一种多通道均向牵张应力体外细胞培养装置及工作方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种多通道均向牵张应力体外细胞培养装置及工作方法，包括一种多通道均向牵张应力体外细胞培养装置，包括细胞牵张应力加载装置以及与其连接的多通道培养基板。通过本发明专利技术的技术方案，可以方便快速的进行设备的初始化和设置，并且能实时显示设备的运行状况和反馈消息，有效的处理采集的噪声数据，能够精确的控制装置在硅胶膜上的形变大小和频率，满足更多应力加载需求，采用了性能良好的微型计算机树莓派4B作为主控，并且将系统和控制单元分离，使得程序运行更为流畅，数据处理更快，降低了电磁信号的的干扰，从而整个装置的运行更为稳定，尤其是在长时间运行的情况下。下。下。

【技术实现步骤摘要】
一种多通道均向牵张应力体外细胞培养装置及工作方法


[0001]本专利技术涉及实验仪器
，具体而言，特别涉及一种多通道均向牵张应力体外细胞培养装置及工作方法。

技术介绍

[0002]细胞力学作为组织工程学的重要组成部分，也是生物力学的一个前沿研究方向。细胞作为生命活动的基本单位，主要由生物大分子构成。人体及动物体内细胞的生长、增殖、分化、凋亡等生物学过程，细胞的生物学表达都与细胞的力学因素的有着直接联系，但由于无法直接对复杂环境的体内细胞进行研究，因而对离体细胞培养和观察是研究细胞力学的重要手段。细胞个体微小，无法肉眼观察，在细胞力学的研究中无法直接地应用常规的力学加载方法，因此研发一种给体外培养的细胞施加机械应力的加载装置对于探究生物体细胞的生长活动规律有着重大意义。
[0003]通过模拟体内细胞应力环境，研究细胞特性的实验最早由Glucksmann(Studies on bone mechanics in vitro. I. Influence of pressure on orientation of structure.AnatomicalRecord，1939；73：39
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56)进行：在肋间肌基质上对鸡胚的胫骨内膜细胞进行培养，将肌肉的萎缩带动肋骨互相靠近时产生的压力作用到培养的细胞上。近年来，更多的体外细胞应力装置被研发出来，目前现有的体外应力装置主要通过离心力加载、压力传导加载、流变学加载以及基底形变加载等方式来实现，其中基底形变加载方式在实验中被越来越广泛的使用，其工作原理就是利用装置真空室内和外界环境的压力差，使培养板上放置的基底材料（一般为硅胶膜）产生拉伸，从而带动生长在基底材料上的细胞进行有规律受力的过程。目前使用广泛、商品化的Flexcell细胞拉伸加载仪器装置(Cyclic Stretch Enhances Gap Junctional Communication Between Osteoblastic Cells(2)：218
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28，1998.)、Petriperm弹力膜培养系统即为基底形变加载方式
[2]，但它们普遍价格昂贵、结构复杂、不易于操作。申请为201922462096.4，专利技术名称为一种多通道细胞牵张应力加载装置，通过将机械拉伸力作用于弹性膜，进而通过拉伸弹性膜将应力传递给细胞。解决了以往细胞加载数量有限、集成度低等问题，但是人机交互较为复杂，仍需借助外设进行操作，且通过压力传感器获得培养室的压力变化并转成电信号的过程中没有降噪处理，会产生较大的噪声及误差，造成长时间运行时的不稳定。
[0004]现有技术中，对装置的控制都是通过键盘，人机交互能力弱，无法直观的对装置进行控制，设置的参数也无法直观的显示；现有的技术通过压力传感器获得培养室内的压力变化转换成电压信号，通过信号调理电路进行放大，其中会产生较大的噪声以及误差；以及在现有的技术中，硬件的处理性能较差导致装置的整体反应速度较慢，并且在功能上进行有效的拓展时存在困难和不便。针对这些缺点，本专利中新增了HDMI触摸显示屏作为人机交互模块，通过PyQt5制作简单的操作控制界面，使得操作员在使用装置的时候能够得到良好的反馈，以及对装置的运行阶段有清晰的掌握；在处理噪声及误差方面，采用算法降噪，程序开始前首先进行气压环境的自适应调节，对运行数据进行拟合回归，找到装置在当前
环境以及参数设置的条件下所达到的最优解，之后会以此最优解对装置进行控制，从而减少噪声以及压力传感器产生的误差对装置运行过程造成的影响。针对装置使用的商品化六孔培养板，对培养板提供的形变率
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压力的对应关系进行了曲线拟合，可以精确的控制装置在硅胶膜上的形变大小和频率。同时，采用了性能良好的微型计算机树莓派4B作为主控，使得程序运行更为流畅，数据处理更快，从而整个装置的运行更为稳定，尤其是在长时间运行的情况下。最后，例如申请号为201110377269.8、201922462096.4、200910216647.7，针对目前采用基底形变加载方式的相关装置，现有技术在控制真空室气压变化往往只是单一的控制负压。

技术实现思路

[0005]为了弥补现有技术的不足，实现组织体外机械应力加载功能，设计了一种给体外培养的细胞施加均向牵张应力的加载装置，可以提供时间长、周期性可控、形变率精确的牵张应力，牵张应力将直接作用到该装置的硅胶膜上，带动附着的细胞一起运动，从而达到对培养的体外细胞进行研究和观察的目标。本专利技术提供了一种多通道均向牵张应力体外细胞培养装置及工作方法，本装置利用直流调速器和真空泵同时作用于真空室，实现一种数字可调控的压力加载方式，也为类似商业化Flexcell设备的不同的应力加载波形提供基础支持。
[0006]本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种多通道均向牵张应力体外细胞培养装置，包括细胞牵张应力加载装置以及通过硅胶管与其连接的多通道培养基板，其中，细胞牵张应力加载装置包括长方体外壳，长方体外壳的一侧内壁上固定安装有微型电脑、继电器、单片机控制模块、直流调速器，单片机控制模块与微型电脑控制连接，长方体外壳的上部设置有人机交互模块，人机交互模块与微型电脑控制连接，长方体外壳的内部右侧安装有电源，长方体外壳的内底面中部平行装有3台真空室，每台真空室的左侧依次连接安装数据采集模块和流量控制器，每台真空室的右侧依次连接安装有2台电磁阀和2台真空泵，真空室顶部设置有空气压力传感器，单片机控制模块分别与真空泵、直流调速器以及电磁阀控制连接，其中，直流调速器与真空泵相连接，真空泵和真空室之间通过电磁阀相连接，电磁阀受与微型电脑连接的继电器控制连接，数据采集模块分别与微型电脑和空气压力传感器通讯连接，电源分别与微型电脑、继电器、单片机控制模块、直流调速器、真空泵、电磁阀、空气压力传感器、数据采集模块、流量控制器和人机交互模块电性连接，长方体外壳外壁上设置有开关；多通道培养基板分为3个细胞培养基板，每个细胞培养基板上放置4个六孔BioFlex细胞培养板并且内部采用管状结构连通，六孔BioFlex细胞培养板的底部通过密封圈密封，细胞培养基板与六孔BioFlex细胞培养板之间放置1个加载柱，加载柱上有六个基柱，六孔BioFlex细胞培养板上方放置加压块加强密封，细胞培养基板的上表面一端设置有两个硅胶管连接口，硅胶管连接口处安装有连接丝，其中一个硅胶管连接口装有密封阀，另一个硅胶管连接口通过通道与细胞牵张应力加载装置内的其中一台真空室相连通，每个通道通过流量控制器组成相互独立的密闭环境。
[0007]作为优选方案，微型电脑采用树莓派Linux内核系统，型号为4b+。
[0008]作为优选方案，单片机控制模块采用MSP430系列单片机。
[0009]作为优选方案，人机交互模块采用HDMI触摸显示屏，包括显示系统界面、系统设定和操作控制功能。
[0010]作为优选方案，数据采集模块采用PCF8591AD/DA转换模块。
[0011]作为优选方案，加压块的重量为1kg。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多通道均向牵张应力体外细胞培养装置，包括细胞牵张应力加载装置（2）以及通过硅胶管（3）与其连接的多通道培养基板（1），其特征在于，所述细胞牵张应力加载装置（2）包括长方体外壳（2
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13），长方体外壳（2
‑
13）的一侧内壁上固定安装有微型电脑（2
‑
1）、继电器（2
‑
2）、单片机控制模块（2
‑
3）、直流调速器（2
‑
4），单片机控制模块（2
‑
3）与微型电脑（2
‑
1）控制连接，长方体外壳（2
‑
13）的上部设置有人机交互模块（2
‑
12），人机交互模块（2
‑
12）与微型电脑（2
‑
1）控制连接，长方体外壳（2
‑
13）的内部右侧安装有电源（2
‑
5），长方体外壳（2
‑
13）的内底面中部平行装有3台真空室（2
‑
9），每台真空室（2
‑
9）的左侧依次连接安装数据采集模块（2
‑
10）和流量控制器（2
‑
11），每台真空室（2
‑
9）的右侧依次连接安装有2台电磁阀（2
‑
7）和2台真空泵（2
‑
6），真空室（2
‑
9）顶部设置有空气压力传感器（2
‑
8），单片机控制模块（2
‑
3）分别与真空泵（2
‑
6）、直流调速器（2
‑
4）以及电磁阀（2
‑
7）控制连接，其中，直流调速器（2
‑
4）与真空泵（2
‑
6）相连接，真空泵（2
‑
6）和真空室（2
‑
9）之间通过电磁阀（2
‑
7）相连接，电磁阀（2
‑
7）受与微型电脑（2
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1）连接的继电器（2
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2）控制连接，数据采集模块（2
‑
10）分别与微型电脑（2
‑
1）和空气压力传感器（2
‑
8）通讯连接，电源（2
‑
5）分别与微型电脑（2
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1）、继电器（2
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2）、单片机控制模块（2
‑
3）、直流调速器（2
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4）、真空泵（2
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6）、电磁阀（2
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7）、空气压力传感器（2
‑
8）、数据采集模块（2
‑
10）、流量控制器（2
‑
11）和人机交互模块（2
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12）电性连接，长方体外壳（2
‑
13）外壁上设置有开关（2
‑
14）；所述多通道培养基板（1）分为3个细胞培养基板（1
‑
1），每个细胞培养基板（1
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1）上放置4个六孔BioFlex细胞培养板（1
‑
4）并且内部采用管状结构连通，六孔BioFlex细胞培养板（1
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4）的底部通过密封圈（1
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7）密封，细胞培养基板（1
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1）与六孔BioFlex细胞培养板（1
‑
4）之间放置1个加载柱（1
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5），加载柱（1
‑
5）上有六个基柱，六孔BioFlex细胞培养板（1
‑
4）上方放置加压块（1
‑
6）加强密封，细胞培养基板（1
‑
1）的上表面一端设置有两个硅胶管连接口（1
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8），硅胶管连接口（1
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8）处安装有连接丝（1
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2），其中一个硅胶管连接口（1
‑
8）装有密封阀（1
‑
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【专利技术属性】
技术研发人员：王祥龙，董军宇，袁晓，张述，张强，范浩，阎潇，吴闯，亓琳，李志昊，李思彤，
申请(专利权)人：青岛大学附属医院，
类型：发明
国别省市：