述气源储气瓶(1)中的气体通过所述第一减压阀(2)、电磁气阀(3)和过滤器(4)进入所述四通分流器(5)，所述四通分流器(5)另外三端分别与所述常压缓冲容器(6)，真空泵(7)，压缩泵(8)相连接，所述压缩泵(8)，安全阀(9)，第一指针压力表(11)与所述高压容器(10)连接，所述高压容器(10)通过所述第二减压阀(12)与所述高压缓冲容器(14)连接，所述第二指针压力表(15)显示所述高压缓冲容器(14)中的压力，所述高压缓冲容器(14)中的气体通过所述高压电磁气阀(21)与所述五通分流器(24)相连接，所述低压容器(13)的一端与所述真空泵(7)相连接，所述低压容器(13)的另一端与所述低压电磁气阀(18)相连接，所述低压电磁气阀(18)的另一端与与所述五通分流器(24)相连接，所述第一压力变送器(16)，第三指针压力表(17)分别对所述低压容器(13)中气体压力进行采样和显示，所述常压缓冲容器(6)的一端与所述四通分流器(5)相连接，另一端与所述常压电磁气阀(23)相连接；所述第四指针压力表(19)，第二压力变送器(20)分别对所述常压缓冲容器(6)中气体压力进行显示和采样，所述带消声器排气电磁气阀(22)与所述五通分流器(24)相连接；所述压力培养箱(25)与所述五通分流器(24)相连接，所述第一数显温度变送器(26)，数显压力表带变送器(27)分别对所述常压缓冲容器(6)中气体压力和温度进行显示和采样，所述加热器(34)对所述水浴槽(36)中的水进行加热，所述第二数显温度变送器(35)对所述水浴槽(36)中的水温进行采集，所述水位开关(37)对所述水浴槽(36)中的水位进行采集，所述数据采集系统(28)与第一数显温度变送器(26)，数显压力表带变送器(27)，第二数显温度变送器(35)相连接，并与所述控制主板(31)连接，所述开关电源(32)、驱动控制系统(33)、显示界面(29)和操作面板(30)分别与所述控制主板(31)相连接。 

2.如权利要求1所述体外细胞正负压动静态加载实验装置，其特征在于所述压力培养箱(25)内设三层培养皿支架，支架为镂空形，能够容纳实验用孔板和培养皿，使气体容易同培养皿中的气体交换并达到设定气压；所述压力培养箱 (25)的舱门中央设置窗口，为透明钢化玻璃，可对细胞加压全程进行可视观察。 

3.如权利要求1所述体外细胞正负压动静态加载实验装置，其特征在于所述高压缓冲容器(14)、低压容器(13)、常压缓冲容器(6)以及真空泵(7)、压缩泵(8)组成了压力驱动系统。 

4.如权利要求1所述体外细胞正负压动静态加载实验装置，其特征在于，采用加热器(34)加热置于水浴槽(36)中的高压缓冲容器(14)、低压容器(13)、常压缓冲容器(6)，进而加热管路中的气体，并且通过放置在压力培养箱(25)下方的加热装置直接加热所述压力培养箱(25)，从而通过控制主板(31)来控制压力培养箱中的温度，所述第一数显温度变送器(26)对培养箱内的温度进行采样和显示。 

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