基于环形分布电极的生物细胞刺激系统技术方案

本实用新型专利技术涉及基于环形分布电极的生物细胞刺激系统，包括可装配于生物培养皿的环形分布电极和多通道双向脉冲电源，可实现电刺激促进细胞生长分化与肌细胞、肌管收缩运动调控功能，与细胞跳动检测装置配合可实现细胞电刺激响应特性检测。由于本实用新型专利技术可实现促进细胞生长分化、细胞收缩运动调控、以及细胞电刺激响应特性原位检测，无需对细胞样品进行复杂的处理、标记，并且可以实现高通量、非侵入、无损的细胞培养与检测，因此在生命科学领域具有重要的潜在应用，如心肌、骨骼肌组织工程、药物筛选、及基于肌细胞驱动的类生命微纳机器人的研究。

Biological Cell Stimulation System Based on Circular Distribution Electrode

The utility model relates to a biological cell stimulation system based on a circular distribution electrode, which includes a circular distribution electrode and a multi-channel bidirectional pulse power supply, which can be assembled in a biological Petri dish. The electric stimulation can promote the growth and differentiation of cells, regulate the contraction and movement of muscle cells and myotubes, and cooperate with a cell beating detection device to realize the detection of the response characteristics of cell electric stimulation. The utility model has important potential applications in the field of life sciences, such as myocardial and skeletal muscle tissue engineers, because it can promote cell growth and differentiation, regulate cell contraction movement, and in situ detect the response characteristics of cell electrical stimulation, without complex processing and labeling of cell samples, and can realize high-throughput, non-invasive and non-destructive cell culture and detection. Cheng, drug screening, and research of life-like micro-nano robots driven by muscle cells.

【技术实现步骤摘要】
基于环形分布电极的生物细胞刺激系统
本技术涉及一种可以产生任意方向和多种模式电场的生物细胞刺激系统，具体说是结合了环形分布电极的电场均一性、方向可控性，以及多通道双向脉冲电源的任意通道分别、同步控制性而实现可变生物细胞刺激电场。主要用于生物细胞电刺激促进生长分化、肌细胞收缩运动调控与电刺激响应特性检测，在生命科学领域具有重要的潜在应用，如心肌、骨骼肌组织工程、药物筛选、及以肌细胞为驱动单元的类生命机器人的研究。
技术介绍
由生命系统和机电系统有机深度融合所形成的类生命机器人系统可能具有生物与机器各自的优点，例如生命体所独有的多自由度、高能量转换效率、高能量密度、生物兼容性、和自修复特性，以及机电系统所拥有的高精准性、高强度、高重复性、和良好的可控性等特点。因此，对于以活体肌肉细胞为驱动主体的类生命机器人研究吸引了大量的关注，现已实现以活性分子马达、微生物、肌肉细胞、昆虫背血管组织等为驱动单元的微小机器人。而其中骨骼肌作为哺乳动物主要的动力来源，具有收缩力大及可控性好的优点，有望成为新一代类生命机器人的主要驱动单元。但是，成肌细胞需分化为肌管才能在外界刺激(如电刺激)下产生收缩运动，而较低的分化率限制了骨骼肌细胞驱动类生命机器人研究的发展。已有研究表明，仿神经电脉冲刺激可以促进肌细胞生长，如成肌细胞的增殖、分化、肌管的成熟度、排列性、以及肌管的收缩特性。在目前的电刺激促进细胞生长分化的研究中，多采用U型电极、平行板电极、以及基底电极，而它们在应用中均存在着某些局限性，例如，当使用一对平行电极放置在介质中用来刺激肌肉细胞时，电场会因培养基的固有电阻而减小，因此，需要高电压来极化和刺激细胞。而由非均匀电场引起的局部高电流可能会损伤靠近电极的细胞。并且，电极之间的高电压可能会加剧培养基的电解，并在电极附近形成局部酸碱度巨变并生成气体，这也可能对细胞造成伤害。此外，若想使用一对平行电极在液体中形成平行电场，要求电极长度是极间距的两倍以上。然而，基底电极可以减少对介质和细胞的伤害，但是一旦电极被制造出来，电场的方向就会变不可变，因此无法用来研究活体肌细胞/组织的电刺激响应及控制特性。因此从物理原理上开发基于环形分布电极的生物细胞刺激系统在实现生物细胞/组织培养与调控等研究方面具有重要作用。
技术实现思路
本技术的目的是提供基于环形分布电极的生物细胞刺激系统，实现促进细胞生长分化与肌细胞跳动特性调控，以及基于肌细胞驱动的类生命机器人的制造和运动控制。此外，与现有测量技术相配合，可实现肌细胞电刺激响应特性检测。应用基本物理原理推进细胞生物学相关学科与产业的快速发展。本技术为实现上述目的所采用的技术方案是：基于环形分布电极的生物细胞刺激系统，包括电极以及与其连接的多通道双向脉冲电源；所述电极为多个，成环形分布，设于培养皿内。所述培养皿的侧壁在底面上的投影为圆形。所述电极均匀分布于培养皿内的侧壁或底面上。任意相邻两个电极间的距离相等。所有电极在培养皿内的高度相同。所述电极个数为偶数。在所有电极构成的平面上，以所有电极构成的圆的某直径为中心线，中心线两侧对应的两个电极为一对。构成一对的两个电极到中心线的垂直距离相等。构成一对的两个电极的连线与该中心线垂直。构成一对的两个电极分别通过导线与多通道双向脉冲电源的正输出端、负输出端连接。电极个数为不少于4个的偶数，为稳定金属或非金属电极；所有电极尺寸相同，以相同间隔均匀分布在圆形培养皿的内部，高度相同，每个电极均通过导线与多通道双向脉冲电源的输出端相连。通电时的任意时刻，在所有电极构成的平面上，以所有电极构成的圆中某直径为中心线，中心线两侧对应的两个电极为一对，且电压相反。所述对应为两个电极到中心线的垂直距离相等，两个电极的连线与该中心线垂直。每对电极间产生的电场线方向平行。本技术具有以下有益效果及优点：1.本技术利用环形分布电极可产生电势梯度均匀、电场分布均匀、局部高电流区域小的特点，将环形分布电极应用于生物细胞刺激中，可实现促进细胞生长分化。2.本技术利用环形分布电极和多通道双脉冲电源可产生方向可变和多模式电场，可实现肌细胞或以肌细胞为驱动单元的类生命机器人运动调控；与细胞测量装置配合使用，可实现细胞电刺激响应特性检测。3.由于本技术在细胞培养、调控与检测的应用中无特殊要求，无需对细胞样品进行复杂的处理、标记，并且可以实现高通量、非侵入、无损的细胞培养与检测，因此在生命科学领域具有重要的潜在应用，如心肌、骨骼肌组织工程、药物筛选、及以肌细胞为驱动单元的类生命机器人的研究。附图说明图1a为本技术的系统结构原理示意图一；图1b为本技术的系统结构原理示意图二；图1c为本技术的系统结构原理示意图三；其中1是培养箱，2是导线，3是培养皿，4是电极，5是细胞跳动测量装置，6是多通道双向脉冲电源，7是计算机；8是细胞跳动测量装置控制器。图2为利用本技术促进细胞生长分化结果图片。具体实施方式下面结合附图及实施例对本技术做进一步的详细说明。本技术涉及基于环形分布电极的生物细胞刺激系统，包括可装配于生物培养皿的环形分布电极和多通道双向脉冲电源，可实现电刺激促进细胞生长分化与肌细胞、肌管收缩运动调控功能，与细胞跳动检测装置配合可实现细胞电刺激响应特性检测。在基于环形分布电极的生物细胞刺激系统中各电极片可装配于不同型号生物培养皿，均匀分布于培养皿内壁，通过导线将各电极片分别与多通道双向脉冲电源输出端相连，通过改变多通道双向脉冲电源各输出端的输出的信号参数,包括脉冲的幅值、脉宽及频率等，可调节环形分布电极所产生的电场分布，从而产生可变电刺激模式。当将系统应用于电刺激促进细胞生长分化(如成肌细胞向肌管分化)时，将环形电极装配在培养皿上，并将其置于培养箱中，通过导线连接到生物培养装置即培养箱外的双脉冲直流电源实现电刺激；当将所述系统应用于肌细胞收缩运动调控时，通过改变多通道双向脉冲电源各输出端的输出的信号参数(脉冲幅值、脉宽及频率)，可调节施加于细胞的电刺激模式，从而调控细胞的收缩运动；同时与原子力显微镜、激光干涉仪、相差测量仪、多普勒激光测量仪等测量装置相集成，可实现生物样本(如心肌细胞、骨骼肌细胞)的电刺激响应检测。基于环形分布电极的生物细胞刺激系统，包含环形分布电极和多通道双向脉冲电源。环形分布电极可装配于不同型号培养皿上，各电极片分别与多通道双脉冲电源的相应输出电极相连。并根据使用目的，将装配有环形分布电极的培养皿置于培养箱内，或与细胞跳动测量装置配合使用。环形分布电极包含不少于4个的偶数导电电极(稳定金属或非金属)，各电极片尺寸一致(如10mm长、5mm宽、1mm厚)，以相同间隔均匀分布在圆形培养皿的内部，且保证高度一致，均能够与培养皿中的培养基接触。每个电极均通过导线与多通道双向脉冲电源的各输出端相连，从而可产生可变电场分布和刺激模式；所述环形分布电极可与不同尺寸、型号和种类的生物培养皿相装配；所述多通道双向脉冲电源具有4个以上输出通道，且各通道均可产生正负双向脉冲，脉冲幅值至少可在-10V到10V可调，分度值小于等于0.1V；脉冲宽度至少可在0s到20ms范围内可调，分度值小于等于1ms；脉冲频率至少可在0Hz到5Hz范围内可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于环形分布电极的生物细胞刺激系统，其特征在于：包括电极(4)以及与其连接的多通道双向脉冲电源(6)；所述电极(4)为多个，成环形分布，设于培养皿内。

【技术特征摘要】
1.基于环形分布电极的生物细胞刺激系统，其特征在于：包括电极(4)以及与其连接的多通道双向脉冲电源(6)；所述电极(4)为多个，成环形分布，设于培养皿内。2.根据权利要求1所述的基于环形分布电极的生物细胞刺激系统，其特征在于，所述培养皿的侧壁在底面上的投影为圆形。3.根据权利要求1所述的基于环形分布电极的生物细胞刺激系统，其特征在于，所述电极(4)均匀分布于培养皿内的侧壁或底面上。4.根据权利要求1或3所述的基于环形分布电极的生物细胞刺激系统，其特征在于，任意相邻两个电极(4)间的距离相等。5.根据权利要求1或3所述的基于环形分布电极的生物细胞刺激系统，其特征在于，所有电极(4)在培养皿内的高度相同。6.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘连庆，张闯，王文学，于鹏，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：新型
国别省市：辽宁,21