CN207468651U - 模拟体内动态微环境的细胞培养装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了模拟体内动态微环境的细胞培养装置，包括壳体、以及设于壳体内部的平面面盖、培养皿放置座、拉伸装置、平台基座、散热机构，还包括顶盖、实时观察系统、电刺激系统、控制系统、CO₂输送装置、自动换液装置和夹紧装置，拉伸装置包括控制夹紧装置移动的传动机构以及拉力传感器，多个移动夹具的设置，在细胞培养的过程中，可实现对生物膜进行单向、双向、多向的循环拉伸，并对生物膜的拉伸时间、拉伸频率以及拉伸幅度进行控制，同时对细胞进行电刺激，可以实现电‑拉力刺激的联合，更真实地模拟了体内细胞所处的微环境，为细胞、组织的体外生长的研究提供了条件。

Description

模拟体内动态微环境的细胞培养装置

技术领域

本实用新型涉及细胞培养技术领域，尤其是涉及模拟体内动态微环境的细胞培养装置。

背景技术

在组织工程中，细胞、组织的体外功能化培养已成为一项组织工程的核心技术，也是形成组织工程产业的必不可少的技术基础，但目前体外细胞培养还存在一些不足。

在力学方面，模拟体内力学环境的实验方法主要有流动剪切力法、基底拉伸法、静水压法、圆周应力法；模拟体外力学环境的实验方法主要有微重力细胞培养法、离心力场法、气体加压法、声波刺激法、微光束辐照法。基底拉伸技术开始于弹性细胞培养膜的问世。基底拉伸技术的设计思路是以生物膜作为基底材料，通过将细胞种植于生物膜上，由装置产生可控制的运动使得生物膜发生形变，而培养在生物膜表面上的细胞因基底的形变而受力，从而实现拉伸应力下细胞生长规律研究的可能性，这种加载技术是目前一种较为理想的实验技术，可用于各种细胞的体外力学加载，主要用于研究牵张力对体外培养细胞增殖和代谢等的影响，其加载技术主要有矩形基底拉伸、圆形基底拉伸等，其中圆形基底的拉伸更为常见。

在电学方面，电学环境是体内细胞生长的重要微环境之一。在生理电场存在的情况下，细胞产生分裂、分化和迁移。没有电场的细胞培养环境缺少了一种胚胎自然发育过程中所具有的细胞外环境。通过模拟体内细胞、组织生长所处的电学微环境，可为体外细胞组织的生长提供较为真实的环境，能使细胞快速、优质增殖，如电刺激可以诱导人成骨细胞钙离子浓度的增加，促进成骨细胞的增殖、生长因子的分泌以及细胞外基质的合成。

现有体外细胞培养技术中，普遍是将培养皿放置于培养箱内，培养一段时间后再将培养皿取出，以对其进行力学或电学刺激，这种方法效率低，且培养质量不高。

实用新型内容

为了解决上述现有技术问题，本实用新型提供了模拟体内动态微环境的细胞培养装置，包括壳体，以及设置于壳体内用于夹持生物膜的夹紧装置，所述夹紧装置包括至少两个移动夹具，所述生物膜位于两个夹具之间；设置于壳体内控制夹紧装置移动的拉伸装置；所述夹紧装置之间设有用于放置培养皿的培养皿放置座。

为了进一步实现本实用新型，所述拉伸装置包括传动机构、拉力传感器，所述传动机构包括两个固定座、步进电机、丝杆和行程杆，所述步进电机固定设置在设有通孔的固定座上，所述丝杆设置在两个固定座之间，所述丝杆一端与电机的输出轴固定连接，并穿过固定座的通孔，另一端与另一个固定座的螺孔连接，行程杆一端与下夹头固定连接，行程杆另一端设有螺孔，该螺孔与丝杆螺纹连接，所述步进电机带动丝杆转动，实现了行程杆水平直线运动，进而实现拉伸夹具移动。

为了进一步实现本实用新型，所述拉力传感器设置在移动夹具上。

为了进一步实现本实用新型，所述夹具包括上夹头、下夹头、以及调节上夹头移动的调节组件，上夹头包括上夹持端、上连接部，上连接部的底端与上夹持端连接，上连接部呈倒L形状，下夹头设置在上夹头的下方，下夹头包括下夹持端、下连接部，上夹持端与下夹持端形成夹持部，用于将生物膜夹紧，下连接部平行设置在上连接部的下方，下连接部的形状是与上连接部的形状相同的倒L状，下连接部设有滑槽，上连接部沿着下连接部的滑槽上下滑动，从而带动上夹持端靠近或者远离下夹持端，所述调节组件采用调节螺杆和螺母，通过拧动调节螺杆从而带动上夹持端靠近或者远离下夹持端。

为了进一步实现本实用新型，所述培养皿放置座包括高度调节环、承载台、高度调节座，所述高度调节座固定设置在壳体内部，所述承载台设置在高度调节环下端或内部，所述高度调节环与高度调节座螺纹连接，通过拧动高度调节环实现承载台的高度的调整。

为了进一步实现本实用新型，还包括应变检测器，所述应变检测器为应变片，所述应变片贴至膜上。

为了进一步实现本实用新型，还包括顶盖和电刺激系统，所述电刺激系统包括正负电极，当顶盖盖合时，所述正负电极抵触至生物膜上，所述顶盖的内壁设有设有弹性件，所述弹性件的底端固定连接正负电极。

为了进一步实现本实用新型，还包括实时观察系统，所述实时观察系统包括CCD摄像头以及与CCD摄像头相连接的光纤，所述光纤置于生物膜的上方。

为了进一步实现本实用新型，还包括平台基座和散热机构，所述平台基座固定连接在培养皿放置座下方，所述散热机构包括至少一个散热器和散热风扇，所述散热器上端与平台基座固定连接，所述散热器的外端与散热风扇的一端相连，所述散热风扇将热量通过壳体的散热孔排出。

为了进一步实现本实用新型，还包括为该细胞培养装置提供CO₂的CO₂输送装置、该细胞培养装置中的培养皿提供换液功能的自动换液装置和控制拉伸装置拉伸时间、拉伸频率以及拉伸幅度控制系统。

有益效果：

1、本实用新型通过在壳体内部设有平面面盖，平面面盖的中心设有放置座孔，沿放置座孔周围设有多个滑行轨道，每个滑行轨道上设有一个夹具，夹具对生物膜进行夹持，夹具通过步进电机在滑行轨道上移动，通过控制系统控制步进电机，步进电机控制夹具的水平应力加载，且本实用新型的夹具沿培养皿放置座向周围辐射的方向设置，且夹具可设置在多方向，可实现对生物膜进行单向、双向、多向的循环拉伸，并可控制对生物膜的拉伸时间、拉伸频率以及拉伸幅度，这样在细胞培养的同时可加载力学刺激，从而使细胞培养质量更高，培养效率提升；

2、本实用新型设置有电刺激系统，可以实现对细胞间歇或持续的电刺激，通过模拟体内细胞、组织生长所处的电学微环境，且与力学刺激相结合，可为体外细胞、组织的生长提供更近似体内的环境，从而完成组织的功能化培养。本实用新型的电刺激系统包括正负电极、弹簧，弹簧起缓冲作用，这种设置可以避免电极与生物膜硬接触，保证实验的顺利进行。

3、本实用新型的电刺激系统设置有升降装置，升降装置使电极可伸缩，在不需要进行电刺激实验时，可将正负电极往上移，从而避免电极长期置于培养液中，影响电极的使用寿命，且电极可升降，可实现对细胞的间歇式刺激或持续性刺激，灵活性更强，该升降装置的设置使本装置可以有单独力学刺激、力学-电学同时刺激、单独电学刺激等多种方式，使细胞能够更准确的模拟体内真实环境。

4、本实用新型设置有应变检测器，应变检测器安装于在生物膜上，用于实现精确的实时应变监测，应变检测器采用应变片或者应变传感器，能实时精确测量膜的应变；传统的通过采用位移和样品长度计算出加载的应变的方法，存在不精确性，而本实用新型测量生物膜应变更准确可靠，迅速。

5、本实用新型的夹具上设有检测生物膜应力的拉力传感器，实现了拉力可控，并且可以控制不同应力大小对细胞的影响；传统的通过对生物膜的底部施加正气压或负气压来实现生物膜的形变的方法中，细胞受到的力学刺激是不均匀的，且力的大小不可控，存在实验定量的不确定性，造成实验设计存在一定的误差或者不足。而本实用新型拉伸夹具设置有拉力感应器，拉伸夹具设置在沿培养皿放置座的辐射方向，且拉伸夹具可设置在多个方向，拉力感应器可以测得相应方向的应力大小，然后根据细胞的生长状态，及时调整相应方向的拉力，可实现多个方向的拉力同步或异步调整，即能够实现不同应力，不同方向的刺激；拉力感应器可测得相应的对生物膜的应力，避免了实验定量的不确定性，得出实验结果更准确。

6、本实用新型的夹具装置采用多个移动夹具，夹具包括上夹头、下夹头、以及调节上夹头移动的调节组件，上夹头包括上夹持端、上连接部，上连接部的底端与上夹持端连接，上连接部呈倒L形状，下夹头设置在上夹头的下方，下夹头包括下夹持端、下连接部，上夹持端与下夹持端形成夹持部，用于将生物膜夹紧，下连接部平行设置在上连接部的下方，下连接部的形状是与上连接部相同的倒L状，下连接部设有滑槽，上连接部沿着下连接部滑槽上下滑动，调节组件采用调节螺杆和螺母；通过拧动调节螺杆从而带动上夹持端靠近与远离下夹持端，以实现生物膜的夹紧与松卸，该结构简单，方便，快速。

7、本实用新型的整个夹具呈倾斜状，相对于传统的采用垂直结构，这种设置一方面避开了细胞培养皿侧壁，在放置培养皿时更加方便，不会导致夹具触碰培养皿，有利于细胞的顺利培养；另一方面倾斜设置可方便生物膜放进与取出，这样不需要借助其他工具就可以简单拧动螺杆的螺帽带动上夹头上下滑动，方便、快速地实现膜的夹紧或松开。

8、本实用新型通过在滑槽上靠近下夹持端设有一段限位滑孔，限位滑孔沿着倾斜部分长度方向设置，本实用新型在上夹头的上连接部对应于限位滑孔处设有通孔，限位部依次穿过通孔与滑孔，限位部将上连接部限制在下连接部的滑槽内滑动，避免上连接部脱离滑槽，且可避免上夹头晃动，不能准确夹紧生物膜，同时将上连接部滑动的距离为限位滑孔的长度，当限位部滑动至限位孔的底端时，上夹持端紧密贴合在下夹持端上。

9、本实用新型还设有顶盖，顶盖的设置为细胞的生长提供了无污染、防培养基蒸发，湿度和温度适宜的环境。细胞培养皿在本实用新型的培养箱中可以直接实验和培养，不需要盖培养皿盖，这种将培养皿与培养箱结合的设置，简化了实验步骤，节省了时间，而且避免因频繁取出细胞培养皿而导致污染或对细胞生长状态产生的影响。

10、本实用新型的培养皿放置座可通过旋转高度调节环，实现承载台上培养皿的高度控制，由于在做拉伸试验时，夹具应尽量接近培养皿底部，一般培养液比较昂贵，当培养皿位置过低时，一般通过添加培养液使夹具夹持端浸没在培养液中，使生物膜能够完全浸没在培养液里；本实用新型可以通过调节培养皿上升避免添加培养液，从而避免培养液的浪费。

11、本实用新型还设有实时观察系统，通过光纤将细胞培养皿的图像传送到细胞培养装置外，并通过目镜可清晰观察到细胞的形态，在光纤的另外一端，用CCD摄像头接收光纤传来的图像，经CCD摄像头的DSP处理器对图形进行采集和存储之后，由第二无线收发模块发射到第一无线收发模块上，再传送至控制系统计算机上，以备实时观测、存储或图像处理，计算机通过图像处理，还原图像的真实性，并对细胞的培养状态进行分析及对某些重要阶段进行提示，使工作人员能够在特定时间上观察、分析细胞的状态。

12、本实用新型在细胞培养放置座下端设有散热机构，散热机构包括散热器和散热风扇，散热器可以收集培养箱工作时产生的热量，散热风扇将散热器收集的热量经壳体的散热孔排出壳体外，使培养皿中的培养液的温度处在具体设置的恒温温度范围之内。

附图说明

图1为本实用新型的爆炸示意图；

图2为本实用新型拉伸装置的结构示意图；

图3为本实用新型夹紧装置的结构示意图；

图4为本实用新型上夹头的结构示意图；

图5为本实用新型下夹头的结构示意图；

图6为本实用新型限位部的结构示意图；

图7为本实用新型的生物膜上设有应变检测装置的结构示意图；

图8为实时观察系统的控制原理图；

图9为实施例2顶盖设有电刺激系统的结构示意图；

图10为实施例3电刺激系统的结构示意图；

图11为本实用新型未安装夹紧装置和顶盖的结构示意图；

图12为图11安装夹具后的结构示意图；

图13为盖上顶盖后的整体结构示意图；

图14为本实用新型的CO₂输送装置的结构示意图；

图15为本实用新型的自动换液装置示意图；

图16为本实用新型的自动换液装置出入接头的结构示意图；

图17为图16本实用新型的自动换液装置出入接头的剖视图；

图18为图16本实用新型的自动换液装置出入接头的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步阐述，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，本具体实施的方向以图1方向为标准。

如图1～18所示，本实用新型公开了一种模拟体内动态微环境的细胞培养装置，它包括壳体1、平面面盖2、培养皿放置座3、夹紧装置41、拉伸装置4、应变检测器5、平台基座6、散热机构7、顶盖8、实时观察系统9、电刺激系统10、控制系统20、CO₂输送装置30、自动换液装置40和显示屏(图中未示出)，其中：

实施例1

壳体1上端呈开口状结构，呈正方体或长方体，当然不限于此形状，壳体1的一侧向上凸起形成一侧部11，壳体1内部形成空腔，培养皿放置座3、拉伸装置4、平台基座6、散热机构7均设置在空腔内。

平面面盖2设置在壳体1的上方开口处，平面面盖2与壳体1相适配，平面面盖2与壳体1可通过螺丝固定或卡设连接，平面面盖2的上表面的中心设置有放置座孔21，放置座孔21呈上下贯通设置，放置座孔21为圆形，在平面面盖2上沿着放置座孔21的圆周边向外间隔设有数个滑形轨道22，滑形轨道22呈长条状，且滑形轨道22上下贯通平面面盖2。

培养皿放置座3用于调节培养皿的高度，培养皿放置座3包括高度调节环31、承载台32、高度调节座33。高度调节环31设置在放置座孔21处，高度调节环31呈圆环形，高度调节环31外壁设有环状螺纹；且高度调节环31的上表面设有两个缺口311，从而便于旋转高度调节环31，承载台32固定设置在高度调节环31的底端，或者是嵌设在调节环31内部，从而形成一个承载台面，承载台32呈圆形，该承载台32用于放置培养皿502，高度调节座33呈中空的圆柱状，高度调节座33内壁设有环状螺纹，且高度调节座33内螺纹与高度调节环31外螺纹配合，这样旋转高度调节环32时可调节承载台32的高度，高度调节座33的底端与平台基座6固定连接；

本实用新型的培养皿放置座3可通过旋转高度调节环32，实现承载台32的高度控制，进而实现细胞培培养皿502的高度控制，由于在做拉伸试验时，夹具尽量接近细胞培培养皿502底部，一般培养液比较昂贵，当培养皿位置过低时，一般通过添加培养液来使得夹具夹持端浸没在培养液中，使得生物膜503能够完全浸没在培养液里，本实用新型可以通过调节细胞培培养皿502往上调整来避免添加培养液，从而也可以避免培养液的浪费。

夹紧装置41用于夹紧生物膜503，夹紧装置41为至少两个移动夹具，且每个滑行轨道对应设有一个夹具41，本实用新型至少设置为两个，本实用新型以四个为例，且每两个夹具处于同一直线设置，夹具41包括上夹头411、下夹头412、调节组件413，其中，上夹头411包括上夹持端4111、上连接部4112，上夹持端4111为一平板结构，上夹持端4111套设有弹性套(图中未显示)，避免因生物膜503与上夹持端4111硬性接触而损坏生物膜503，上连接部4112的底端与上夹持端4111一体连接或固定连接，且呈一定角度连接，优选为钝角，上连接部4112为倒L形状，其中，上连接部4112的纵向部分呈倾斜状，使得整个上夹头411呈倾斜设置，倾斜段上设有通孔41121，上连接部4112位于顶端的横向部分设有上下贯通的螺孔41122；

下夹头412设置在上夹头411的下方，下夹头412包括下夹持端4121、下连接部4122，且下夹持端4121与上夹持端4111平行设置，上夹持端4111与下夹持端4121形成夹持部，用于将基底材质夹紧，下夹持端4112套设有弹性套(图中未显示)，避免因生物膜503与下夹持端4121硬性接触而损坏生物膜503；下连接部4122平行设置在上连接部4112的下方，下连接部4122是与上连接部4112形状相同的倒L形状，下连接部4122的整个倾斜部分向内凹设成滑槽41221，上连接部4112在滑槽41221内上下滑动，从而带动上夹持端4111靠近与远离下夹持端4121，进而实现夹紧与松卸生物膜503，在滑槽41221靠近下夹持端4121设有一段限位滑孔41222，限位滑孔41222沿着倾斜部分长度方向设置，本实用新型在通孔41121内设有限位部4113，限位部4113将上连接部4112限制在下连接部4122的滑槽内滑动，避免上连接部4112脱离滑槽，且可避免上夹头411晃动，不能够准确夹紧生物膜503，同时将上连接部4112滑动的距离为限位滑孔41222的长度，当限位部4113滑动至限位滑孔41222的底端时，上夹持端4111紧密贴合在下夹持端4121上；限位部4113可采用上下两端带有帽的限位钉，限位钉的穿过第一通孔41121底端的钉帽滑设在限位滑孔41222的两端，如图6所示，也可采用以下结构实现，包括上下两个固定块41131，以及连接在两个固定块41131的连接杆部41132，上固定块41131的宽度大于第一通孔41121，下固定块41131的宽度大于限位滑孔41222的宽度，连接杆部41132穿过第一通孔41121，上下两个固定块41131分别紧密贴合于上连接部4112与下连接部4122，上连接部4112的滑动带动下固定块41131沿着限位滑孔41222滑动；下连接部4122的横向部分设有上下贯通的第二通孔41223，调节组件413包括调节螺杆4131、螺母4132，调节螺杆4131的底端设置在第二通孔41223内，调节螺杆4131的顶端穿过上连接部4112的螺孔，且与螺母4132固定连接，调节螺杆4131与上连接部4112螺纹连接，优选的实施方式中，调节螺杆4131的长度与限位滑孔41222的长度相同，拧动螺母4132，螺母4132带动调节螺杆4131转动，从而使得上夹头411上下移动，进而调节上夹持端4111与下夹持端4121的距离，进一步实现夹紧和松卸生物膜503的功能。

拉伸装置4可拉伸细胞生物膜503，拉伸装置4包括控制夹紧装置41移动的传动机构42以及拉力传感器43，其中:

传动机构42包括两个固定座421、步进电机422、丝杆423和行程杆424，两个固定座421纵向平行固定设置在平台基座6上，其中一个固定座421设有通孔4211，通孔4211尺寸大于丝杆的直径，另一个固定座对应通孔位置设有螺孔4212；步进电机422固定设置在设有通孔的固定座421上；丝杆423设置在两个固定座421之间，丝杆423一端与步进电机422的输出轴固定连接，并穿过固定座421的通孔，另一端与另一个固定座421的螺孔连接；行程杆424一端与下夹头412固定连接，可通过螺钉固定，行程杆424另一端设有螺孔，该螺孔与丝杆423螺纹连接，步进电机422带动丝杆423转动，实现了行程杆424水平直线运动，进而实现拉伸夹具41沿着平面面盖2的滑行轨道22移动，可带动上下夹头对生物膜503上的细胞做水平直线运动，以便对附着的细胞进行加载拉伸，模拟了体内细胞、组织牵张力环境，为细胞、组织的体外生长的研究提供了条件。

选用步进电机422能够控制每步的精度在3％-5％，并且不会将一步的差错堆集到下一步，因此有较好的方位精度和运动的重复性。

拉力感应器43设置在夹具41上，可设置在上夹头411或下夹头412上，拉力传感器43能够检测到生物膜503所受到拉力，并将信息发送给控制系统20，从而控制步进电机422，进而步进电机422控制夹具41的水平应力加载，实现了拉力可控，并且可以控制不同应力大小对细胞的影响；本实用新型夹具41设置在培养皿放置座3周围辐射方向设置，且夹具41可设置在多个方向，这种设置可单向、双向、多向地控制对生物膜503进行循环拉伸，并可控制对生物膜503的拉伸时间、拉伸频率以及拉伸幅度。

如果未加拉力感应器43，例如通过对生物膜503的底部施加正气压或负气压来实现生物膜503的形变的方法中，细胞受到的力刺激是不均匀的，且力的大小不可控，存在实验定量的不确定性，造成实验设计存在一定的误差或者不足。而本实用新型拉伸夹具41设置有拉力感应器43，拉伸夹具41可设置在多个方向，拉力感应器43可以测得相应方向的应力大小，然后根据细胞的生长状态，及时调整相应方向的拉力，可实现多个方向的拉力同步或异步调整，即能够实现不同应力，不同方向的刺激；拉力感应器43可测得相应的对生物膜503的应力，避免了实验定量的不确定性，得出的实验结果更准确。

应变检测器5用于实现精确的实时应变监测，应变检测器5采用应变片或者应变传感器，如图7所示，应变片设置在生物膜503上，本实用新型的生物膜503采用弹性生物膜，将应变片贴至生物膜503能实时精确测量生物膜503的应变，传统的通过采用位移和样品长度计算出加载的应变的方法，存在不精确性，而本实用新型测量生物膜503应变更准确可靠，迅速。

平台基座6设置在拉伸装置4的下方，平台基座6的中心位置对应于培养皿放置座3的位置设有第三通孔61，且其周边设有数个通孔，热量可从通孔传递出去。

散热机构7设置在平台基座6的下方，散热机构7包括散热器71和散热风扇72，散热器71的上端与平台基座6固定连接，散热器71的外端与散热风扇72的一端相连，散热器71可以收集培养箱工作时产生的热量，散热风扇72将散热器71收集的热量经壳体1的散热孔排出壳体1外，使培养皿里的培养液的温度处在具体设置的恒温温度范围之内。

顶盖8的形状和大小与壳体1相适配，顶盖8的下端呈开口设置，顶盖8的四周和壳体1上端密封设置，顶盖8设置(卡设)在壳体1上，顶盖8的设置为细胞的生长提供了无污染、防培养液蒸发，湿度和温度适宜的环境。细胞培养皿502在本实用新型的培养箱中可以直接实验和培养，不需要盖培养皿盖，这种将培养皿与培养箱结合的设置，简化了实验步骤，节省了时间，而且避免因频繁取出细胞培养皿502而导致污染细胞或对细胞生长状态产生的影响。

实时观察系统9包括CCD摄像头91、光纤92、第一数据收发模块93、第二数据收发模块94，光纤92与CCD摄像头91连接，CCD摄像头91设置在顶盖8上或者壳体1的侧部11上，且光纤92悬于培养皿的上方，CCD摄像头91与第二数据收发模块94相连，第一数据收发模块93与第二数据收发模块94通过无线相连，第一数据收发模块93与控制系统20相连，CCD摄像头91将细胞图像经过光纤92传递到第一数据收发模块93，第一数据收发模块93将数据信息发送至第二数据收发模块94进而由控制系统20储存显示。

通过光纤92将细胞培养皿502的图像传送到细胞培养装置外，并通过目镜可清晰观察到细胞的形态，CCD摄像头91接收光纤92传来的图像，经CCD摄像头91的DSP处理器对图形进行采集和存储之后，由第二数据收发模块94发射到第一数据收发模块93上，再传送至控制系统计算机上，以备实时观测、存储或图像处理，计算机通过图像处理，还原图像的真实性，对细胞的培养状态进行分析，并对某些重要阶段进行提示，使得工作人员能够在特定时间上观察、分析细胞的状态。

本实用新型不仅能够对细胞进行力学刺激，同时还可以进行电学刺激，实现了多功能性。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上，对该细胞培养装置做进一步的补充，通过以下的方式实现，电刺激系统10包括正电极101、负电极102、信号发生器(图中未标出)、弹性件103；其中，正电极101和负电极102设置在顶盖8上，相互平行设置，正电极101和负电极102之间的间隔为5-15mm，当顶盖8盖上时，正电极101与负电极102能够抵触到生物膜503上；正负电极通过电极线连接信号发生器，正负电极、电极线和信号发生器构成电刺激加载系统，通过改变信号发生器的电压或者电流，提供不同大小的电刺激，电刺激为恒电压、脉冲电压或者直流微电流，由信号发生器产生。

本装置进行细胞培养时，正负电极线穿过顶盖8的通孔与信号发生器连接。顶盖8的孔道与电极线连接处是密封的。

两个弹性件103的底端与顶盖8的内部固定连接，弹性件103的底端与正负极电极固定连接，弹性件103可采用弹簧，弹性件103的设置可避免电极与生物膜503硬性接触，从而起缓冲作用，保证实验的顺利进行。如果在电极上端未设置有弹簧103，当将顶盖8盖合至壳体1处时，为了使电刺激更准确，通常是电极会抵接至生物膜503上，电极一般都有硬度，电极与生物膜503直接硬接触，一方面对生物膜503会有一定的损失，另一方面，电极会挤压到细胞，更大可能的造成细胞破碎死亡，影响实验的进程；本实用新型将正电极101、负电极102上端连接有弹簧103，由于弹簧起缓冲作用，可避免电极与生物膜503硬接触，进一步保证了实验的顺利进行。

实施例3

本实施例是在实施例2的基础上，对电刺激系统做进一步的改进，通过以下的方式实现，电刺激系统10包括正电极101、负电极102、信号发生器(图中未示出)、弹性件103、升降装置104；升降装置104包括电机1041、丝杆1042、电极座1043、限位套1044，电机1041固定设置在顶盖8内壁上，电机1041输出轴纵向设置，电机1041输出轴与丝杆1042固定连接，丝杆1042呈纵向设置，电极座1043的中心对应于丝杆1042位置设有上下贯通的螺孔，丝杆1042穿过电极座1043的螺孔并伸出螺孔外，电极座1043左右两端底部固定连接弹性件103，弹性件103的底端固定连接正电极101与负电极102，丝杆1042的底端套设有限位套1044，丝杆1042在电机1041的作用下将旋转运动转化为直线运动，从而带动限位套1044上升下降，进而带动正负电极实现升降，限位套1044的作用防止电极座1043脱离丝杆1042。

本实施例中的升降装置104的设置，在不需要进行电刺激实验时，可将正负电极往上移，从而避免电极长期置于培养液中，影响电极的使用寿命，且电极可升降，可以对细胞实现间歇式刺激或持续性刺激，灵活性更强，使本装置可以有单独力学刺激、力学-电学同时刺激、单独电学刺激等多种方式，从而使细胞能够更准确的模拟近似体内的环境，弹性件103的作用与实施例2相同，在此不作描述。

实施例4

本实施例是在实施例3的基础上，对该细胞培养装置做进一步的补充，通过以下的方式实现，控制系统20采用计算机控制，与拉伸装置4、拉力传感器43连接，显示屏设置在壳体1侧壁上，显示屏与控制系统20连接。

控制系统20控制传动机构42和拉力感应器43可以确定拉伸频率、拉伸幅度、拉伸时间；在显示屏上设置拉伸频率、拉伸幅度、拉伸时间，经过一定时间的牵张实验，可以获得拉力、拉伸频率、拉伸幅度和拉伸时间与细胞生长状态的关系；

将拉伸装置4、控制系统20相结合应用于细胞培养中使细胞培养实验更简单、方便，节省时间及实验更准确。

在做细胞实验时，如细胞的刺激试验，如果是探讨不同的刺激条件对细胞生长状态的影响，实验操作时工作量比较大，因为严格来说实验包括生物学重复和实验重复，生物学重复就是一组实验相同批次细胞，一般需要3皿，实验重复是指相同实验不同批次，即不同实验次数，一般3次(不同批次细胞)，如果是探讨刺激条件有3个层次(相同刺激频率，刺激时间分10min、30min和1h)那么相同刺激频率，不同刺激时间的实验将需要9皿，9皿3个批次细胞刺激分别10min、30min和1h取出观察细胞生长状态，实验操作时工作量比较大，且观察时间会不同、取出次数较多也会影响细胞的生长状态，这些都可能造成实验误差较大。

而本实用新型的培养装置中的控制系统20通过控制传动机构42和拉力感应器43可以确定拉伸频率、拉伸幅度、拉伸时间；经过一定时间的牵张实验，可以获得拉力、拉伸频率、拉伸幅度和拉伸时间与细胞生长状态的关系；本实用新型的培养装置放置在普通培养箱中，培养到一定时间直接实验和观察，避免频繁将细胞培养皿取出，有利于细胞生长，而且降低了工作量，及缩小了观察细胞的时间差距，增加实验结果的准确性。

本实用新型控制系统20连有WIFI或蓝牙模块，能够实现图像远距离无线传送，而且用户能够通过人机界面与WIFI模块实现远程操控，实现无需打开培养箱，进行远程活细胞培养观测的目的。

CO₂输送装置30为细胞生长提供恒定CO₂浓度，CO₂输送装置30包括CO₂感应器301、CO₂储气瓶302、电磁阀303、输气管304、减风装置305，其中：CO₂感应器301设置在壳体1、平面面盖2与顶盖8形成的腔体内的壳体1侧壁上，CO₂感应器301可感应本实用新型中CO₂的浓度，CO₂储气瓶302设置在本实用新型的外侧，CO₂储气瓶302为铝质平底压力气瓶；电磁阀303设置在本实用新型外侧；电磁阀303可实现输气管304开或关，从而控制CO₂输送装置30对本实用新型的CO₂气体的输送；输气管304材质为聚四氟乙烯，输气管将CO₂储气瓶302和电磁阀303相连，进而将输气管304穿过本实用新型壳体1侧壁连通至本实用新型的内部。

减风装置305设置在壳体1、平面面盖2与顶盖8形成的腔体内，减风装置305包括CO₂散气罩3051、CO₂进风罩3052、隔板3053，其中：CO₂散气罩3051设置在壳体1、平面面盖2与顶盖8形成腔体内，且CO₂散气罩3051设置在培养皿放置座3外侧、顶盖8内侧，CO₂散气罩3051尺寸与顶盖8尺寸做相应设置，CO₂散气罩3051表面设置有若干通孔，通孔贯穿CO₂散气罩3051设置，CO₂气体可通过通孔进入CO₂散气罩3051与平面面盖2组成的腔体内，进而到达培养皿放置座3的细胞培养皿502中的细胞培养液。CO₂散气罩3051缓冲了CO₂气体进入细胞培养液的冲击力，降低CO₂气体对生物膜503的影响。

为了进一步降低CO₂气体对生物膜503的影响，CO₂进风罩3052可设置成喇叭状，CO₂进风罩3052设置在CO₂散气罩3051外侧，且CO₂进风罩3052设置在壳体1、平面面盖2与顶盖8形成腔体内壳体1的侧壁上，CO₂进风罩3052靠近侧壁的一端为小端，远离侧壁的为大端，小端与大端相连通，CO₂进风罩3052的小端与输气管304的一端相连通，CO₂进风罩3052的这种设置可以使CO₂气体小口进大口出，有利于降低风力，降低CO₂气体对生物膜503的影响，进而降低对细胞牵引力实验结果的影响；

为了更进一步降低CO₂气体对生物膜503的影响，可在CO₂进风罩3052与CO₂散气罩3051之间设置有隔板3053，所述隔板3053可将CO₂进风罩3052的大端覆盖，所述隔板3053与CO₂进风罩3052的大端之间形成一定间隙，所述隔板3053下端与平面面盖2固定连接，使从CO₂进风罩3052进入的CO₂气体经过隔板3053的阻挡，进一步降低了CO₂气体的冲击力，避免较大冲击力的CO₂气体直接进入细胞培养液而对生物膜503产生影响。

自动换液装置40设置在壳体1的侧部11、平面面盖2与顶盖8组成的腔体内，自动换液装置40包括换液电机401、换液泵头402、储液瓶403、废液瓶404、输入管405、输出管406、出入接头407，换液电机401安装于壳体1的侧部11中间位置上；换液泵头402是蠕动泵头，换液泵头402安装于靠近壳体1侧部11的平面面盖2上；换液泵头402与换液电机401是通过电机轴动相连，换液泵头402由换液电机401带动工作；储液瓶403安装于靠近壳体1侧部11的平面面盖2上，且储液瓶403位于换液泵头402的左侧，储液瓶403用于储存细胞培养液；废液瓶404安装于储液瓶403前，废液瓶404用于收集废液。

输入管405安装于平面面盖2上，输入管405的一端通过换液泵头402与储液瓶403相密封连通；输出管406安装于平面面盖2上，输出管406一端通过换液泵头402与废液瓶404相密封连通。

作为优选，输入管405和输出管406靠近培养皿的一端部分与细胞培养皿502壁相应设置成弯折，使输入管405和输出管406的出入接头可置于入细胞培养皿502中。

另外，可以将靠近培养皿的输入管405和输出管406设置成可伸缩的结构，这种设置可以适用不同半径大小的细胞培养皿。

出入接头407与输入管405和输出管406弯折处开口端相连。出入接头407呈喇叭状或吸盘状，出入接头407包括盘体4071、输出管接头4072、输入管接头4073和上盖4074，盘体4071与上盖4072之间的间隙形成容腔，盘体4071的整体可设置成圆形、椭圆形甚至多边形。盘体4071的横截面是圆形，盘体4071的纵截面是台阶状，盘体4071上端是小端，盘体4071下端是大端，位于盘体4071小端的中心位置设置有缓冲池40711，盘体4071上表面上缓冲池40711的外侧设置有若干条导流凸起40712，导流凸起40712相对于盘体4071的中心呈均匀的放射状分布，导流凸起40712包括一级导流条407121、二级导流条407122、三级导流条407123，一级导流条407121的一端靠近缓冲池的设置，另一端延伸至盘体的外缘位置处；在相邻的两段一级导流条407121之间设置有二级导流条407122，二级导流条407122的长度短于一级导流条407121，使二级导流条407122的一端远离一级分流条407121靠近缓冲池的一端，另一端延伸至盘体的外缘位置处；在一级导流条407121与二级导流条407122之间设置有三级导流条407123，三级导流条407123的长度短于二级导流条407122，使三级导流条407123的一端远离二级分流条407122靠近缓冲池的一端，另一端延伸至盘体的外缘位置处；以此类推，可设置数级分流渠道，至此，导流凸起40712之间形成了数级分流渠道，盘体4071的下表面呈上凸状。缓冲池40711由环形围挡40713包设而成，围挡40713为朝盘体上表面向上延伸一截的环形体，它可以是圆形的也可以是其他形状，围挡40713内形成细胞培养液储液槽，围挡40713的上表面为锯齿形，锯齿形采用围挡的的周向间隔均匀的分布设置数个大小一致的缺口40714而形成，该缺口40714向下凹设内外贯通，且缺口40714的深度小于围挡的高度，当储液槽中细胞培养液的液面高度超过缺口40714底部位置时，细胞培养液将从缺口40714中溢出而流到盘体4071上，经分流渠道分流至细胞皿，盘体4071上表面的导流凸起40712可将输入管405输送进入缓冲池40711的细胞培养液均匀导入细胞培养皿502，降低了细胞培养液流入细胞培养皿时对细胞的冲击力。

输出管接头4072位于盘体4071的上表面，输出管接头4072朝上伸出一截，输出管接头4072上端是小端，输出管接头4072上端用于与输出管406相连接，输出管接头4072下端是大端，输出管接头4072下端开口，且输出管接头4072下端穿透盘体4071的底面，输出管接头4072下端用于吸取细胞培养皿中的废液，输出管接头4072上端比输出管接头4072下端小。在换液泵头402的吸力作用下，输出管接头4072和盘体4071的的设置，有利于将吸力分散，较少或避免吸取细胞培养液时将细胞吸附。

上盖4074覆盖扣合在盘体4071上，且上盖4074刚好可将位于盘体4071上表面的导流凸起40712完全覆盖，使上盖4074、盘体4071和导流凸起40712共同组成了细胞培养液流出的通道，上盖4074的中心设有管套4075，管套4075可套接在输出管接头4072，通过套管4075可使输出管接头4072与输出管4076连接，套管4075上设置有输入管接头4073，输入管接头4073的中心开有上下贯穿的输入孔，当上盖覆盖在盘体上时，输入管接头4073刚好位于缓冲池40712的储液槽的位置处，且与储液槽相连通，细胞培养液通过输入孔进入储液槽，进而细胞培养液经分流渠道流入细胞培养皿。

控制系统20采用计算机控制，与CO₂感应器301、电磁阀303、换液电机401连接；

在显示屏上设定CO₂浓度，控制系统20通过接收来自CO₂感应器301检测的本实用新型壳体1、平面面盖2和顶盖8组成的腔体内CO₂浓度，从而控制电磁阀303，实现输气管304的开启或关闭，进而控制输送机构30对本实用新型壳体1、平面面盖2和顶盖8组成的腔体内CO₂气体的输送，具体来说，当控制系统20监测到本实用新型壳体1、平面面盖2和顶盖8组成的腔体内的CO₂浓度低于设定的CO₂浓度时，控制系统20自动控制电磁阀303开启，使CO₂储气瓶内CO₂经输气管304进入壳体1、平面面盖2和顶盖8组成的腔体内，当控制系统监测到壳体1、平面面盖2和顶盖8组成的腔体内的CO₂浓度低于设定的CO2浓度时，高于设定的CO₂浓度时，控制系统自动控制电磁阀303关闭，使CO₂储气瓶302内CO₂不能经过输气管304进入本实用新型壳体1、平面面盖2和顶盖8组成的腔体内。

本实用新型还设有压线夹501，将电线固定于壳体1内部。

本实用新型的工作原理：将贴壁细胞种植在培养皿底部的生物膜503上，在无菌及CO₂输送装置提供适宜的CO₂环境的情况下，打开顶盖8将培养皿放在培养皿放置座3的调节座盖31上，调节夹具41上的螺旋帽调节拉伸夹具41将生物膜503夹住，并将顶盖8盖上，将电极线与正负电极连接，启动散热机构，对培养装置内部进行散热，使得培养液温度保持一定的温度，控制系统根据拉力感应器11测得的拉力来控制拉伸装置4的行程杆423从而控制拉伸夹具41拉伸频率、拉伸幅度、拉伸时间，将力学刺激细胞的方式接近于细胞生长、发育的体内环境，可改善细胞生长条件，从而促进细胞生长，提高细胞活性，当培养一定时间的细胞将要换液时，可以在显示屏上设置流速等工作参数，并启动进入工作状态，在工作过程中，换液电机401带动换液泵头402工作，细胞培养液按要求流速从储液瓶403流出后，进入细胞培养皿502，流出的培养液自动收集至废液瓶404。

上面所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非是对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神前提下，本领域普通工程技术人员对本实用新型技术方案做出的任何变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种模拟体内动态微环境的细胞培养装置，包括壳体，其特征在于，还包括设置于壳体内用于夹持生物膜的夹紧装置，所述夹紧装置包括至少两个移动夹具，所述生物膜位于两个夹具之间；设置于壳体内控制夹紧装置移动的拉伸装置；所述夹紧装置之间设有用于放置培养皿的培养皿放置座。

2.根据权利要求1所述的模拟体内动态微环境的细胞培养装置，其特征在于，所述拉伸装置包括传动机构、拉力传感器，所述传动机构包括两个固定座、步进电机、丝杆和行程杆，所述步进电机固定设置在设有通孔的固定座上，所述丝杆设置在两个固定座之间，所述丝杆一端与电机的输出轴固定连接，并穿过固定座的通孔，另一端与另一个固定座的螺孔连接，行程杆一端与下夹头固定连接，行程杆另一端设有螺孔，该螺孔与丝杆螺纹连接，所述步进电机带动丝杆转动，实现行程杆水平直线运动，进而实现拉伸夹具移动。

3.根据权利要求2所述的模拟体内动态微环境的细胞培养装置，其特征在于，所述拉力传感器设置在移动夹具上。

4.根据权利要求1所述的模拟体内动态微环境的细胞培养装置，其特征在于，所述夹具包括上夹头、下夹头、以及调节上夹头移动的调节组件，上夹头包括上夹持端、上连接部，上连接部的底端与上夹持端连接，上连接部呈倒L形状，下夹头设置在上夹头的下方，下夹头包括下夹持端、下连接部，上夹持端与下夹持端形成夹持部，用于将生物膜夹紧，下连接部平行设置在上连接部的下方，下连接部的形状是与上连接部的形状相同的倒L状，下连接部设有滑槽，上连接部沿着下连接部的滑槽上下滑动，从而带动上夹持端靠近或者远离下夹持端，所述调节组件采用调节螺杆和螺母，通过拧动调节螺杆从而带动上夹持端靠近或者远离下夹持端。

5.根据权利要求1所述的模拟体内动态微环境的细胞培养装置，其特征在于，所述培养皿放置座安装于夹紧装置之间，所述培养皿放置座包括高度调节环、承载台、高度调节座，所述高度调节座固定设置在壳体内部，所述承载台设置在高度调节环下端或内部，所述高度调节环与高度调节座螺纹连接，通过拧动高度调节环实现承载台的高度的调整。

6.根据权利要求1所述的模拟体内动态微环境的细胞培养装置，其特征在于，还包括应变测量装置，所述应变测量装置上设置有应变检测器，所述应变检测器为应变片，所述应变片贴至生物膜上。

7.根据权利要求1所述的模拟体内动态微环境的细胞培养装置，其特征在于，还包括顶盖和电刺激系统，所述电刺激系统包括正负电极，当顶盖盖合时，所述正负电极抵触至生物膜上，所述顶盖的内壁设有设有弹性件，所述弹性件的底端固定连接正负电极。

8.根据权利要求1所述的模拟体内动态微环境的细胞培养装置，其特征在于，还包括实时观察系统，所述实时观察系统包括CCD摄像头以及与CCD摄像头相连接的光纤，所述光纤置于生物膜的上方。

9.根据权利要求1所述的模拟体内动态微环境的细胞培养装置，其特征在于，还包括平台基座和散热机构，所述平台基座固定连接培养皿放置座下方，所述散热机构包括至少一个散热器和散热风扇，所述散热器上端与平台基座固定连接，所述散热器的外端与散热风扇的一端相连，所述散热风扇将热量通过壳体的散热孔排出。

10.根据权利要求1所述的模拟体内动态微环境的细胞培养装置，其特征在于，还包括为该细胞培养装置提供CO₂的CO₂输送装置、该细胞培养装置中的培养皿提供换液功能的自动换液装置和控制拉伸装置拉伸时间、拉伸频率以及拉伸幅度控制系统。