三维回转可更换培养液细胞微重力系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及三维回转可更换培养液细胞微重力系统，它包括：细胞培养液单元、细胞培养液置换单元和控制单元；细胞培养液单元通过控制单元控制驱动第一电机绕轴转动；细胞培养液置换单元通过控制单元控制第二电机绕轴与第一电机同轴同频同位相转动；当第二电机绕轴与第一电机同轴同频同位相转动时，使细胞置换液出管和细胞置换液入管同时对准细胞置换液排入口和细胞置换液排出口，在液压单元驱动下，使细胞置换液出管和细胞置换液入管同时插入细胞置换液排入口和细胞置换液排出口，然后，细胞培养液置换单元脱离细胞培养液单元。它是能够自动更换培养液，保证长时程回转时细胞具有足够养分、免受代谢产物干扰的细胞模拟微重力回转系统。
【专利说明】三维回转可更换培养液细胞微重力系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种生物医学实验设备，特别是三维回转可更换培养液细胞微重力系统。
【背景技术】
[0002]近年来随着航天科技的快速发展，人类向深空探索的脚步日益向前迈进。与此同时，围绕空间环境中(特别是失重/微重力环境)生命有机体的各种生物学效应和生理进程，从细胞水平、分子生物学水平展开更深入研究的需求也在不断增加。但现实问题是，宇宙飞船、航天飞机以及空间站技术条件受限，细胞生物样品搭载成本高昂，还通常需要航天员在中途人为操作配合，才能取得较为理想的实验数据，所以实施起来难度大，可行性不高。所以，仅依赖在真实太空环境中开展细胞生物学实验，研究失重/微重力的影响是不切实际的，我们需要寻找和开发出能够在地面模拟失重/微重力环境培养细胞的方式和仪器设备。
[0003]基于这样的需求，回转器(Clinostat)这种古老而简单的实验仪器重新受到人们的重视。传统意义上的回转器绕自 身水平轴旋转，并配有可装载被试样品的平台(盘状或圆筒状)。世界上第一台回转器是由德国植物学家冯?萨克斯于1879年发明的(Von SachsFGJR.Ueber Ausschliessung der geotropischen und hel1troposchen Kriimmungen warenddes ffachsthums.WiirzburgerArbeiten, 2: 209-225，1879),最初主要用于研究植物根莖的“向地性”现象。后来为了能更好的满足地基模拟失重/微重力实验的需求，回转器的结构、功能及制作工艺也发生着一系列演变:从早期的手动、齿轮驱动到电动，从单轴到双轴，从二维到三维，从恒速到变速，从无在线监测到可显微观察等等，种类繁多、样式各异。在回转器上，虽然生物样本仍处于重力场中，受到恒定的重力矢量作用。但由于回转器的转动，它所搭载的生物样本的运动方向不断发生改变，始终来不及对一定方向上的重力做出响应(每种生物对重力都有一个最小感受时间或称响应时间阈值)。重力矢量表现为平均化，矢量和接近于“零”，即所谓“零重力”，从而表现出模拟失重/微重力的生物学效应。
[0004]三维回转器结构上设计有两个相互独立的转臂，分别驱动内框和外框转动。工作过程中内外框的转速、转动方向均是随机变化的，放置在内框的生物样本来不及响应重力，生长过程出现类似空间微重力环境的效果。实际运用当中，三维回转器上生物样本重力矢量平均化的过程较单轴二维回转器更加随机，所以认为这种仪器的模拟失重效果更佳。一般三维回转器的等效重力加速度可达10_5~10_3G。20世纪90年代初，日本大阪市立大学保尊隆享教授率先使用三维回转器模拟微重力效应(Hoson T, Kamisaka S，MasudaY，Yamashita M.Changes in plant growth processes under microgravity condit1nssimulated by a three-diment1nal clinostat.Bot Mag, 105: 53-70，1992)。1997年经欧洲航天局改良的三维回转器，又称“随机定位仪(Random Posit1ning Machine，RPM)”，在荷兰空间实验室正式投入使用(Mesland DA.Novel ground-based facilities for researchin the effects of weight.ESA Microgravity News, 9:5-10，1996)，随后逐渐被多国实验室应用于模拟失重的细胞生物学效应研究。在我国2007年8月公开的编号为CN101021517的“双轴驱动框架式回转器”专利申请中也记载了与RPM功能相似的装置。
[0005]三维回转器操作简单、性能稳定，重力矢量平均化过程更均匀，并且可以大批量培养贴壁或悬浮细胞。但这种回转器的回转舱不能在实验过程中更换细胞培养基，限制了它在模拟失重研究中的应用范围。在正常培养状态下，细胞从培养液中获取蛋白质、氨基酸、葡萄糖、生长因子等营养物质，同时也会不断的将细胞本身的代谢产物释放到培养液中，使培养液的成分和PH值等发生改变。所以，为了维持细胞良好的生长状态，一般需要疒3d为其更换新鲜培养基。而利用现有的三维回转器模拟微重力环境培养细胞，装载细胞样本的回转舱需要是一个密闭的、充满培养液的完整体。回转过程中为了能始终保持微重力状态，防止外界空气溢入，避免气泡剪切力对细胞构成影响，不能在实验过程中更换舱内培养液。长时间处于这种状况，就会导致培养容器内的静水压和细胞生长的营养状态发生改变。检索文献不难发现，细胞水平回转模拟失重实验的观察点通常仅选定在24h、48h、72h，这些培养时间相对较短的时程。若要研究更长时程微重力状态对生物体机能的影响，就会受培养液不能更换的制约，细胞不但得不到必须的养分，还很容易被代谢产物以及长时间缺氧所影响，而这些不利因素的综合作用势必干扰实验结果的判读。但是，截止目前国内外尚未见到能有效解决该问题的方法被公开报道。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种在回转器持续旋转、保持微重力的状态下，能够自动更换细胞培养液，保证长时程回转时细胞拥有足够养分、免受代谢产物干扰的三维回转可更换培养液细胞微重力系统。
[0007] 本发明的目的通过以下方式实现，三维回转可更换培养液细胞微重力系统，其特征是:至少包括:细胞培养液单元、细胞培养液置换单元、带轴旋转的整体支撑架和控制单元；控制单元首先记录细胞置换液排出口或细胞置换液排入口的初始位置，控制单元控制细胞培养液单元中的第一电机以某一频率f转动在模拟微重力工作状态下，通过输出步长记录细胞置换液排出口或细胞置换液排入口的实时位置；控制单元通过控制带轴旋转的整体驱动电机使细胞培养液单元和细胞培养液置换单元绕轴旋转，使细胞培养液置换单元形成三维转动；
更换细胞培养液时，控制单元记录细胞培养液置换单元中细胞置换液出管和细胞置换液入管的初始位置；控制单元控制细胞培养液置换单元中第二电机以加速度转动，通过调速使细胞置换液排出口与细胞置换液出管，细胞置换液排入口和细胞置换液入管进行精确对位，对位精度取决于步长设计，使细胞置换液排出口和细胞置换液出管同心，细胞置换液排入口和细胞置换液入管同心，同时在模拟微重力工作状态下工作；
控制单元通过无线控制液压系统工作，通过第一油压泵吸入第一贮油腔的油向液压缸下腔注油，通过缸体上移使细胞置换液出管插入细胞置换液排出口，使细胞置换液入管插入细胞置换液排入口 ；由细胞置换液油压泵将细胞置换液从细胞置换液腔置入细胞培养液单元，并将时间长的细胞培养液置出到置出细胞置换液腔，直至更换完时间较长的细胞培养液，然后，细胞培养液置换单元脱离细胞培养液单元。
[0008]所述的细胞培养液单元包括:第一电机、细胞培养液壳体、细胞放置架、细胞培养液、细胞置换液排出口、细胞置换液排入口、第一电机轴；细胞培养液壳体一端固定第一电机，第一电机轴伸向细胞培养液壳体内，轴上套接有细胞放置架，细胞放置架放置有细胞样本，细胞样本浸入在细胞培养液内；细胞培养液壳体下端有细胞置换液排出口和细胞置换液排入口，排入口用于输入细胞置换液，排出口用于排出时间较长的细胞培养液；第一电机采用步进电机，转动时由控制单元通过步长记录、存贮细胞置换液排出口或细胞置换液排入口的位置，以供细胞培养液置换单元同步工作时使用。
[0009]所述的细胞放置架同时有多个放置细胞样本的细胞架，细胞架在细胞培养液中，第一电机轴工作时，细胞架和细胞放置架一同转动。
[0010]所述的细胞培养液置换单元包括:细胞置换液壳体、液压缸下腔、油压泵、第一贮油腔、第二电机轴、第二电机、第二贮油腔、外滑道、液压缸上腔、置出细胞置换液腔、细胞置换液腔、内滑道、细胞置换液出管、细胞置换液排出口、细胞置换液入管、细胞置换液排入口、第一电机轴；细胞置换液壳体被限位在外滑道和内滑道内，细胞置换液壳体有对称的置出细胞置换液腔和细胞置换液腔，细胞置换液腔上端固定细胞置换液油压泵，细胞置换液油压泵出口连接细胞置换液入管；置出细胞置换液腔上端有细胞置换液出管；细胞置换液出管和细胞置换液入管绕第二电机轴对称分布。
[0011]所述的置出细胞置换液腔和细胞置换液腔下端有一个液压系统，液压系统中的液压缸下腔和液压缸上腔分别通过第一油压泵、第二油压泵与第一贮油腔和第二贮油腔相通，通过液压缸下腔和上腔注油和卸油，使置出细胞置换液腔和细胞置换液腔沿外滑道和内滑道上下移动，确保置出细胞置换液腔、细胞置换液腔平稳更换细胞培养液。
[0012]所述的液压 缸下腔和液压缸上腔，第一贮油腔和第二贮油腔，都靠近第二电机轴。
[0013]所述的细胞置换液腔的细胞置换液是细胞培养液的2倍以上，以使培养液更换完全。
[0014]所述的带轴旋转的整体支撑架包括:第三电机轴、整体支撑架、轴承、支撑轴；壳体与支撑轴固定连接，支撑轴通过左右轴承固定在整体支撑架上，整体支撑架与基础固定，第三电机轴的输出轴与支撑轴同轴连接；第三电机轴在控制单元控制下工作，第三电机轴的输出轴带动支撑轴转动，支撑轴带动壳体转动，壳体上的细胞培养液单元、细胞培养液置换单元随壳体绕支撑轴转动；同时控制单元控制细胞培养液单元中的第一电机以某一频率f转动在模拟微重力工作状态下，使细胞培养液置换单元形成三维转动。
[0015]本发明的优点是:三维回转可更换培养液细胞微重力系统包括:细胞培养液单元、细胞培养液置换单元和控制单元；细胞培养液单元通过控制单元控制驱动第一电机绕轴转动；细胞培养液置换单元通过控制单元控制第二电机绕轴与第一电机同轴同频同位相转动；当第二电机绕轴与第一电机同轴同频同位相转动时，使细胞置换液出管和细胞置换液入管同时对准细胞置换液排入口和排出口，在液压单元驱动下，使细胞置换液出管和细胞置换液入管同时插入细胞置换液排入口和排出口，由细胞置换液油压泵将细胞置换液从细胞置换液腔置入细胞培养液单元，并将使用时间长的细胞培养液置出到置出细胞置换液腔，直至更换完使用时间长的细胞培养液，然后，细胞培养液置换单元脱离细胞培养液单元。本项发明能在回转器持续转动的状态下，自动更换细胞培养液，保证长时程模拟微重力回转时细胞拥有足够养分、免受代谢产物干扰。【专利附图】
【附图说明】
[0016]下面结合实施例对本发明进行具体说明:
图1是本发明实施例原理图；
图2是图1的液压系统结构图。
[0017]图中，1、壳体；2、第一电机；3、细胞培养液壳体；4、细胞放置架；5、细胞培养液；6、细胞置换液油压泵；7、细胞置换液壳体；8、液压缸下腔；9、第一油压泵；10、第一贮油腔；
11、第二电机轴；12、第二电机；13、第二贮油腔；14、外滑道；15、液压缸上腔；16、置出细胞置换液腔；17、细胞置换液腔；18、内滑道；19、细胞置换液出管；20、细胞置换液排出口 ；21、细胞置换液入管；22、细胞置换液排入口 ；23 ;第一电机轴；24、控制单元；25、第二油压泵；26、第三电机轴；27、整体支撑架；28、轴承；29、支撑轴。
【具体实施方式】
[0018]如图1所示，三维回转可更换培养液细胞微重力系统，至少包括:细胞培养液单元、细胞培养液置换单元、带轴旋转的整体支撑架和控制单元24 ;控制单元24首先记录细胞置换液排出口 20或细胞置换液排入口 22的初始位置，控制单元24控制细胞培养液单元中的第一电机以某一频率f转动在模拟微重力工作状态下，通过输出步长记录细胞置换液排出口 20或细胞置换液排入口 22的工作实时位置；控制单元24通过控制带轴旋转的整体驱动电机使细胞培养液单元和细胞培养液置换单元绕轴旋转，使细胞培养液置换单元形成三维转动。
[0019]更换细胞培养液时,控制单元24记录细胞培养液置换单元中细胞置换液出管19和细胞置换液入管21的初始位置；控制单元24控制细胞培养液置换单元中第二电机12以加速度转动，通过调速使细胞置换液排出口 20与细胞置换液出管19，细胞置换液排入口 22和细胞置换液入管21进行精确对位，对位精度取决于步长设计，使细胞置换液排出口 20和细胞置换液出管19同心，细胞置换液排入口 22和细胞置换液入管21同心，同时在模拟微重力工作状态下；
控制单元24通过无线控制液压系统工作，通过第一油压泵9吸入第一贮油腔10的油向液压缸下腔8注油,通过缸体上移使细胞置换液出管19插入细胞置换液排出口 20,使细胞置换液入管21插入细胞置换液排入口 22 ;由细胞置换液油压泵6将细胞置换液从细胞置换液腔17置入细胞培养液单元，并将使用时间长的细胞培养液5置出到置出细胞置换液腔16，直至更换完使用时间长的细胞培养液，然后，细胞培养液置换单元脱离细胞培养液单元。[0020]细胞培养液单元包括:第一电机2、细胞培养液壳体3、细胞放置架4、细胞培养液
5、细胞置换液排出口 20、细胞置换液排入口 22、第一电机轴23 ;细胞培养液壳体3 —端固定第一电机2,第一电机2的第一电机轴23伸向细胞培养液壳体3内，第一电机轴23套接有细胞放置架4，细胞放置架4放置有细胞样本，细胞样本浸入在细胞培养液5内，细胞培养液壳体3下端有细胞置换液排出口 20和细胞置换液排入口 22，细胞置换液排入口 22用于输入细胞置换液，细胞置换液排出口 20用于排出使用时间长的细胞培养液5，第一电机2采用步进电机，转动时由控制单元24通过步长记录、存贮细胞置换液排出口 20或细胞置换液排入口 22的位置，以供细胞培养液置换单元同步工作时使用。[0021 ] 细胞放置架4同时有多个放置细胞样本的细胞架，细胞架在细胞培养液5中，第一电机轴23工作时，细胞架和细胞放置架4 一同转动。
[0022]细胞置换液油压泵6工作时，产生有压力，压力使细胞培养液不会产生泡沫。
[0023]细胞培养液置换单元包括:细胞置换液壳体7、液压缸下腔8、油压泵9、第一贮油腔10、第二电机轴11、第二电机12、第二贮油腔13、外滑道14、液压缸上腔15、置出细胞置换液腔16、细胞置换液腔17、内滑道18、细胞置换液出管19、细胞置换液排出口 20、细胞置换液入管21、细胞置换液排入口 22、第一电机轴23 ;细胞置换液壳体7被限位在外滑道14和内滑道18内，细胞置换液壳体7有位置对称的置出细胞置换液腔16和细胞置换液腔17，细胞置换液腔17上端固定细胞置换液油压泵6，细胞置换液油压泵6出口连接细胞置换液入管21 ;置出细胞置换液腔16上端有细胞置换液出管19 ;细胞置换液出管19和细胞置换液入管21绕第二电机轴11对 称分布。
[0024]如图2所示,置出细胞置换液腔16和细胞置换液腔17下端有一个液压系统,液压系统中的液压缸下腔8和液压缸上腔15分别通过第一油压泵9、第二油压泵25与第一贮油腔10和第二贮油腔13相通，通过液压缸下腔8和液压缸上腔15注油和卸油，使置出细胞置换液腔16和细胞置换液腔17沿外滑道14和内滑道18上下移动，保持置出细胞置换液腔16和细胞置换液腔17平稳更换细胞培养液。
[0025]为了使其细胞置换液壳体7转动平稳，液压缸下腔8和液压缸上腔15，第一贮油腔10和第二贮油腔13，都靠近第二电机轴11。
[0026]细胞培养液置换单元由壳体I内的电池供电，细胞培养液置换单元与控制单元24通过无线电连接进行通信，使细胞培养液置换单元工作时独立，物理状态不受其它结构影响。控制单元为公知技术，这里就不做详细描述。
[0027]细胞置换液腔17的细胞置换液是细胞培养液5的2倍以上，以使培养液更换完全。
[0028]更换时间可通过位移检测或工作时间控制。
[0029]液压缸分布在第二电机轴周围，使细胞培养液置换时平稳。
[0030]带轴旋转的整体支撑架包括:第三电机轴26、整体支撑架27、轴承28、支撑轴29 ；壳体I与支撑轴29固定连接，支撑轴29通过左右轴承28固定在整体支撑架27上，整体支撑架27与基础固定，第三电机轴26的输出轴与支撑轴29同轴连接；第三电机轴26在控制单元24控制下工作，第三电机轴26的输出轴带动支撑轴29转动，支撑轴29带动壳体I绕支撑轴29转动，壳体I上的细胞培养液单元、细胞培养液置换单元随壳体I绕支撑轴29转动；同时控制单元24控制细胞培养液单元中的第一电机以某一频率f转动在模拟微重力工作状态下，使细胞培养液置换单元形成三维转动。
[0031]本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不做一一描述。
【权利要求】
1.三维回转可更换培养液细胞微重力系统，其特征是:至少包括:细胞培养液单元、细胞培养液置换单元、带轴旋转的整体支撑架和控制单元(24);控制单元(24)首先记录细胞置换液排出口(20)或细胞置换液排入口(22)的初始位置，控制单元(24)控制细胞培养液单元中的第一电机以某一频率f转动在模拟微重力工作状态下，通过输出步长记录细胞置换液排出口(20)或细胞置换液排入口(22)的工作实时位置；控制单元(24)通过控制带轴旋转的整体驱动电机使细胞培养液单元和细胞培养液置换单元绕轴旋转，使细胞培养液置换单元形成三维转动； 更换细胞培养液时，控制单元(24)记录细胞培养液置换单元中细胞置换液出管(19)和细胞置换液入管(21)的初始位置；控制单元(24)控制细胞培养液置换单元中第二电机(12)以加速度转动，通过调速使细胞置换液排出口(20)与细胞置换液出管(19)，细胞置换液排入口(22)和细胞置换液入管(21)进行精确对位，对位精度取决于步长设计，使细胞置换液排出口(20)和细胞置换液出管(19)同心，细胞置换液排入口(22)和细胞置换液入管(21)同心，同时在模拟微重力工作状态下； 控制单元(24)通过无线控制液压系统工作，通过第一油压泵(9)吸入第一贮油腔(10)的油向液压缸下腔(8)注油,通过缸体上移使细胞置换液出管(19)插入细胞置换液排出口(20),使细胞置换液入管(21)插入细胞置换液排入口(22);由细胞置换液油压泵(6)将细胞置换液从细胞置换液腔(17)置入细胞培养液单元，并将使用时间长的细胞培养液(5)置出到置出细胞置换液腔(16)，直至更换完使用时间长的细胞培养液，然后，细胞培养液置换单元脱离细胞培养液单元。
2.根据权利要 求1所述的三维回转可更换培养液细胞微重力系统，其特征是:所述的细胞培养液单元包括:第一电机(2)、细胞培养液壳体(3)、细胞放置架(4)、细胞培养液(5)、细胞置换液排出口(20)、细胞置换液排入口(22)、第一电机轴(23);细胞培养液壳体(3)—端固定第一电机(2),第一电机(2)的第一电机轴(23)伸向细胞培养液壳体(3)内，第一电机轴(23)套接有细胞放置架(4),细胞放置架(4)放置有细胞样本,细胞样本浸入在细胞培养液(5)内，细胞培养液壳体(3)下端有细胞置换液排出口(20)和细胞置换液排入口( 22 )，细胞置换液排入口( 22 )用于输入细胞置换液，细胞置换液排出口( 20 )用于排出使用时间长的细胞培养液(5);第一电机(2)采用步进电机，转动时由控制单元(24)通过步长记录、存忙细胞置换液排出口(20)或细胞置换液排入口(22)的位置，以供细胞培养液置换单元同步工作时使用。
3.根据权利要求2所述的三维回转可更换培养液细胞微重力系统，其特征是:所述的细胞放置架(4)同时有多个放置细胞样本的细胞架，细胞架在细胞培养液(5)中，第一电机轴(23)工作时，细胞架和细胞放置架(4) 一同转动。
4.根据权利要求1所述的三维回转可更换培养液细胞微重力系统，其特征是:所述的细胞培养液置换单元包括:细胞置换液壳体(7)、液压缸下腔(8)、油压泵(9)、第一贮油腔(10)、第二电机轴(11)、第二电机(12)、第二贮油腔(13)、外滑道(14)、液压缸上腔(15)、置出细胞置换液腔(16)、细胞置换液腔(17)、内滑道(18)、细胞置换液出管(19)、细胞置换液排出口(20)、细胞置换液入管(21)、细胞置换液排入口(22)、第一电机轴(23);细胞置换液壳体(7)被限位在外滑道(14)和内滑道(18)内，细胞置换液壳体(7)有对称的置出细胞置换液腔(16)和细胞置换液腔(17)，细胞置换液腔(17)上端固定细胞置换液油压泵(6)，细胞置换液油压泵(6)出口连接细胞置换液入管(21);置出细胞置换液腔(16)上端有细胞置换液出管(19 );细胞置换液出管(19 )和细胞置换液入管(21)绕第二电机轴(11)对称分布。
5.根据权利要求1所述的三维回转可更换培养液细胞微重力系统，其特征是:所述的置出细胞置换液腔(16)和细胞置换液腔(17)下端有一个液压系统，液压系统中的液压缸下腔(8)和液压缸上腔(15)分别通过第一油压泵(9)、第二油压泵(25)与第一贮油腔(10)和第二贮油腔(13)相通，通过液压缸下腔(8)和液压缸上腔(15)注油和卸油，使置出细胞置换液腔(16)和细胞置换液腔(17)沿外滑道(14)和内滑道(18)上下移动，保持置出细胞置换液腔(16)和细胞置换液腔(17)平稳更换细胞培养液。
6.根据权利要求1所述的三维回转可更换培养液细胞微重力系统，其特征是:所述的液压缸下腔(8)和液压缸上腔(15)，第一贮油腔(10)和第二贮油腔(13)，位置上均靠近第二电机轴(11)。
7.根据权利要求1所述的三维回转可更换培养液细胞微重力系统，其特征是:所述的细胞置换液腔(17)的细胞置换液是细胞培养液(5)的2倍以上，以使培养液更换完全。
8.根据权利要求1所述的三维回转可更换培养液细胞微重力系统，其特征是:所述的带轴旋转的整体支撑架包括:第三电机轴(26)、整体支撑架(27)、轴承(28)、支撑轴(29)；壳体(1)与支撑轴(29)固定连接，支撑轴(29)通过左右轴承(28)固定在整体支撑架(27)上，整体支撑架(27)与基础固定，第三电机轴(26)的输出轴与支撑轴(29)同轴连接；第三电机轴(26)在控制单元(24)控制下工作，第三电机轴(26)的输出轴带动支撑轴(29)转动，支撑轴(29)带动壳体(1)绕支撑轴(29)转动，壳体(1)上的细胞培养液单元、细胞培养液置换单元随壳体(1)绕支撑轴(29)转动；同时控制单元(24)控制细胞培养液单元中的第一电机以某一频率f转动在模拟微重力工作状态下，使细胞培养液置换单元形成三维转动。
【文档编号】C12M3/00GK104031835SQ201410215232
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年5月21日 优先权日:2014年5月21日
【发明者】石菲, 孙喜庆, 张舒, 曹新生, 杨长斌, 王永春, 孙静, 高原 申请人:中国人民解放军第四军医大学