CN103361270B - 多场耦合体外细胞实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多场耦合体外细胞实验装置及方法，所述装置包括装有保温隔层和磁力搅拌器的容器、表面设置有多个开孔的法兰盖以及多功能样品架台；所述容器的上端和下端分别设置有加水口和放水口，所述放水口处设置有球阀，所述磁力搅拌器用以均衡水浴温度，所述法兰盖连接在容器的顶部形成可打开/闭合容器的结构，所述样品架台可以放置带有多孔细胞培养板的电磁场发生装置和/或单一的多孔细胞培养板，在实验时置于容器内；所述方法是将带有多孔细胞培养板的电磁场发生装置放置在样品架台上，然后放入容器中，再控制细胞培养所需的气氛、温度和湿度条件实现。本发明的多场耦合体外细胞实验装置结构简单、成本低廉、操作方便、功能多样，而且可满足同时进行多组实验。

Description

多场耦合体外细胞实验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种细胞培养装置及方法，尤其是一种多场耦合体外细胞实验装置及方法，属于医疗器械领域。

背景技术

天然体细胞处在复杂的机体微环境中，天然机体的应力应变、生物电场、生物磁场的作用，影响着机体组织生长的结构、形态和功能的衍变。自1957年Fukada和Yasuda对骨的宏观力电性质的发现和随后Bassett发现应力促进骨重建的原因可能是应力在骨内产生的电位，刺激了细胞反应，诱导了细胞的生理变化。

生物力学在临床的应用有：骨科的肢体牵伸延长术、骨折的加压固定术、颅颌骨牵引术及皮肤软组织拉伸术等。磁场作用方面，有动物试验发现：在磁场作用下，实验组的骨小梁数目及厚度均增加，股骨的最大抗拉强度和椎体的最大抗压强度均达到正常，人体脊柱、股骨等骨骼表面和内部将产生随时间变化的感应电流。通过电磁生物效应，影响骨细胞代谢，提高骨密度，改善骨质量，达到预防和治疗骨质疏松及骨折的目的。生物电效应在骨的塑形和重建方面起着重要作用，采用电刺激促进骨折愈合是骨科常用的治疗方法。在骨折处施加负电压所形成的电荷积累有利于骨折愈合。大量的动物实验也证明，持续直流电，脉冲直流电、持续静电场和脉冲电磁场均可促进骨骼的生长和修复，且已在临床治疗中广泛应用。

利用生物力、电、磁场效应的临床治疗方法已经被广泛使用，然而，其分子生物学机制仍未完全阐述。对活体细胞在力、电、磁场环境下的体外研究对探讨其内在的分子生物学机制有重要意义。体外细胞实验的研究除了构建设定的力、电、磁场外，其实验环境必须与常规的细胞培养环境相适应，否则不能准确模拟生物机体体内环境，致使其研究结果缺乏科学依据。

目前，对细胞施加力场、磁场和电场进行研究的实验装置有四点弯曲细胞加力装置、气孔加压细胞培养仪、体外细胞静磁场加载装置和细胞电泳仪等，然而这些设备仪器存在应用功能单一、操作繁琐、价格高昂、不能独立进行细胞培养、难以实现多组实验同时进行、不利于研究生物材料与细胞反应的此类需要大量样品的实验研究等多种不便利因素。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种结构简单、成本低廉、操作方便、功能多样，而且可满足同时进行多组实验的多场耦合体外细胞实验装置。

本发明的另一目的在于提供一种上述装置的多场耦合体外细胞实验方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

多场耦合体外细胞实验装置，其特征在于：包括可恒定控制水温的容器、与容器相匹配且表面设置有多个开孔的法兰盖、可实现水温分布均匀的磁力搅拌器以及可放置带有多孔细胞培养板的电磁场发生装置和/或单一的多孔细胞培养板的样品架台；所述容器的上端和下端分别设置有加水口和放水口，所述放水口处设置有球阀，所述法兰盖连接在容器的顶部形成可打开/闭合容器的结构，所述磁力搅拌器安装在容器的底部；所述样品架台在实验时置于容器内。

作为一种优选方案，所述容器下端还设置有加热管和用于放置第一温度表的第一温度表孔，所述加热管和第一温度表分别与外部控温装置连接，实现恒定控制水温。

作为一种优选方案，所述法兰盖表面设置的开孔包括进气孔、出气孔、线路插孔、用于放置气压表的气压表孔、用于放置第二温度表的第二温度表孔以及用于放置湿度计的湿度计孔。

作为一种优选方案，所述电磁场发生装置包括一组平行的亥姆霍兹线圈、一组平行板电极、平板架台以及电源，所述平行板电极放置在平板架台上，所述电源底部设置有接线柱；在电磁场发生装置置于容器内时，所述接线柱的接线通过线路插孔与外部电源控制器件连接。

作为一种优选方案，所述样品架台包括多层样品台和至少三根用于支撑样品台的螺纹支架，所述每层样品台为裁剪掉部分弧长的不规则圆形状，其表面设置有至少三个与螺纹支架相匹配的支架孔，所述螺纹支架穿过支架孔后通过六角螺母调节和固定样品台的高度。

作为一种优选方案，所述每层样品台的表面还设置有多个用于放置离心试管的钻孔。

作为一种优选方案，所述容器为装有保温隔层的圆柱形直筒状，方便将样品架台放入或提出，并提高内部温度的均匀性，其采用不锈钢材料制成，可以稳定保压。

作为一种优选方案，所述法兰盖与容器的顶部之间设置有橡胶垫圈，以提高容器的密封效果。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

多场耦合体外细胞实验方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将容器杀菌消毒后，往容器中加入一定量的去离子水以保持细胞培养的湿度环境：

2)将放有细胞样品的多孔细胞培养板放置在电磁场发生装置的平行板电极间；

3)将电磁场发生装置放置在样品架台上，然后将样品架台置于容器内，将接线柱的接线通过线路插孔与外部电源控制器件连接，通过法兰盖闭合容器；

4)将进气孔与带流量表的含5％CO₂的医用混合气体储气罐相连，然后调节出气孔，通过气压表进行监测，获得稳定的气压；

5)闭合球阀将放水口关闭，使容器处于密闭状态，往加水口中注入适量的水，开启外部控温装置，利用加热管加热，通过第一温度表进行监测，使水温恒定在预设温度A；

6)外部控温装置开启一段时间后，通过第二温度表测量容器内气体温度即实际温度B，通过磁力搅拌器控制B＝37℃，再往加水口中注入少量水控制容器内的湿度，通过湿度计读出示数；

7)结束后，先关掉外部电源控制器件、外部控温装置和储气罐加压阀，再调节出气孔使容器内气压降低，打开法兰盖取出样品架台。

作为一种优选方案，步骤3)所述将电磁场发生装置放置在样品架台上时，同时将单一放有细胞样品的多孔细胞培养板放置在样品架台上。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明的多场耦合体外细胞实验装置通过电磁场发生装置可以实现力场、磁场、电场的多场耦合，也可以实现力场、磁场、电场的单独使用，可方便研究更加真实的生物力学、生物电磁学在分子生物学水平的机理探。

2、本发明的多场耦合体外细胞实验装置在容器内可控制细胞培养所需的气氛、温度和湿度条件，底部安装的磁力搅拌器，可实现水温的分布均匀，保证了容器内部实验温度的空间分布均匀，可独立进行体外细胞实验，无需放入特定的细胞培养箱中。

3、本发明的多场耦合体外细胞实验装置在实验时，可以将电磁场发生装置的接线通过线路插孔与外部电源控制器件连接，根据实际需要，利用外部电源控制器件，可实现恒定磁场、脉冲磁场、恒定电场、恒定压力下的细胞培养环境，而且还适用于其它需要控温下力电磁场环境的化学合成等其它实验的研究。

4、本发明的多场耦合体外细胞实验装置使用的样品架台，可以调节样品台的高度，从而获得合适的空间，可方便进行多组不同实验条件的细胞样品同时进行实验，可满足大量实验研究的需求，而且样品台采用裁剪掉部分弧长的不规则圆形状设计，方便电磁发生装置的线路排放，也可使得温度表能测量容器不同高度的温度变化范围，使得环境控制更为科学。

5、本发明的多场耦合体外细胞实验装置使用的容器结构简单，成本低廉，由不锈钢制成，具有高耐压、高密闭、易消毒处理的特点，而且采用模块式组装而成，方便清洗消毒和更换坏、旧零部件。

附图说明

图1为本发明多场耦合体外细胞实验装置的容器正面结构示意图。

图2为本发明多场耦合体外细胞实验装置的容器俯视结构示意图。

图3为本发明多场耦合体外细胞实验装置的样品架台正面结构示意图。

图4为本发明多场耦合体外细胞实验装置的样品架台中样品台表面结构示意图。

图5为与本发明多场耦合体外细胞实验装置配套的电磁场发生装置结构示意图。

其中，1-容器，2-法兰盖，3-磁力搅拌器，4-样品架台，5-加水口，6-放水口，7-加热管，8-第一温度表孔，9-球阀，10-进气孔，11-出气孔，12-线路插孔，13-气压表孔，14-第二温度表孔，15-湿度计孔，16-橡胶垫圈，17-样品台，18-螺纹支架，19-支架孔，20-钻孔，21-六角螺母，22-亥姆霍兹线圈，23-平行板电极，24-平板架台，25-电源，26-接线柱，27-多孔细胞培养板。

具体实施方式

实施例1：

如图1-图3所示，本实施例的多场耦合体外细胞实验装置，包括容器1、与容器1相匹配的法兰盖2、磁力搅拌器3以及样品架台4。

如图1和图2所示，所述容器1为装有保温隔层的圆柱形直筒状，其采用不锈钢材料制成，可以稳定保压，所述容器1的上端设置有加水口5、下端设置有放水口6、加热管7和第一温度表孔8，通过加水口5注入比热容较大的水作为保温介质，所述放水口6处设置有球阀9，第一温度表孔8放置有第一温度表，所述加热管7和第一温度表分别与外部控温装置连接；所述法兰盖2连接在容器1的顶部形成可打开/闭合容器1的结构，其表面设置有进气孔10、出气孔11、线路插孔12、气压表孔13、第二温度表孔14以及湿度计孔15，所述气压表孔13放置有气压表，所述第二温度表孔14放置有第二温度表，所述湿度计孔15放置有湿度计，在法兰盖2与容器1顶部之间设置有橡胶垫圈16，以提高容器1的密封效果；所述磁力搅拌器3安装在容器1的底部，可以使容器1隔层的水产生涡流，以保证容器内的水温分布均匀。

如图3和图4所示，所述样品架台4包括四层样品台17和三根螺纹支架18，所述每层样品台17为裁剪掉部分弧长的不规则圆形状，其表面设置有三个支架孔19和十六个钻孔20，所述支架孔19与螺纹支架18相匹配，所述钻孔20可以放置与其直径对应的15ml离心试管，所述螺纹支架18采用不锈钢材料制成；将螺纹支架18穿过支架孔19，通过六角螺母21调节和固定每层样品台17的高度，所述每层样品台17可以放置带有多孔细胞培养板的电磁场发生装置和/或单一的多孔细胞培养板。

如图5所示，所述电磁场发生装置包括一组平行的亥姆霍兹线圈22、一组平行板电极23、平板架台24以及电源25，所述平行板电极23放置在平板架台24上，所述电源25底部设置有接线柱26；在电磁场发生装置置于容器1内时，所述接线柱26的接线通过线路插孔12与外部电源控制器件连接。

如图1-图5所示，本实施例的多场耦合体外细胞实验过程，包括以下步骤：

1)将容器1杀菌消毒后，往容器1中加入一定量的去离子水以保持细胞培养的湿度环境；

2)将放有细胞样品的多孔细胞培养板27放置在电磁场发生装置的平行板电极23间，使多孔细胞培养板27可以加载电磁场；

3)将电磁场发生装置放置在样品架台4的第一层(由上至下)样品台17上，然后将样品架台4置于容器1内，将接线柱26的接线通过线路插孔12与外部电源控制器件连接，通过法兰盖2闭合容器1；

4)将进气孔10与带流量表的含5％CO₂的医用混合气体储气罐相连，然后调节出气孔11，通过气压表进行监测，获得稳定的气压；

5)闭合球阀9将放水口6关闭，使容器1处于密闭状态，往加水口5中注入适量的水，开启外部控温装置，利用加热管7加热，通过第一温度表进行监测，使水温恒定在预设温度A；

6)外部控温装置开启一段时间后，通过第二温度表测量容器1内气体温度即实际温度B，通过磁力搅拌器3控制B＝37℃；

7)结束后，先关掉外部电源控制器件、外部控温装置和储气罐加压阀，再调节出气孔11使容器1内气压降低，打开法兰盖2取出样品架台4。

实施例2：

本实施例的多场耦合体外细胞实验过程主要特点是：步骤3)中，调节样品架台4的六角螺母21，获得合适空间，将电磁场发生装置放置在样品架台4的第一层(由上至下)样品台17上，同时将单一放有细胞样品的多孔细胞培养板放置在样品架台4的第二层样品台17上，即实现了使用电、磁、力多场耦合的细胞样品实验，也实现了单独使用力场的细胞样品实验。其余同实施例1。

实施例3：

本实施例的多场耦合体外细胞实验过程主要特点是：步骤3)中，调节样品架台4的六角螺母21，获得合适空间，将电磁场发生装置放置在样品架台4的第一层(由上至下)样品台17上，同时将单一放有细胞样品的多孔细胞培养板放置在样品架台4的第二层样品台17上，并将放有细胞样品的15ml离心试管放置在样品架台4的第三层样品台17的钻孔20上，以实现多种细胞样品的同时实验。其余同实施例1。

以上所述，仅为本发明专利优选的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (7)

1.多场耦合体外细胞实验装置，其特征在于：包括可恒定控制水温的容器、与容器相匹配且表面设置有多个开孔的法兰盖、可实现水温分布均匀的磁力搅拌器以及可放置带有多孔细胞培养板的电磁场发生装置和/或单一的多孔细胞培养板的样品架台；所述容器的上端和下端分别设置有加水口和放水口，所述放水口处设置有球阀，所述法兰盖连接在容器的顶部形成可打开/闭合容器的结构，所述磁力搅拌器安装在容器的底部；所述样品架台在实验时置于容器内，包括多层样品台和至少三根用于支撑样品台的螺纹支架，所述每层样品台为裁剪掉部分弧长的不规则圆形状，其表面设置有至少三个与螺纹支架相匹配的支架孔，所述螺纹支架穿过支架孔后通过六角螺母调节和固定样品台的高度，所述每层样品台的表面还设置有多个用于放置离心试管的钻孔；所述法兰盖上的其中一个开孔为线路插孔，所述电磁场发生装置包括一组平行的亥姆霍兹线圈、一组平行板电极、平板架台以及电源，所述平行板电极放置在平板架台上，所述电源底部设置有接线柱；在电磁场发生装置置于容器内时，所述接线柱的接线通过线路插孔与外部电源控制器件连接。

2.根据权利要求1所述的多场耦合体外细胞实验装置，其特征在于：所述容器下端还设置有加热管和用于放置第一温度表的第一温度表孔，所述加热管和第一温度表分别与外部控温装置连接。

3.根据权利要求2所述的多场耦合体外细胞实验装置，其特征在于：所述法兰盖表面设置的开孔还包括进气孔、出气孔、用于放置气压表的气压表孔、用于放置第二温度表的第二温度表孔以及用于放置湿度计的湿度计孔。

4.根据权利要求1-3任一项所述的多场耦合体外细胞实验装置，其特征在于：所述容器为装有保温隔层的圆柱形直筒状，其采用不锈钢材料制成。

5.根据权利要求1-3任一项所述的多场耦合体外细胞实验装置，其特征在于：所述法兰盖与容器的顶部之间设置有橡胶垫圈。

6.基于权利要求3所述装置的多场耦合体外细胞实验方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将容器杀菌消毒后，往容器中加入一定量的去离子水以保持细胞培养的湿度环境；

2)将放有细胞样品的多孔细胞培养板放置在电磁场发生装置的平行板电极间；

3)将电磁场发生装置放置在样品架台上，然后将样品架台置于容器内，将接线柱的接线通过线路插孔与外部电源控制器件连接，通过法兰盖闭合容器；

4)将进气孔与带流量表的含5％CO₂的医用混合气体储气罐相连，然后调节出气孔，通过气压表进行监测，获得稳定的气压；

5)闭合球阀将放水口关闭，使容器处于密闭状态，往加水口中注入适量的水，开启外部控温装置，利用加热管加热，通过第一温度表进行监测，使水温恒定在预设温度A；

6)外部控温装置开启一段时间后，通过第二温度表测量容器内气体温度即实际温度B，通过磁力搅拌器控制B＝37℃；

7)结束后，先关掉外部电源控制器件、外部控温装置和储气罐加压阀，再调节出气孔使容器内气压降低，打开法兰盖取出样品架台。

7.根据权利要求6所述的多场耦合体外细胞实验方法，其特征在于：步骤3)所述将电磁场发生装置放置在样品架台上时，同时将单一放有细胞样品的多孔细胞培养板放置在样品架台上。