一种力学模态可调的多用途旋转生物培养器制造技术

本发明专利技术公开了一种力学模态可调的多用途旋转生物培养器，培养器安装在由支撑底座和传动系统支撑的旋转支架上，旋转支架安装在传动系统的主动轴和从动轴上，电机驱动同步带动主动轴与从动轴共同支撑旋转支架旋转。该旋转培养器基于二氧化碳孵箱运行，能够利用旋转支架和培养器的不同安装方式调节多种力学加载模态并通过转速设置定量控制培养器细胞培养基底的离心力水平，同时可利用修饰细胞培养基底硬度和微结构等方法调节细胞生长环境的物理性质。根据设定的条件可实现对细胞等研究对象的单项或复合力学加载，可用于不同重力水平生物学效应模拟和细胞粘附等生物力学研究。

【技术实现步骤摘要】
一种力学模态可调的多用途旋转生物培养器
本专利技术属于生物、医疗器械设备
，具体涉及一种力学模态可调的多用途旋转生物培养器。
技术介绍
旋转培养器一般指绕水平轴旋转的密闭式细胞或其他生物样品培养系统，实验室中使用的旋转培养器可利用其能够悬浮培养的特性进行组织块三维培养，或者利用其绕水平轴连续旋转特性降低或消除实验对象对固定重力方向的感知而进行微重力生物学效应模拟。在微重力生物学效应模拟应用中，另外还有一类绕双轴随机旋转的仪器，在广义上也属于旋转培养器，称为随机定位仪(RandomPositioningMachine,RPM)，主要利用三维连续随机旋转特性降低或消除实验对象对固定重力方向的感知。这些应用都利用了其培养系统的特殊力学条件，主要是重力条件和离心力条件。在以力学条件为主要参变量的应用中，如何定量控制力学参数是一个关键问题。在微重力生物学效应模拟应用中，一方面要利用连续旋转消除活样品对固定重力方向的感知，同时还需要排除一系列机械力和其他条件的干扰，如气泡、流体剪切、离心力、气体交换以及操作方式的干扰等。转筒式旋转培养器是一类典型的绕水平轴旋转的培养器，采用悬浮培养方式(培养贴壁生长的细胞时，需要将细胞先培养在微载体上，然后再通过转筒的旋转将微载体悬浮)，可用于细胞或组织块悬浮培养以及微重力生物学效应模拟。该种类型的旋转培养器一般考虑了液密容器气体交换的需求，并考虑了接种细胞时排除气泡的需求。作为悬浮培养方式的转筒式培养器，培养物可能悬浮在任意旋转半径的位置，因此这类旋转培养器是无法定量控制离心力的。由于大量悬浮粒子和液体间存在相互运动，流体剪切的定量控制也比较困难。RPM类双轴旋转培养器可以适用于不同形状的培养容器，并可用于悬浮和贴壁两种方式的培养，但其目的主要是利用随机指向旋转消除生物样品的固定重力方向感知，显然也不能对离心力进行恒定的定量控制。在采用悬浮培养方式时，RPM培养器也存在悬浮粒子(细胞或微载体或微组织块)和液体间的相互运动，无法定量控制流体剪切水平。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种力学模态可调的多用途旋转生物培养器，具体的是：一种基于二氧化碳孵箱运行的力学模态可调的多用途旋转生物培养器，通过培养器的不同安装方式，结合转速调节和其他辅助控制，可以定量控制力学条件，满足多类细胞生物力学研究的需求。本专利技术采取的技术方案为：一种力学模态可调的多用途旋转生物培养器，包括：培养器、支撑底座、传动系统、旋转支架和电机，所述培养器安装在由支撑底座和传动系统支撑的旋转支架上，旋转支架安装在传动系统的主动轴和从动轴上，电机驱动同步带动主动轴与从动轴共同支撑旋转支架旋转；所述培养器包括培养器主体、培养基底、密封垫和上压板、下压板，所述培养器主体、密封垫和培养基底自上而下通过上压板、下压板压合，在密封垫的高度范围内形成一个培养腔室，密封垫(3)使用透气硅胶材料制备而成以满足细胞气体交换需求；所述培养器主体两端设置有进口端液路接头和出口端液路接头，二者的自由端分别与软管连接且封堵，进口端液路接头与进口端导液槽相通，出口端液路接头与出口端导液槽a相通。进一步的，所述支撑底座包括：底座底板，以及安装在底座底板上的前轴承座、中轴承座、后轴承座、电机底座和电机座。进一步的，所述传动系统包括传动齿轮、传动齿轮、轴承、轴承挡板、主动轴和从动轴，所述轴承和轴承挡板分别安装于支撑底座的前轴承座、中轴承座和后轴承座上，所述主动轴安装在前轴承座和中轴承座的两个轴承内，从动轴安装在后轴承座的轴承内，所述传动齿轮、传动齿轮分别安装在电机的电机轴和主动轴上，电机安装于电机座上，电机启动后带动传动齿轮、传动齿轮运转，同步带动主动轴与从动轴共同支撑旋转支架旋转，通过互换传动齿轮和传动齿轮的安装位置获得不同的转速比。进一步的，所述大齿轮和小齿轮安装位置可以互换，以根据需求获得不同的传动比(变速比)，最终的转速调节范围为10-100rpm(转每分钟)。直流电机启动后带动齿轮，通过齿轮系统带动主动轴旋转，所述主动轴带动、并与从动轴共同支撑旋转支架旋转。进一步的，所述旋转支架设置为用于微重力效应模拟实验研究的A类旋转支架，包括两对培养器支架和端部支架，培养器支架和端部支架组装成一个框架结构，两端的端部支架分别安装在传动系统的主动轴和从动轴上，所述A类旋转支架上同时对称地安装两个培养器，通过培养器固定螺栓固定。更进一步的，所述A类旋转支架在力学模态应用中，培养器的培养基底内表面为培养细胞的一面，朝向旋转轴，离心力与角速度的平方和旋转半径成正比，旋转时细胞受到的离心力对基底产生压力模拟重力的作用。一定速度的连续旋转用于抵消细胞对真实固定重力方向的感知。离心力与角速度的平方和旋转半径成正比，所述培养基底内表面正中距离旋转轴约0.9cm，当转速调节范围选取10-32rpm区间时，培养基底内表面的离心力水平可根据转速定量地设置在10-3-10-2g(g代表地球重力加速度9.81m/s2)之间，从而可用于生物样品的微重力效应模拟研究。进一步的，所述旋转支架设置为用于变重力效应模拟和细胞粘附实验研究的B类旋转支架，包括培养器支架、定位旋转端板、定位旋转端板附件，在传动系统的主动轴和从动轴上分别安装一个定位旋转端板，定位旋转端板中间设置有一系列安装螺孔，所述两个培养器支架和两个定位旋转端板附件组装成一个框架结构，将上述框架结构两端的定位旋转端板附件分别安装在两个定位旋转端板的与旋转轴距离相等的螺孔上，培养器安装在培养器支架上，在两个定位旋转端板的与上述框架结构轴对称的位置上安装另一套框架结构与培养器。更进一步的，所述定位旋转端板上不同的安装螺孔对应安装的培养器产生不同的旋转半径，在力学模态设置中，培养器有两种安装方式，一种方式是培养器的培养基底内表面为培养细胞的一面，其朝向旋转轴，旋转时细胞受到的离心力对基底产生压力模拟重力的作用；一定速度的连续旋转用于抵消细胞对真正的固定重力方向的感知。由于B类旋转支架结构中，培养基底内表面正中与旋转轴间的距离可以在1.4-8.6cm之间调节，所述电机及而传动系统的转速调节范围为10-100rpm，选取离心半径和转速的特定组合，可以定量地设置培养基底内表面的离心力水平在0.01-1g之间，从而可用于生物样品不同水平的变重力效应模拟研究以及生物系统重力响应阈值的研究。另一种安装方式是培养器的培养基底内表面为培养细胞的一面，其背向旋转轴，旋转时细胞受到的离心力有脱离基底的趋势。选取离心半径和转速的特定组合，同样可以定量地设置培养基底内表面的离心力水平在0.01-1g之间，但由于这种情况下细胞受到的离心力使其表现为细胞与基底之间的拉力，从而可以用于细胞与基底间粘附力的定量研究。进一步的，所述旋转支架设置为用于基底切向力对细胞基底间粘附以及迁移影响的定量研究的C类旋转支架，包括定位旋转端板、侧向安装培养器支架和定位旋转端板侧向安装附件，在传动系统的主动轴和从动轴上分别安装一个定位旋转端板，侧向安装培养器支架和两个定位旋转本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种力学模态可调的多用途旋转生物培养器，其特征在于，包括：培养器(101)、支撑底座(102)、传动系统(103)、旋转支架(104)和电机(20)，所述培养器(101)安装在由支撑底座(102)和传动系统(103)支撑的旋转支架(104)上，旋转支架(104)安装在传动系统(103)的主动轴(21)和从动轴(22)上，电机驱动同步带动主动轴(21)与从动轴(22)共同支撑旋转支架(104)旋转；/n所述培养器(101)包括培养器主体(1)、培养基底(2)、密封垫(3)和上压板(4)、下压板(5)，所述培养器主体(1)、密封垫(3)和培养基底(2)自上而下通过上压板(4)、下压板(5)压合，在密封垫(3)的高度范围内形成一个培养腔室(13)，密封垫(3)采用透气硅胶材料制备而成；所述培养器主体(1)两端设置有进口端液路接头(6)和出口端液路接头(7)，二者的自由端分别与软管(11)连接且封堵，进口端液路接头(6)与进口端导液槽(12)相通，出口端液路接头(7)与出口端导液槽(12a)相通。/n

【技术特征摘要】
1.一种力学模态可调的多用途旋转生物培养器，其特征在于，包括：培养器(101)、支撑底座(102)、传动系统(103)、旋转支架(104)和电机(20)，所述培养器(101)安装在由支撑底座(102)和传动系统(103)支撑的旋转支架(104)上，旋转支架(104)安装在传动系统(103)的主动轴(21)和从动轴(22)上，电机驱动同步带动主动轴(21)与从动轴(22)共同支撑旋转支架(104)旋转；
所述培养器(101)包括培养器主体(1)、培养基底(2)、密封垫(3)和上压板(4)、下压板(5)，所述培养器主体(1)、密封垫(3)和培养基底(2)自上而下通过上压板(4)、下压板(5)压合，在密封垫(3)的高度范围内形成一个培养腔室(13)，密封垫(3)采用透气硅胶材料制备而成；所述培养器主体(1)两端设置有进口端液路接头(6)和出口端液路接头(7)，二者的自由端分别与软管(11)连接且封堵，进口端液路接头(6)与进口端导液槽(12)相通，出口端液路接头(7)与出口端导液槽(12a)相通。


2.根据权利要求1所述一种力学模态可调的多用途旋转生物培养器，其特征在于，所述支撑底座(102)包括：底座底板(14)，以及安装在底座底板(14)上的前轴承座(15)、中轴承座(16)、后轴承座(17)、电机底座(18)和电机座(19)。


3.根据权利要求2所述一种力学模态可调的多用途旋转生物培养器，其特征在于，所述传动系统(103)包括传动齿轮(24)、传动齿轮(25)、轴承(23)、轴承挡板(26)、主动轴(21)和从动轴(22)，所述轴承(23)和轴承挡板(26)分别安装于支撑底座(102)的前轴承座(15)、中轴承座(16)和后轴承座(17)上，所述主动轴(21)安装在前轴承座(15)和中轴承座(16)的两个轴承(23)内，从动轴(22)安装在后轴承座(17)的轴承(23)内，所述传动齿轮(24)、传动齿轮(25)分别安装在电机(20)的电机轴和主动轴(21)上，电机(20)安装于电机座(19)上，电机(20)启动后带动传动齿轮(24)、传动齿轮(25)运转，同步带动主动轴(21)与从动轴(22)共同支撑旋转支架(104)旋转，通过互换传动齿轮(24)和传动齿轮(25)的安装位置获得不同的转速比。


4.根据权利要求1所述一种力学模态可调的多用途旋转生物培养器，其特征在于，所述旋转支架(104)设置为用于微重力效应模拟实验研究的A类旋转支架，包括两对培养器支架(28)和端部支架(29)，培养器支架(28)和端部支架(29)组装成一个框架结构，两端的端部支架(29)分别安装在传动系统(103)的主动轴(21)和从动轴(22)上，所述A类旋转支架上同时对称地安装两个培养器(101)，通过培养器固定螺栓(27)固定。


5.根据权利要求4所述一种力学模态可调的多用途旋转生物培养器，其特征在于，所述A类旋转支架在力学模态设置中，培养器(101)的培养基底(2)内表面为培养细胞的一面，朝向旋转轴，离心力与角速度的平方和旋转半径成正比，旋转时细胞受到的离心力对基底产生压力模拟重力的作用。


6.根据权利要求1所述一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙树津，龙勉，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11